UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA LABORATORIO N°1
AMPLIFICADOR OPERACIONAL FUNDAMENTOS Y APLICACIONES BÁSICAS NO INVERSOR E INVERSOR ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA III SEDE TUNJA Susan Daniela Daniela Guerrero Guerrero Borda Borda (201210801)
[email protected] Rafael Gil Bernal (201210960)
[email protected]
RESUMEN Los amplificadores amplificado res
operacionales operacional es se emplean en numerosas aplicaciones como en la
instrumentación, en control, en audio, en automatización, debido a su gran eficiencia y estabilidad que ha adquirido en el desarrollo de diversos sistemas. En este laboratorio se tendrán en cuenta dos de las distintas configuraciones que se pueden realizar con los amplificadores. Estas son: amplificación inversora y amplificación no inversora donde se mostrara su funcionamiento en la amplificación de una señal de entrada, según los requerimientos establecidos.
1. OBJETIVOS
circuitos
de
los
amplificadores amplificadores operacionales. operacionales.
Diseñar diferentes
y
Amplificadores
operacionales.
Verificar el funcionamiento y las características
con
Obtener
una
señal
de
salida
adecuada tanto en AC como en
comprender
las
configuraciones
de
DC.
Comprobar
en
la
práctica
los
conocimientos ya adquiridos.
amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, entre otras.
2. MATERIALES Y EQUIPOS
Marco Teórico
Equipos:
Amplificador Operacional:
Osciloscopio
Un
Generador de Señales
amplificador de alta ganancia de voltaje
Fuente de alimentación
electrónico DC-junto con una entrada
Fuente de alimentación DC dual.
diferencial y, por lo general, una salida de un
Materiales:
solo
operacional
extremo.
Un
es
un
amplificador
operacional produce una tensión de salida
Amplificadores operacionales (LF
que es típicamente cientos de miles de
353)
veces mayor que la diferencia de tensión
Protoboard
entre sus terminales de entrada.
Resistencias de diferentes valores
Potenciómetros
Multímetros.
concepto
operacional
donde
computadores
del
de
amplificador
campo
analógicos,
en
de
los
los
que
comenzaron a usarse técnicas en una época temprana
(años
amplificador
40).
El
operacional
nombre
de
deriva
del
concepto de amplificador de corriente directa con una entrada diferencial y ganancia
excesivamente
elevada,
cuyas
características de funcionamiento estaban determinadas
por
fueron
operaciones
original viene
Amplificadores operacionales tenían sus orígenes en las computadoras analógicas,
3. INTRODUCCIÓN El
amplificador
los
elementos
de
circuitos
utilizados
matemáticas lineales,
dependientes
en
no
de
para
hacer muchos
lineales
la
y
frecuencia.
Características de un circuito utilizando un amplificador operacional son establecidos por los componentes externos con poca dependencia de los cambios de temperatura o variaciones de fabricación en el propio amplificador,
lo
que
hace
que
los
amplificadores operacionales bloques de construcción más populares para el diseño de
circuitos.
[1]
realimentación empleados. En unos pocos años los amplificadores operacionales se convirtieron en una herramienta base de diseño, abarcando más allá del ámbito original de los computadores analógicos. Hoy día son de gran uso y con él se puede
1. Configuración no inversor Fig.1:
Amplificador
Operacional
configuración no inversor.
en
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 R 2 = 0, lo que da lugar a una ganancia unidad. En este circuito, la tensión Vi se aplica a la
En el amplificador inversor, la corriente a
entrada (+), y una fracción de la señal de
través de R 1 siempre determina la corriente
salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través
a través de R 2, independientemente del
del divisor de tensión R 1 - R 2. Puesto que,
valor de R 2, esto también es cierto en el
no fluye corriente de entrada en ningún
amplificador no inversor. Luego R 2 puede
terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la
utilizarse como un control de ganancia
tensión en R1 será igual a Vi.
lineal, capaz de incrementar la ganancia desde el mínimo unidad hasta un máximo
Así pues
de infinito. La impedancia de entrada es infinita,
puesto
que
se
trata
de
un
amplificador ideal. Y como
2. Configuración inversor La Fig.2 ilustra la primera configuración Tendremos que:
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.
Que si lo expresamos en términos de ganancia:
Fig.2:
Amplificador
configuración inversor.
Operacional
en
Por lo que:
Aplicando las propiedades anteriormente establecidas del AO ideal, las características distintivas de este circuito se pueden
Tabla A: Características de amplificadores operacionales
analizar cómo 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 V d = 0, ANÁLISIS DE RESULTADOS Entonces toda la tensión de entrada V i, deberá aparecer en R 1, obteniendo una corriente en R 1
Configuración inversor
En esta configuración es necesario tener claro cuánto se va a amplificar la señal para poder calcular los elementos apropiados. Se tuvo en cuenta que la ganancia propuesta
Vn está a un potencial cero, es un punto
es de 6 veces la señal de entrada. Si se tiene
de tierra
un voltaje de entrada (Vi) de 1 V, por lo
vir tual
tanto el voltaje de salida (Vo) de 6V. Para Toda la corriente I que circula por R 1 pasará
cumplir estos requerimientos se escogió una
por R 2, puesto que no se derivará ninguna
resistencia Rf=3kΩ, por lo tanto R1 es:
corriente hacia la entrada del operacional (Impedancia infinita), así pues el producto de I por R 2 será igual a - V 0
Para el valor de R1 no se tiene en cuenta el signo negativo, ya que este solo expresa si se invierte la señal o no.
En las Fig. 3, 4 Y 5 se observan las
Fig. 6: Señal AC del amplificador inversor
respectivas evidencias del funcionamiento
vista en osciloscopio.
del circuito amplificador inversor.
Fig. 3: Simulación amplificador inversor
La fig. 6 muestra la señal de entrada y salida de un amplificador inversor con ganancia de 6, el cual es una evidencia de la amplificación hecha por el circuito, donde el voltaje de entrada es de 1.04 V y voltaje de 6.08 V.
Fig.
4:
Voltaje
de
entrada
para
el
amplificador inversor en DC.
En las Tabla Nº 1 y Tabla Nº 2 se muestra una Fig.
5:
Voltaje
de
salida
amplificador inversor en DC.
para
el
comparación
entre
los
valores
calculados teóricamente y los medidos en el laboratorio, junto con el respectivo error porcentual,
el
cual
es
muy
mínimo
demostrando que el circuito presenta una eficiencia alta y estable en comparación con los circuitos de transistores.
Configuración No inversor
Para desarrollar este circuito amplificador
Fig.
9:
Voltaje
de
salida
se tiene en cuenta que la ganancia, al igual
amplificador no inversor en DC
para
el
que la anterior, es de 6. Si se define el voltaje de entrada de 1V, y Rf es 2.5KΩ, se tiene que R1:
El las Fig. 7, 8 y 9 se muestran las respectivas evidencias de la amplificación hecha por el circuito en DC.
Fig. 10: Señal AC del amplificador no inversor vista en osciloscopio.
Fig. 7 Simulación amplificador no inversor
La fig. 10 muestra la señal de entrada y salida de un amplificador no inversor con ganancia de 6, el cual es una evidencia de la amplificación hecha por el circuito, donde el voltaje de entrada es de 1.1 V y voltaje Fig.
8:
Voltaje
amplificador en DC
de
entrada
para
el
de 6.05 V.
Las Tablas Nº 3 y Nº 4 muestran las respectivas comparaciones entre los valores teóricos y experimentales de los circuitos amplificadores
en
DC
y
AC
diferencias técnicas. Mencione aplicaciones típicas para cada uno. El mundialmente conocido amplificador operacional LM741
es un diseño muy
respectivamente, donde se puede ver que la
antiguo cuyas especificaciones han sido
eficiencia del amplificador no inversor en
enormemente superadas por muchos otros
DC y AC fue la máxima. Esto indica que la
amplificadores operacionales de los últimos
efectividad y la estabilidad del amplificador son bastante altas.
tiempos. El 741 fue de gran uso por sus espectaculares prestaciones en su época, sin embargo hoy en día existen muchos nuevos modelos de op-amps que superan al 741
CONCLUSIONES
en prácticamente todos
los
escenarios
El uso de amplificadores operacionales es
donde un 741 antes hubiese sido ideal,
de gran uso ya que poseen una alta
especialmente
eficiencia y estabilidad, en comparación de los transistores, y además pueden generar altas ganancias.
posee una ganancia mínima de 2 veces la señal
de
entrada,
mientras
que
el
el
tema
de
la
alimentación. La alta ganancia y el amplio rango de voltaje de operación proporcionan unas excelentes
La configuración amplificador no inversor
en
para
características,
integradores,
aprovechables amplificadores,
sumadores y en general, aplicaciones de realimentación.
LM358 y LM324
amplificador inversor es de 1. Un solo chip LM358 contiene dentro de si, Las configuraciones que se pueden realizar con
los
amplificadores
amplias;
pueden
necesidades
y
son
satisfacer
pueden
ser
bastante
Un solo chip LM324 contiene dentro de si,
diversas
cuatro amplificadores operacionales.
adaptados
las
diferentes
amplificadores
referencias
operacionales
Los amplificadores integrados en el LM358 y LM324 son idénticos.
fácilmente a cualquier sistema. De
dos amplificadores operacionales.
se
de pudo
observar que el lf353 y lf351 son los que
Ancho de banda a ganancia unitaria: 1MHz Alimentación dual desde ±1.5V hasta ±16V (3V hasta 32V a fuente sencilla). Lo cual le
presentan un mejor rendimiento, teniendo
permite
en
de tensión en la fuente.
cuenta
sus
características
de
reducir
los
requerimientos
funcionamiento.
LF353 5. INVESTIGACIÓN Un solo chip LF353 contiene dentro de si, 1. Realice un comparativo entre los amplificadores LM 741, 358, 324 y LF 353 donde se establezcan similitudes y
dos amplificadores operacionales.
Ancho de banda a ganancia unitaria: 4MHz (lo cual lo hace a penas apropiado para
aplicaciones
preamplificadores,
de
audio
como
ecualizadores,
filtros
Es el nivel de tensión que hay que aplicar a la entrada para que la tensión diferencial de salida sea nula.
activos, etc.). Entrada JFET,
lo
cual
le
da
una
impresionante impedancia de entrada de 12MOhms. (Ideal para acoplar sensores u otros dispositivos de señal muy débil). Alimentación a fuente dual desde +/-6V (o a fuente sencilla de 12V) menos de este valor causará una gran degradación en el ancho de banda y rango de voltaje de salida, operable hasta +/-18V (o hasta 36V a fuente sencilla).
REFERENCIAS
2. ¿Cómo es posible utilizar AO, para el manejo de altas corrientes?
[1]
Por medio de la terminal de la fuente y de un transistor reforzado pueden proporcionarse corrientes más altas como se muestra en la figura.
http://centrodeartigos.com/articulos-
Amplificadores
disponible
operacionales,
en
internet:
noticias-consejos/article_140348.html [2]
Amplificador
inversor,
Operacional
disponible
en
no
internet:
http://www.unicrom.com/Tut_OpAmpN oInversor.asp [3]
Amplificadores
Disponible
en
Operacionales. internet:
http://www.ifent.org/temas/amplificador es_operacionales.asp
3. A que se refiere los niveles off-set de entrada, y como se manejan. Se denomina offset a cualquier desequilibrio o asimetría en la distribución interna de tensiones en el A. O. La tensión de offset se define tanto a la entrada como a la salida.
