Holguín Moctezuma Luis E.
09610390
Leyva Zúñiga Jorge R.
08610371
Núñez Cruz Marylé
09610452
ii
ii
iii iv … ..
1
………………………………………………………………………
3
2.1 Fundamentos del amplificador o peracional…………………………….
3
2.2 Amplificadores operacionales en circuito integrado …………………..
4
2.2.1 Terminales de alimentación…………………………………………
5
2.2.2 Terminal de salida…………………………………………………….
6
2.2.3 Terminales de entrada………………………………………………..
7
2.3 Comparador de ventana ……………………………………………………..
7
2.3.1 Nivel de salida salida alto entre los límites …………………………..
8
2.3.2 Nivel de salida bajo entre los límites ……………………………
9
…..………………………………………………………………………… ………………………………………………………………. ..
11 12
……………………………………………………………………… ..
15
……………………………………………………………………… ..…
16
………………………………………………………………………… .
18
…………………………………………………………………...….
22
……………………………………………………………………… .…………
23
………………………………………
24
………………………………
25
iii
Figura 1.1
Señales y formas de salida del OP AMP ………………………….……
1
Figura 2.1
Señales de entrada del OP AMP …………………………………………
4
Figura 2.2
Identificación de las terminales de un 741 …………………………..
5
Figura 2.3
Conexi ones de fuentes de alimentación………………………………
6
Figura 2.4
Comparador de ventana no inversor ……………………….…………
8
Figura 2.5
Comparador de ventana inversor……………………..…….………….
9
Figura 5.1
Comparador de ventana (nivel bajo) …………………………………..
10
Figura 5.2
Obtención de voltajes …………………………………………..…………
16
Figura 6.1
Simulación en Multisim11.0 ………………………………………..……
17
Figura 6.2
Circuito físico del comparador de ventana ……………………..……
17
Figura 7.1
Límites del comparador de ventana. ……………………………….….
18
iv
Tabla 2.1 Características del amplificador operacional 741…………………….
6
Tabla 4.1 Componentes electrónicos………………………………………………...
12
Tabla 4.2 Equipos y software…………………………………………………………..
14
Tabla 7.1 Resultados del comparador de ventana ………………………………...
19
v
Presentes en casi todo circuito moderno, ya se trate de un dispositivo de electrónica digital o analógica, el amplificador operacional (OP AMP) es el pilar de la mayoría de los diseños electrónicos. Los amplificadores operacionales integrados son baratos, versátiles y fiables. Por esta razón se pueden usar no solo en circuitos lineales como amplificadores de tensión, fuentes de corriente y filtros activos, sino también en circuitos no lineales como circuitos activos con diodos, comparadores y generadores de señal. Un OP AMP (típico) no puede suministrar un nivel de tensión o potencial en la salida mayor al que poseen las fuentes de alimentación de las cuales toma la energía. Normalmente el voltaje máximo de salida está definido como el voltaje de alimentación menos uno a dos voltios. Cuando se da a la salida este valor se dice que el OP AMP se satura, pues ya no está amplificando, y que deja de tener un comportamiento lineal. En la figura 1.1a se muestra la señal de entrada al OP AMP, dependiendo del valor de señal el OP AMP entrará en saturación o no, como se muestra en la Figura 1.1b.
1
Figura 1.1 Señales y formas de salida del OP AMP
La forma de la
señal de salida en un amplificador operacional no lineal es,
normalmente, diferente de la de entrada, porque el operacional se satura durante parte del ciclo de entrada. Por tal motivo, tienen que analizarse dos modos o zonas diferentes de funcionamiento para ver qué sucede durante un ciclo completo de la señal de salida. Los comparadores son circuitos no lineales que, como su nombre indica, sirven para comparar dos señales (una de las cuales generalmente es una tensión de referencia) y determinar cuál de ellas es mayor o menor. La tensión de salida tiene dos estados (binaria) y se comporta como un convertidor analógico-digital de 1 bit. La función del comparador es comparar dos tensiones obteniéndose como
2
resultado una tensión alta (V OH) o baja (VOL). El comparador acepta señales analógicas a la entrada y proporciona señales binarias a la salida. Este elemento constituye un nexo de unión entre el mundo analógico y digital. Algunos circuitos integrados (como el CI-339, CI-311 etc.) se han diseñado específicamente como comparadores otros como el CI-741 aunque son en realidad amplificadores operacionales pueden ser usados como comparadores. Los OP AMP pueden actuar como comparadores cuando la ganancia diferencial en lazo abierto sea alta (>10.000) y la velocidad no sea un factor crítico. Como ejemplo, el OP AMP 741 se comporta como un elemento de entrada lineal si la tensión de entrada en modo diferencia está comprendida entre los valores –65µV < Vd < +65µV. Fuera de ese rango la etapa de salida del amplificador entra en saturación y puede comportarse como comparador. Existen diferentes tipos de comparadores como los inversores, no inversores, con histéresis, sin histéresis y de ventana. El comparador de ventana permite detectar un nivel de voltaje entre dos límites, uno inferior y uno superior.
Con este sencillo circuito podremos visualizar a
simple vista que límites supera la señal que aplicamos a la entrada; las aplicaciones del circuito son muchas y variadas, un elemento muy útil en nuestros circuitos electrónicos.
3
El amplificador operacional (OP AMP) es un circuito cuya popularidad y utilización ha crecido de una manera vertiginosa en los últimos años gracias a la gran cantidad de operaciones en las que puede ser utilizado, en electrónica analógica, prácticamente en todas, y en electrónica digital en bastantes. Gran parte de esta popularidad
hay
que
agradecerla
a
la
aparición
de
la
integración
de
semiconductores, con la cual este circuito está hoy en día disponible en forma de pequeños
circuitos
integrados
de
bajo
precio,
considerándolo
como
un
componente electrónico más. El término de amplificador operacional fue nombrado para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tales como suma, resta, multiplicación, integración, diferenciación..., importantes dentro de la computación analógica. La aparición y desarrollo de la tecnología integrada, que permitía fabricar sobre un único substrato monolítico de silicio gran cantidad de dispositivos, dio lugar al surgimiento de amplificadores operacionales integrados que desembocaron en una revolución dentro de las aplicaciones analógicas.
2.1 Fundamentos del Amplificador Operacional El amplificador operacional es un amplificador de muy alta ganancia que cuenta con una impedancia de entrada muy alta (por lo general de algunos megaohms) y con una impedancia de salida (menor a 100 Ω). La figura 2.1a muestra el circuito básico que se construye mediante el empleo de un amplificador diferencial que tenga dos entradas (de signo positivo y de signo negativo) y al menos una salida. Conforme a lo establecido con anterioridad la entrada de signo positivo (+) produce una salida que se encuentra en fase con la señal aplicada, mientras que 4
una entrada en la entrada de signo negativo (-) produce una salida con polaridad opuesta como se muestra en la Figura 2.1b (Boylestand & Nashelsky, 2003).
Figura 2.1 Señales de entrada del OP AMP
2.2 Amplificadores operacionales en circuito integrado Los circuitos operacionales son circuitos integrados (CI) con uno a cuatro amplificadores operacionales en un solo CI. La figura 2.2 muestra un CI 741, con una descripción de las señales terminales específicas (Bolyestand & Nashelsky, 1997).
Debido a que es muy barato y sencillo de usar, el CI 741 ha tenido un enorme éxito. Por ejemplo, Motorola produce el MC1741, National Semiconductor el LM741 y Texas Instruments el SN72741. Todos esos amplificadores operacionales monolíticos son equivalentes al 741, ya que tienen las mismas especificaciones en sus hojas de características. Para simplificar el nombre, la mayoría de la gente ha
5
evitado los prefijos y a este amplificador operacional de gran uso se le llama simplemente 741.
Figura 2.2 Identificación de las terminales de un 741.
Por su gran importancia, se utilizará el 741 como dispositivo básico en las exposiciones siguientes. Una vez que se haya entendido el 741, se pueden investigar otros amplificadores operacionales. Referente a este modelo, hay que decir que el 741 tiene diferentes versiones numeradas: 741,741A, 741C, 741E, 741N y así sucesivamente. Difieren en su ganancia de tensión, rango de temperatura, nivel de ruido y otras características. El 741C (la C indica nivel comercial) es el más barato y el más utilizado. En la tabla 2.1 se proporciona una lista parcial de la hoja de especificaciones del CI 741. A continuación se analizan algunas de las características más importantes de un amplificador operacional. 2.2.1 Terminales de alimentación
6
Las
terminales
de
un
amplificador
operacional
marcadas
+Vcc
y
–VEE
proporcionan el voltaje a todo el circuito integrado. En la figura 2.3 se muestran las dos conexiones usuales.
Figura 2.3 Conexiones de fuentes de alimentación
En la figura 2.13a las fuentes de voltaje doble están conectadas de modo que la salida puede excursionar tan alto como +15v y tan bajo como -15v. La figura 2.13b muestra una conexión en la cual la salida puede tener una excursión +15v y tan bajo como 0v.
Tabla 2.1 Características del amplificador operacional 741 Parámetro
Mínimo
Típico
Máximo
Unidades
Resistencia de entrada
0.3
2.0
MΩ
70
90
dB
20 000
200 000
Relación de rechazo en modo común Ganancia de voltaje a
7
gran señal Resistencia de salida
75
Consumo de potencia
50
Ω
85
mW
Límite de velocidad de 0.5
V/µs
voltaje
2.2.2 Terminal de Salida La terminal de salida simple, que produce una salida simple, proporciona un voltaje cuyo valor máximo está limitado por el o por los voltajes de alimentación. El voltaje de salida proporciona una resistencia de salida que se muestra en la tabla 2.1 y es
2.2.3 Terminales de entrada Se proporcionan dos terminales de entrada. Una señal aplicada a la entrada positiva con respecto a tierra provoca una salida en fase con la señal de entrada. Una señal aplicada a la entrada negativa con respecto a tierra genera una salida opuesta en fase con la señal de entrada. También se puede conectar una señal de entrada entre las terminales de + y – (una entrada diferencial) con la salida amplificada . La impedancia de entrada entre cualquier entrada y tierra por lo general es muy grande. Según la tabla 2.1, el valor de
es
2.3 Comparador de Ventana 8
Un comparador de ventana permite saber si una señal o nivel de tensión está dentro o fuera de un límite aceptable de voltajes previamente definido.
Según la definición de Malvino
“Un comparador de ventana indica el momento en que la tensión de
entrada excede cierto límite o umbral. Un comparador de ventana (también llamado detector de limite doble ) detecta cuando la tensión de entrada esta entre dos límites. Para construir un comparador de ventana se utilizan dos comparadores con umbrales distintos” (Malvino, 2000).
Frecuentemente se quiere comparar una tensión con otra para ver cuál es la mayor. En esta situación, un comparador puede ser la solución perfecta. Este circuito tiene dos terminales de entrada (inversor y no inversor) y un terminal de salida. Es diferente a los circuitos lineales con amplificadores operacionales, ya que existen dos estados en la salida, dependiendo de si la tensión es alta o baja. Por esta razón, los comparadores son comúnmente usados como conexión entre circuitos analógicos y digitales (Malvino, 2000). 2.3.1 Nivel de salida alto entre los límites La figura 2.4 a muestra otro comparador de ventana. El circuito utiliza un LM339, comparador cuádruple que necesita de una resistencia externa de pull-up. Si la tensión de alimentación del pull-up es de +5V, la salida pude excitar circuitos TTL. La figura 2.4b muestra la función de transferencia. Se observa que la tensión de entrada está entre los dos límites.
9
Para el análisis supondremos las mismas tensiones de referencia del ejemplo anterior. Cuando
<
3V, el comparador inferior lleva la salida a cero. Cuando
> 4V, el comparador superior lleva la salida a cero. Cuando 3V <
<
4V, el
transistor de salida de ambos comparadores está en corte, con lo que la salida sube a +5V (Malvino, 2000).
Figura 2.4 Comparador de ventana no inversor
2.3.2 Nivel de salida bajo entre los límites
10
La figura 2.5a muestra un comparador de ventana que produce un nivel bajo de tensión de salida cuando la tensión de entrada está entre unos límites inferior y superior. El circuito tiene un PCI y un PCS. La tensión de referencia se puede obtener de un divisor de tensión, unos diodos Zener o de otros
circuitos. La
Figura 2.5b muestra la función de transferencia de un comparador de ventana. Cuando
es menor que PCI o mayor que PCS, la salida está en nivel alto.
Cuando está entre PCI y PCS, la salida está a nivel bajo (Malvino, 2000).
Figura 2.5 Comparador de ventana inversor
11
Con ayuda de un comparador (amplificador operacional) que controle el nivel de voltaje superior y otro comparador que controle el nivel de voltaje inferior, se puede implementar un comparador de ventana. En la figura 2.6 se muestra el diagrama del comparador de ventana de nivel de salida bajo entre los límites que se utilizará en el desarrollo de la práctica.
Figura 2.6 Comparador de ventana (nivel bajo).
La entrada
es
común para ambos operacionales; si el valor de la entrada se
encuentra entre los márgenes establecidos, las salidas de ambos operacionales permanecerán a cero, por lo tanto el LED permanecerá apagado. Si la señal de entrada es inferior al margen inferior establecido, el operacional 2 pasará a 12
saturación positiva y el LED se iluminará. Si por el contrario el margen superado es el superior, será el operacional 1 el que pase a saturación positiva iluminando el LED.
Montar un comparador de ventana (de nivel de salida bajo) con la ayuda del OP AMP 741 como comparador de tensión, además de otros componentes que integran la salida del comparador; para comprender y analizar el comportamiento de éstos componentes electrónicos. El análisis del circuito se realizará en base a la herramienta de simulación (en esta ocasión Multisim 11.0 de National Instruments) y en una tablilla de protoboard con el circuito armado.
13
En la tabla 4.1 se describen los componentes electrónicos que se necesitan para armar un comparador de venta del tipo nivel de salida bajo entre los límites; y en la Tabla 4.2 se enlistan los equipos y software que se necesitarán para revisar los parámetros del circuito.
Tabla 4.1 Componentes electrónicos Componente
Descripción
Figura
14
Es un OPAMP tipo
DIP8,
alojado en una cápsula de de
8
pines.
Incluye
un
condensador de compensación interno para evitar oscilaciones: Con una resistencia de carga grande, la señal de salida puede oscilar en un margen de 1 o 2 V inferior al 2 OP AMP 741
margen entre las dos alimentaciones. Con resistencias de carga pequeñas, MPP está limitada por la corriente de cortocircuito. La velocidad
de
respuesta
es
la
máxima
velocidad a la que puede variar la tensión de salida cuando se excita la entrada con un
escalón.
El
ancho
de
banda
es
proporcional a la velocidad de respuesta. 1 Transistor
Dispositivo semiconductor que permite el
2N2222,
control y la regulación de una corriente
también
grande mediante una señal muy pequeña.
identificado
Es del tipo bipolar NPN de baja potencia de
como PN2222
uso general. Sirve para aplicaciones de amplificación como de conmutación.
2 Diodos
Componente de dos terminales que permite
Rectificadores
la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido.
15
Tipo especial de diodo que siempre se utiliza polarizado inversamente. En este caso la corriente circula en contra de la 1 Diodo Zener
flecha que representa el diodo. Si el diodo
1N914
se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador; si se polariza inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante. Light-Emitting Diode: "diodo emisor de luz", es un diodo semiconductor que emite luz. Tiene un voltaje de operación desde
1 Diodo Led
1.5 V a 3.8 V aproximadamente y la gama de corrientes que circulan por él va de los 10mA a 20mA dependiendo del color del led. Es un resistor cuyo valor de resistencia es
1 Resistencia Variable de 10kΩ
variable. De esta manera, indirectamente, se
puede
controlar
la
intensidad
de
corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie.
Resistencias
Oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico, atenuando el
(4 de 1K Ω libre flujo de circulación de las cargas
16
1 de 4.7KΩ 1 de 150Ω )
eléctricas o electrones. En está ocasión se utilizaran resistencias de ¼ w de potencia, la tolerancia es del 5%.
17
Tabla 4.2 Equipos y software Elemento
Descripción
Imagen
Es una herramienta que integra una potente simulación SPICE y entrada de esquemáticos
integrándolo
en
un
laboratorio de electrónica sumamente Simulador NI Multisim
intuitivo sobre un PC. Cuenta con las características de puntas de prueba industriales, intercambio de datos con instrumentos
virtuales
y
reales,
corrector de errores y sugerencias de cambios sobre el circuito.
Es
un
medir
instrumento
eléctrico
directamente
para
magnitudes
eléctricas activas como corrientes y potenciales
(tensiones)
o
pasivas
Multímetro como
resistencias,
capacidades
y
otras. Las medidas pueden realizarse para corriente continua o alterna y en varios márgenes de medida cada una.
18
Es un dispositivo que convierte la tensión
alterna
de
la
red
de
Fuente de suministro, en una o varias tensiones Voltaje continuas,
que
alimentan
los
distintos circuitos al que se conecta.
En los siguientes párrafos se describe la metodología que se recomienda seguir: a) El nivel de tensión / voltaje que se desea censar
se
aplica a la entrada
inversora del amplificador operacional que controla el límite inferior (ver Vinf en la figura 5.1) y también a la entrada no inversora del amplificador operacional que controla el límite superior (ver Vsup en la figura 5.1). b) Estableciendo el voltaje límite superior y el voltaje límite inferior en los terminales Vsup y Vinf, se define el rango de voltajes para el cual la salida del comparador de ventana estará activa. c) La tensión de referencia y de alimentación de los OP AMP se pueden obtener de una fuente para cada entrada de tensión o empleando un divisor de tensión o de otro circuito, si se desea utilizar solo una fuente de alimentación (véase obtención de voltajes). d) A la salida de los OP AMP se colocan los diodos rectificadores para permitir el paso de la corriente solo en una dirección.
19
e) Enseguida se coloca una resistencia en serie con el diodo 1N914, cuando se cumplan las condiciones de los comparadores, el voltaje vencerá al diodo, y el transistor se polarizara, cuando las condiciones no cumplan el diodo conectara el transistor y la tierra y el transistor permanecerá desactivado. f) Se coloca un led en el colector del transistor y una vez que éste se active encenderá al led, indicando que
se encuentra fuera de la ventana.
Regularmente cuando se quiere anticipar y analizar el comportamiento de algún circuito electrónico es recomendable hacer una simulación, dado que esta herramienta
permite la inclusión de algunas complicaciones del mundo real,
además de que permite estudiar los efectos interactivos de los componentes individuales o en conjunto. En esta ocasión se utilizó el simulador de National Instruments Multisim 11.0 para realizar la simulación de imagen 6.2. Para la obtención de voltajes se utilizará una fuente de PC, que aunque ofrece varios valores de tensión, interesa por los 12 V. Para poder obtener un Vsup 20
positivo, Vinf negativo y poder cambiar
entre
niveles de tensión positivos y
negativos se hace la conexión de la figura 6.1a, donde se muestran 2 multímetros con los voltajes de salida de 12V y -12V.
Figura 6.1 Obtención de voltajes
Vsup. Con la línea de voltaje de +Vcc se hace un divisor de tensión con
resistencias de 1K Ω. Vinf. Con la línea de voltaje de -VEE
se hace un divisor de tensión con
resistencias de 1K Ω. Vin. Para lograr el cambio de tensión de
se necesita un potenciómetro
conectado como se muestra en la figura 6.1b .Esta conexión nos permite variar el volumen desde los 12v hasta -12v. 21
Figura 6.2 Simulación en Multisim11.0.
Posteriormente se alambro el circuito de la figura 2.6 como se muestra en la imagen 6.3. Enseguida se varían los valores de
y
se observa la salida, cuyos
resultados se muestran en el siguiente capítulo.
Figura 6.3 Circuito físico del comparador de ventana
En la figura 7.1 se muestran los límites del comparador la ventana; es decir, dentro de estos valores de tensión el nivel de salida será bajo (el led estará apagado). La figura 7.1a muestra el límite superior y la 7.1b muestra el límite
22
inferior. Estos límites son aproximados a los que se esperaba de 6v y -6v, resultados obtenidos en Multisim 11.0.
(a)
(b)
Figura 7.1 Límites del comparador de ventana
En la tabla 7.1 se muestran algunas de las salidas que se originaron para los diferentes niveles de voltaje de
.
Tabla 7.1 Resultados del comparador de ventana
23
Parámetros =
Imagen
11.39 V.
La salida está en nivel alto cuando la entrada está fuera de los límites de la ventana.
5.79 V se
encuentra dentro de la ventana del comparador por ello se obtiene un nivel de salida bajo.
5.07 V se
encuentra dentro de la ventana del comparador por ello se obtiene un nivel de salida bajo.
24
4.59 V. La salida
está en nivel bajo cuando la entrada está en los límites de la ventana.
2.63 V se
encuentra dentro de la ventana del comparador por ello se obtiene un nivel de salida bajo.
-2.10 V.
La salida está en nivel bajo cuando la entrada está en los límites de la ventana.
25
-5.16 V se
encuentra fuera de la ventana del comparador por ello se obtiene un nivel de salida alto.
-5.18 V. La
salida está en nivel alto cuando la entrada está fuera de los límites de la ventana.
26
-10.27 V se
encuentra fuera de la ventana del comparador por ello se obtiene un nivel de salida alto.
El amplificador operacional es un componente electrónico que se utiliza ampliamente en electrónica, esto es debido a su versatilidad y bajo costo. Puede resultarnos útiles para muchas aplicaciones, tal es esta ocasión, en que se realizó un comparador de ventana, al que podemos dar un considerable número de aplicaciones.
27
En el desarrollo de la práctica se comprende la importancia del análisis de circuitos en simulación, pero más aún en su forma física, que es donde se presentan los problemas e incongruencias, que deben resolverse para obtener el resultado final. Este análisis que se obtiene nos permite aplicar los conocimientos en futuros requerimientos de materias y/o necesidades de algún proyecto.
28
Bolyestand, R. L., & Nashelsky, L. (1997). Fundamentos de Electrónica. México. Prentice-Hall. Boylestand, R. L., & Nashelsky, L. (2003). Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México. Pearson Educación. Malvino, A. P. (2000). Principios de Electrónica. Madrid. McGraw Hill.
29
30
31
