Teoría
En esta practica el objetivo es conocer el uso del amplificador realimentado, conocer las tres de sus configuraciones básicas evaluar sus características y informar adecuadamente la actividad desarrollada en este trabajo practico
Los materiales a utilizar son los siguientes
1 lm741
1 lm tl081
Resistores de 10kohm, 120kohm, 100kohm
2 capacitores de 100uf x 25 V electroliticos
2 capacitores de 100nf ceramicos
La función básica de un amplificador operacional es producir a la salida una señal cuyo valor es directamente proporcional a la diferencia entre las dos señales de entrada. El factor de proporcionalidad se conoce como factor de amplificación o de ganancia. La ecuación que relaciona la tensión de salida con las tensiones de entrada en un circuito con amplificador operacional se denomina función de transferencia del circuito. Si la tensión en la entrada con signo negativo varía, manteniéndose constante la tensión en la entrada positiva, en la salida la tensión variará con signo opuesto a la variación de la entrada negativa; por esta razón, la entrada con signo negativo recibe el nombre de inversora. Por el contrario, si la tensión en la entrada positiva varía, manteniéndose constante la tensión en la entrada negativa, la salida variará con el mismo signo que la variación de la entrada positiva, razón por la cual esta entrada se denomina no inversora.
LM741
Generalmente
se utilizan estos amplificadores operacionales, ya que presentan un
mayor desempeño sobre los estándares de la industria, como el LM709.
Puede ser sustituido por los siguientes integrados (en la mayoría de las aplicaciones):
- 709C;
- LM201;
- MC1439;
- 748.
Ofrecen
muchas características que hacen que su aplicación sea casi infaltable,
protegen de sobrecarga en la entrada y salida, no se prende cuando el
rango de modo común se supera, así como la ausencia de oscilaciones.
Su
configuración es idéntica en los casos del LM741A, en el LM741C se
garantiza su funcionamiento durante un 0º C a 70º C, en lugar de -55º C
a +125º C.
Su datasheet es el siguiente :
TL081
Son
amplificadores operacionales que permiten incorporar transistores bien
adaptados, de alta tensión, J-FET y bipolares en un circuito integrado
monolítico.
Se
caracterizan por altas tasas de giro, de polarización de entrada baja y
corrientes de desplazamiento, y la baja temperatura de la tensión de
desvío coeficiente.
Algunos modelos de alta velocidad:
- TL081
- TL081A
- TL081B
Su datasheet es el siguiente :
La figura 2 ilustra la primera configuración básica del AO. El amplificador inversor. En este circuito, la entrada (+) está a masa, y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2.
Fig. 2
Aplicando las propiedades anteriormente establecidas del AO ideal, las
características distintivas de este circuito se pueden analizar como sigue.
Puesto que el amplificador
tiene ganancia infinita, desarrollará su tensión de salida, V0, con tensión
de entrada nula. Ya que, la entrada diferencial de A es:
Vd = Vp
- Vn, ==> Vd = 0.- Y si Vd = 0,
entonces toda la tensión de
entrada Vi, deberá aparecer en R1, obteniendo una corriente en R1
Vn está a un potencial cero,
es un punto de tierra virtual
Toda la corriente I que
circula por R1 pasará por R2, puesto que no se derivará ninguna
corriente hacia la entrada del operacional (Impedancia infinita), así pues el producto de
I por R2 será igual a - V0
Por lo que:
Luego la ganancia del
amplificador inversor:
Deben observarse otras propiedades adicionales del amplificador inversor ideal.
La ganancia se puede variar ajustando bien R1, o bien R2. Si R2
varía desde cero hasta infinito, la ganancia variará también desde cero hasta infinito,
puesto que es directamente proporcional a R2. La impedancia de entrada es igual
a R1, y Vi y R1 únicamente determinan la corriente I,
por lo que la corriente que circula por R2 es siempre I, para cualquier valor
de dicha R2.
La entra del amplificador,
o el punto de conexión de la entrada y las señales de realimentación, es un nudo de
tensión nula, independientemente de la corriente I. Luego, esta conexión es un punto de
tierra virtual, un punto en el que siempre habrá el mismo potencial que en la entrada
(+). Por tanto, este punto en el que se suman las señales de salida y entrada, se conoce
también como nudo suma. Esta última característica conduce al tercer axioma básico de
los amplificadores operacionales, el cual se aplica a la operación en bucle cerrado:
Realimentado , la entrada (-) será regulada al potencial de entrada (+) o de referencia.
Esta propiedad puede aún
ser o no ser obvia, a partir de la teoría de tensión de entrada de diferencial nula. Es,
sin embargo, muy útil para entender el circuito del AO, ver la entrada (+) como un
terminal de referencia, el cual controlará el nivel que ambas entradas asumen. Luego esta
tensión puede ser masa (como en la figura 2), o cualquier potencial que se desee.
Amplificador no inversor
La segunda configuración
básica del AO ideal es el amplificador no inversor, mostrado en la figura 3. Este
circuito ilustra claramente la validez del axioma 3.
Fig. 3
En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una
fracción de la señal de salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de
tensión R1 - R2. Puesto que, no fluye corriente de entrada en
ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vi.
Así pues
y como
Tendremos pues que:
que si lo expresamos en
términos de ganancia:
que es la ecuación
característica de ganancia para el amplificador no inversor ideal.
También se pueden deducir
propiedades adicionales para esta configuración. El límite inferior de ganancia se
produce cuando R2 = 0, lo que da lugar a una ganancia unidad.
En el amplificador
inversor, la corriente a través de R1 siempre determina la corriente a través
de R2, independientemente del valor de R2, esto también es cierto
en el amplificador no inversor. Luego R2 puede utilizarse como un control de
ganancia lineal, capaz de incrementar la ganancia desde el mínimo unidad hasta un máximo
de infinito. La impedancia de entrada es infinita, puesto que se trata de un amplificador
ideal.
Buffer amplificador
Existen 2 tipos básicos de buffers, de corriente y de voltaje.
Buffer de corriente
Se utiliza para transferir una corriente desde un primer circuito, que tiene un nivel de salida de baja impedancia, a un segundo circuito con una entrada de alta impedancia. El buffer impide que el segundo circuito carge demasiado al primero, provocando un funcionamiento incorrecto. En un buffer ideal la impedancia de entrada es cero y la impedancia de salida es infinita.En un buffer de corriente, la ganancia suele ser 1, la corriente no varía.
Buffer de voltaje
Se utiliza para transferir una tensión de un primer circuito, que tiene un nivel de salida de alta impedancia, a un segundo circuito con un nivel de entrada de baja impedancia. El buffer impide que el segundo circuito carge demasiado al primero, provocando un funcionamiento incorrecto. En un buffer ideal, la resistencia de entrada es infinita y la resistencia de salida es 0.En un buffer de voltaje, la ganancia suele ser 1, el voltaje no varía.
Parte practica de amplificadores operacionales
Primero armamos el amplificador inversor (el cual como tiene que ir conectado esta dado en la parte teórica)
Primero armamos el amplificador inversor (el cual como tiene que ir conectado esta dado en la parte teórica)
En esta practica realizamos las siguientes mediciones:
2) Medir a la salida del operacional el nivel de continua denominado tensión de offset, para lo cual deberá conectar la entrada Vs del amplificador a tierra.
la salida de el operacional son de 3,9 mV.
3) Ajustar el nivel del generador hasta lograr en la salida la máxima excursión simétrica con una frecuencia de 1 KHz, Verificar que la fase de la señal de entrada es opuesta a la salida y que la ganancia de tensión se mantiene constante a pesar de imponerle una señal senoidal de 1 KHz.
calculo teorico
120Kohm / 10Kohm = 12 veses = AV
calculo en la practica
19.8V / 1,68V = 11,8veses = AV
en el grafico muestra que se mantiene constante
4) Reemplazar el LM741 por el Tl081. Comentar si existe alguna variacion en el funcionamiento del circuito.
con el valor de 1KHz no hay variacion ya que no depende del oparacional utilizado sino del coneccionado que ya esta realizado.
5) Usando el LM741 ensayar ahora el amplificador, aumentándole la frecuencia del generador hasta 1 MHz. Verificar que la ganancia de tension deja de responder al cociente entre R2 y R1. (Nota: Los efectos del funcionamiento del amplificador con la frecuencia se verá en otro TP)
al aumentar la frecuencia disminuye su amplitud (vpp) y llegando a 1 MHz aproximadamente no se registra una señal sino solo se puede apreciar el ruido.
6) Volver a ajustar el generador de señales a 1 KHz y medir la impedancia de entrada del amplificador inversor visto desde los terminales de entrada de Vs , utilizando el método de la máxima transferencia de energía.
realizamos los mismos procedimientos que en la medicion anterior y acontinuacion les pondre los valores medidos.
se genero un error por el instrumental y componenetes utilizados el valor para que sea balido tiene que ser -/+ 10% del valor real.
2) el valor que medimos nos dio 1,95 V
3) calculo teorico
1 = AV
calculo en la practica
Vo = Vi
como el circuito es un buffet o seguidor no hay cambios en las ganancias.
4) al remplazar los integrados no aparece ninguna variacion
10) Usando un amplificador operacional , diseñar un amplificador no inversor que gane en tensión 26 dB sobre una carga de 1K , en un rango de frecuencia que va desde continua hasta 1KHz. La tensión máxima de entrada es de 1 Vpp. Explicar los criterios para la elección de los componentes externos.
en este ejersicio utilizamos un operacional no inversor.
26dB = 20 x log (veces) = 19,25 veces
1 + R2/ R1 = AV
19,25 = 1+100kohm / R1
19,25 - 1 = 100kohm / R1
R1 = 100kohm / 19.25 - 1 = 5,28kohm
el valor comercial es de 4K7
11) Armar el amplificador diseñado en el punto anterior y verificar esa ganancia. resumir las mediciones obtenidas en un cuadro donde se lean los valores medidos con los calculados expresando las ganancias en veces y en dB.
ganancias dB veces
calculados 27 22,4
medidos 26 19,9
conclusiones
en esta experiencia aprendimos a armar circuitos con amplificadores operacionales con distintas configuracion como seguidos, no inversor, inversor, tan bien que entre los dis integrados que utilizamos no habia diferencia y se puede remplazar uno por el otro, medimos ala salidas y aprendimos que el inversor invierte 180° la salida.
2) Medir a la salida del operacional el nivel de continua denominado tensión de offset, para lo cual deberá conectar la entrada Vs del amplificador a tierra.
la salida de el operacional son de 3,9 mV.
3) Ajustar el nivel del generador hasta lograr en la salida la máxima excursión simétrica con una frecuencia de 1 KHz, Verificar que la fase de la señal de entrada es opuesta a la salida y que la ganancia de tensión se mantiene constante a pesar de imponerle una señal senoidal de 1 KHz.
calculo teorico
120Kohm / 10Kohm = 12 veses = AV
calculo en la practica
19.8V / 1,68V = 11,8veses = AV
en el grafico muestra que se mantiene constante
4) Reemplazar el LM741 por el Tl081. Comentar si existe alguna variacion en el funcionamiento del circuito.
con el valor de 1KHz no hay variacion ya que no depende del oparacional utilizado sino del coneccionado que ya esta realizado.
5) Usando el LM741 ensayar ahora el amplificador, aumentándole la frecuencia del generador hasta 1 MHz. Verificar que la ganancia de tension deja de responder al cociente entre R2 y R1. (Nota: Los efectos del funcionamiento del amplificador con la frecuencia se verá en otro TP)
al aumentar la frecuencia disminuye su amplitud (vpp) y llegando a 1 MHz aproximadamente no se registra una señal sino solo se puede apreciar el ruido.
6) Volver a ajustar el generador de señales a 1 KHz y medir la impedancia de entrada del amplificador inversor visto desde los terminales de entrada de Vs , utilizando el método de la máxima transferencia de energía.
con el generador de señales en 1 KHz verificamos cuanto le podemos aumentar la amplitud sin que se deforme la señal.
Amplificador No Inversor
realizamos los mismos procedimientos que en la medicion anterior y acontinuacion les pondre los valores medidos.
2) la tension de salida el amplificador operacional es de 12,5 mV
3) calculo teorico
1 + 100Kohm / 10Kohm = 11 veses = AV
calculo practica
21,6 Vpp /1,68Vpp = 12,14 = AV
4) como en la medicion anterior ocurre lo mismo no hay variacion ala misma fecuencia porque depende de la manera en que esta conectado y no en el operacional.
5) al aumentar la frecuencia la amplitud disminuye y al llegar aproximadamente a 1MHz. disminuyo el ruido de la señal para el inversor.
6) con el preset ajustado a 43 Kohm se produce la mayor amplitud de la señal sin deformacion.
buffer
2) el valor que medimos nos dio 1,95 V
3) calculo teorico
1 = AV
calculo en la practica
Vo = Vi
como el circuito es un buffet o seguidor no hay cambios en las ganancias.
4) al remplazar los integrados no aparece ninguna variacion
10) Usando un amplificador operacional , diseñar un amplificador no inversor que gane en tensión 26 dB sobre una carga de 1K , en un rango de frecuencia que va desde continua hasta 1KHz. La tensión máxima de entrada es de 1 Vpp. Explicar los criterios para la elección de los componentes externos.
en este ejersicio utilizamos un operacional no inversor.
26dB = 20 x log (veces) = 19,25 veces
1 + R2/ R1 = AV
19,25 = 1+100kohm / R1
19,25 - 1 = 100kohm / R1
R1 = 100kohm / 19.25 - 1 = 5,28kohm
el valor comercial es de 4K7
11) Armar el amplificador diseñado en el punto anterior y verificar esa ganancia. resumir las mediciones obtenidas en un cuadro donde se lean los valores medidos con los calculados expresando las ganancias en veces y en dB.
ganancias dB veces
calculados 27 22,4
medidos 26 19,9
conclusiones
en esta experiencia aprendimos a armar circuitos con amplificadores operacionales con distintas configuracion como seguidos, no inversor, inversor, tan bien que entre los dis integrados que utilizamos no habia diferencia y se puede remplazar uno por el otro, medimos ala salidas y aprendimos que el inversor invierte 180° la salida.
