UNMSM Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica
APELLIDOS Y NOMBRES:
CÓDIGO:
Lizama Lucero, Leonardo Jean Pierre
16190297
CURSO:
TEMA:
Circuitos Electronicos II
El Amplificador Operacional
INFORME:
FECHAS:
Previo
NOTA
REALIZACIÓN:
ENTREGA:
27-05-2018
28-05-2018
NÚMERO:
6
GRUPO:
PROFESOR:
“L8” / Lunes 18:00 – 20:00
Cordova Ruiz Russell
INFORME PREVIO 6: “
I.
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL”
OBJETIVOS - Estudiar el amplificador operacional, sus aplicaciones y sus configuraciones más conocidas.
II.
MARCO TEÓRICO
Se trata de un dispositivo electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia
de
las
dos
entradas
multiplicada
por
un
factor
(G)
(ganancia):
Vout = G·(V+ − V−) el más conocido y comúnmente aplicado es el U A741 o LM741. Originalmente
los
A.O.
se
empleaban
matemáticas (suma, resta, (suma, resta, multiplicación, multiplicación, división, división, integración, integración, derivación, derivación,
para operaciones para operaciones etc.)
en
calculadoras. De ahí su nombre. El A.O. ideal tiene una ganancia una ganancia infinita, una impedancia una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. ningún ruido. Como Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.
NOTACIÓN: El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:
Los terminales son: V+: entrada no inversora VOUT: salida
V-: entrada inversora VS+: alimentación positiva
VS-: alimentación negativa
Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en FET en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT en BJT son VCC y VEE. Habitualmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.
Tabla de Características Ideales y Reales Circuito equivalente de un amplificador operacional.
Parámetro Zin Zout Bw G Ac
Valor ideal
Valor real
∞ 0 ∞ ∞ 0
10 TΩ 100 Ω 1 MHz 100.000
COMPORTAMIENTO COMPORTAMI ENTO EN CORRIENTE CONTINUA (DC) Lazo abierto
La realimentación La realimentación salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000(que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000 V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado para su uso en comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + (entrada no inversora) la salida será VS+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - (entrada inversora) la salida será la alimentación VS-. Lazo cerrado o realimentado
Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí aparece una realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la pata (+) sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la pata (-), la tensión en esta pata también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor. Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito: V+ = V- (lo que se conoce como pri ncipio del cortocircuito virtual). I+ = I- = 0 Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito
amplificador,
se
mejoran
algunas
características
del
mismo
como
una
mayor impedancia mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de
las perturbaciones en la señal de entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente una fuente eléctrica de mejores características. Además, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede ser mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho el ancho de banda. Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no inversora a través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más aplicado es obtener un oscilador un oscilador para generar señales oscilantes.
COMPORTAMIENTO COMPORTAMI ENTO EN CORRIENTE ALTERNA (AC) En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno habitual es:
Comprobar si tiene realimentación negativa
Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado del apartado anterior
Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito
Aplicar el método el método de los nodos en todos los nodos los nodos del circuito excepto en los de salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)
Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca.
Seguidor
Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.
Se usa como un buffer, un buffer, para eliminar efectos eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin
Zin = ∞
Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado
para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre l a resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones. Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es Re (entrada del amplificador), la resistencia de la línea de cableado es Rl y la resistencia interna del sensor es Rg, entonces la relación entre la tensión medida por el voltímetro (Ve) y la tensión generada por el sensor (Vg) será la correspondiente a este divisor este divisor de tensión:
Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída la caída de tensión en el sensor y el cableado. Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por efecto por efecto Joule, lo Joule, lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida. No inversor
Como observamos, la tensión de entrada, se aplica al pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo y positivo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.
Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.
Sumador inversor
La salida está invertida Para resistencias independientes R1, R2,... Rn
La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Zn = Rn Restador Inversor
Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:
Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2 + Rin, donde Rin representa la resistencia de entrada diferencial del amplificador, ignorando las resistencias de entrada del amplificador de modo común. Cabe destacar que este tipo de configuración co nfiguración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador instrumentación. Integrador ideal
de
Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)
Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el condensador el condensador hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador. Derivador ideal
Deriva e invierte la señal respecto al tiempo
Este circuito también se usa como filtro
III.
CUESTIONARIO PREVIO
1. Describe brevemente el
circuito interno
de un
amplificador
operacional explicando el principio de funcionamiento. Un amplificador operacional se trata de un circuito de propósito general que puede emplearse en multitud de aplicaciones. Por si fuera poco, los modelos necesarios para analizar su comportamiento son muy sencillos, y en la gran mayoría de los casos, puede asumirse un comportamiento ideal. El componente electrónico conocido como amplificador operacional es realmente un circuito complejo formado por muchos transistores y otros componentes en un solo circuito integrado. El esquema funcional de un amplificador operacional puede verse en la figura.
El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se amplifica levemente la diferencia de las mismas. Esto se suele expresar también diciendo que se amplifica el modo diferencial de de las señales, mientras que el modo común se rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia intermedia, en la que se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la primera. La ganancia total es muy elevada, típicamente del orden de 10 5. Finalmente, en la última etapa no se amplifica la tensión, sino que se posibilita el suministrar fuertes intensidades. Para que este dispositivo pueda funcionar es obvio que necesitará una fuente de alimentación que polarice sus transistores internos. Habitualmente se emplean dos fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa. De este modo se permite que la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de salida nunca podrá superar los límites que marquen las alimentaciones. No olvidemos que el operacional está formado por componentes no generadores.
2. Extraiga de la hoja teorica del amplificador operacional operacional LM741 LM741 los siguientes parámetros: Offset Voltaje, drift, Rise time, Bandwith, Differential input, Slew Rate, Over Shoot, CMRR, T.H.D, Input Bias Current Over Shoot: Refiere a los valores transitorios de cualquier parámetro que exceda su valor final
(estado estable) durante su transición de un valor a otro. Una aplicación importante del término es la señal de salida de un amplificador. Slew Rate: Representa la incapacidad de un amplificador para seguir variaciones rápidas de la
señal de entrada. Se le define como la máxima tasa de cambio en el voltaje de salida cuando el voltaje de entrada cambia. Input Bias Current: Se trata de una señal no audible que induce el magnetismo en la zona
lineal de la curva de histéresis. Sin la señal de vías, el material sobre el que se ha magnetizado contaría con menor remanencia magnética. La remanencia magnética es la capacidad de un material para retener el magnetismo que se le ha sido inducido. Bandwidth: Para señales analógicas, el ancho de banda es la longitud, medida en Hz, de la
extensión de frecuencias en la que se concentra la mayor potencia de la señal. Se puede calcular a partir de una señal temporal mediante el análisis de Fourier. Las frecuencias que se encuentran entre esos límites se denominan también frecuencias efectivas.
3. Mencione y explique algunos tipos tipos de amplificadores amplificadores operacionales operacionales y sus aplicaciones S eg ui uidor dor de voltaje Un seguidor de voltaje es usado para aumentar la señal de circuitos con voltajes variables. Aplica el mismo tipo de aumento de ganancia que el amplificador amplificador estándar, pero se rastrearán variaciones en la ganancia de entrada y se emparejarán por la señal de salida. Este tipo de circuitos son a menudo usados por delante de otros sistemas para prevenir el daño por cambios súbitos de voltaje.
A mplifi cador cadores es de suma su ma//r es ta Estas dos variedades de amplificadores operacionales realizan un proceso aritmético en la señal. Un amplificador operacional de resta saca una señal que es igual a la resta entre sus dos entradas. Un amplificador de suma combina diferentes voltajes de un número de entradas, y saca una ganancia basándose en los voltajes combinados. Cualquiera de estos circuitos puede ser configurado para operar como sistemas inversores o no inversores. El amplificador sumador es un dispositivo versátil, útil para combinar señales. Se pueden añadir directamente las señales, o bien cambiar la escala para que se adapten a una predeterminada regla de combinación.
En un mezclador de audio, se suman varias señales con ganancias iguales. Un amplificador sumador con resistencias desiguales en las entradas, da una suma ponderada. Esto se puede utilizar para convertir un número binario a un voltaje, como en el convertidor digital a analógico. Un amplificador sumador se puede usar para aplicar un voltaje de polarización DC junto con una señal AC. Esto se hace en un circuito de modulación LED para mantener el LED en su rango operativo lineal.
Integradores/diferenciadores Las variedades más complejas de amplificadores operacionales son los integradores y diferenciadores. La suma de un capacitador al circuito significa que el integrador reacciona a cambios en el voltaje con el tiempo. La magnitud del voltaje de salida cambia, basándose en la cantidad de tiempo que un voltaje gasta apareciendo en la entrada. El diferenciador es lo opuesto a esto. El voltaje producido en el canal de salida es proporcional a la tasa de cambio de la entrada. Los cambios más grandes y rápidos en el voltaje de entrada producirán voltajes de salida más altos.
A P L IC A C IO NE S :
IV.
Calculadoras analógicas Filtros Preamplificadores Preamplifi cadores y buffers de audio y video Reguladores Conversores Evitar el el efecto efecto de carga Adaptadores Adaptadore s de niveles (por ejemplo ejemplo CMOS CMOS y TTL)
PROCEDIMIENTO
Se procedió a simular el circuito en un programa-simulador llamado Proteus:
V.
RESULTADOS
Tabla 6.1: Terminal
1
2
3
4
5
6
7
Tensión
-12V
1mV
0V
-12V
-12V
21.2mV
12V
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
VI.
-
En el simulador Proteus, no puedo poner el Vi a 0v, asi que lo coloqué a una entrada muy pequeña. Y aun asi, en el terminal 6 (Vo) me arrojó una voltaje de 21.2mv, eso demuestra la efectividad de los amplificadores operacionales.
VII.
CONCLUSIONES
Puedo concluir que un amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes. Que pueden ser manejadas por configuraciones básicas de un amplificador operacional. Y por medio de Operaciones lógicas básicas. También puedo agregar que sus aplicaciones están presentes en los sistemas electrónicos de control industrial, en instrumentación nuclear, en instrumentación médica, en equipos de telecomunicaciones y audio, etc. El uso de los amplificadores operacionales en sistemas de control es básico, así que es vital conocer las configuraciones de las operaciones en los amplificadores. Toda configuración da una salida diferente, por ello es que como ingenieros aprendamos a conocer como pedirle a un amplificador operacional que cumpla c on cierta demanda que nosotros requiramos del mismo.
VIII.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Principios de Electrónica – Electrónica – Roberto Roberto Malvino
http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-y-sistemas-electronicos/materialde-clase-1/tema-6.-amplificadores-operacionales.pdf
Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos – Electrónicos – Robert Robert L. Boylestad.
Floyd - 8va Edicion - Dispositivos Electronicos
