ELECTRONICA II

ALUMNOS

JAIRO ANCHICO G.EDWAR C. BERMUDEZ B.

HECTOR F. BUENDIALUIS C. VALENCIA

DOCENTE

RICARDO J. MURILLO O.

INSTITUCION UNIVERSITARIA ANTONIO JOSE CAMACHOTECNOLOGIA EN MECATRONICA E INSTRUMENTACION

CIENCIAS BASICAS DE INGENIERIAGRUPO 507

SANTIAGO DE CALI2014

PRACTICAS # 3 - 4 – 5 – 6

EL AMPLIFICADOR OPERACIONALCARACERISTICAS, OFFSET, INVERSOR, NO INVERSOR, SUMADOR,

INTEGRADOR Y DERIVADOR

1. OBJETIVOS

1.1 Identificar el AOP y sus especificaciones en el manual ECG1.2 Ajustar el Voffset de un AOP1.3 Determinar mediante un procedimiento práctico la Av de un amplificador

inversor y de un no inversor1.4 Verificar el funcionamiento de un amplificador sumador1.5 Calcular el ancho de banda de un circuito amplificador inversor con

operacional.1.6 Conocer el funcionamiento del circuito Integrador y el Derivador con AOP1.7 Diseñar un circuito de control de iluminación con AOP

AMPLIFICADOR NO INVERSOR DE VOLTAJE:

En la figura A1 se ilustra un amplificador no inversor, en el cual el voltaje de

salida Vo, tiene la misma polaridad que el voltaje de entrada Vi. La relación de

amplificación de voltaje se da por la relación:

Av= VoVi

=R1

R2

+1

Figura A1: Amplificador no

inversor de voltaje

Con base en el circuito de la figura A1 y con ayuda del programa WorkBench se

pueden simular las mediciones que se obtendrían al usar el osciloscopio

montando el circuito amplificador no inversor de voltaje, como muestra dicha

figura, en la práctica.

El resultado es como se observa en la figura A2:

Figura A2: Mediciones realizadas con el osciloscopio en el amplificador no inversor de voltaje de la figura A1

AMPLIFICADOR INVERSOR DE VOLTAJE

El circuito de la figura A3 es uno de los circuitos amplificadores operacionales

más usados. Es un amplificador cuya ganancia de lazo cerrado está

establecida por Rf y Ri. Puede amplificar señales tanto de A.C. como de C.C.

Figura A3: Circuito amplificador inversor de voltaje

La ganancia de voltaje Av de este circuito está dada por:

Av=−R fR i

=V 0

V i

El signo negativo indica el desfase de 180 entre la señal de entrada y la de

salida. Lo anterior se deduce aplicando el concepto de tierra virtual, según el

cual la corriente que circula por Ri y Rf es igual y resulta de la relación Ii = Vi /

Ri; como el voltaje de salida Vo es igual al voltaje en Rf, pero con polaridad

contraria, entonces:

V 0=−R fV iRi

de donde se llega al valor establecido arriba para la ganancia de voltaje.

AMPLIFICADOR SUMADOR

En el circuito de la figura A4, el voltaje de salida Vo es igual a la suma de los

voltajes de entrada, afectado por su correspondiente ganancia y con la

polaridad invertida. Esto, expresado en forma matemática, es:

V 0=− R f (V 1

R1

+V 2

R2)

Figura A4: Amplificador

En este circuito todas las corrientes de entrada fluyen a través de la resistencia

de realimentación Rf, las corrientes de entrada no afectan una a la otra debido

a que cada una ve el potencial de tierra en el nodo de suma; por lo tanto las

corrientes de entrada y los voltajes no interactúan entre sí.

MEZCLADOR:

Figura A5: Circuito mezclador

La característica del circuito sumador vista en la sección anterior, es

especialmente deseable en un mezclador de audio; si se reemplazan las

fuentes por micrófonos, los voltajes de C.A. de cada uno de ellos pueden

sumarse o mezclarse en cada instante, por ejemplo, si un micrófono está

induciendo música de guitarra, no será eliminado un segundo micrófono que

reciba la voz del cantante.

En el circuito mezclador, que no es más que un sumador inversor, las señales

independientemente se pueden atenuar haciendo uso de los potenciómetros P1

y P2, de igual forma el potenciómetro de realimentación Pf afecta la ganancia

de la mezcla obtenida en el nodo de tierra virtual. Una de las aplicaciones de

este circuito es el ecualizador donde se tiene control independiente de los

tonos altos o bajos y el volumen amplifica la mezcla inicial.

CONVERTIDOR DIGITAL / ANÁLOGO (D/A):

Figura A6: Convertidor D/A con 4 señales de entrada digital

En el caso de la conversión A/D, la salida digital se obtiene en un formato

paralelo de las salidas del contador binario, con la salida en la terminal 8

correspondiendo al bit más significativo (MSB).

En el circuito mostrado en la figura A6, se tienen 4 señales de entrada V3, V2,

V1, V0, siendo V3 la más significativa y correspondiéndole como tal la menor

atenuación, es decir, su efecto en la salida es el más notorio. Se utilizan

resistencias a la entrada que van en relación R, 2R, 4R, 8R, por formar un

sistema digital, cuya base 2 corresponde a la idea anterior.

El circuito no es más que un mezclador donde la señal de salida viene dada

por:

V 0=−R f (V 3

R1

+V 2

R2

+V 1

R3

+V 0

R4)

Donde, R4 = 2R3 = 4R2 = 8Rl.

EL INTEGRADOR

Un integrador es un circuito que ejecuta una operación matemática llamada

integración; la aplicación más difundida de un integrador es la destinada a

producir una rampa en su tensión de salida, la cual supone un incremento o

decremento lineal de tensión.

Circuito Integrador Básico:

La figura A7 muestra un integrador hecho con un amplificador operacional;

como se observa el componente de realimentación es un condensador en lugar

de una resistencia. Su entrada es un pulso rectangular (figura A8); cuando el

pulso está a nivel bajo el voltaje de entrada es cero, cuando está a nivel alto el

voltaje de entrada es el mismo de la fuente.

Figura A7: Circuito integrador básico

Figura A8: Señales de entrada y salida del integrador en el osciloscopio

Debido a que en el sistema de masa virtual una tensión de entrada alta

produce una corriente de entrada dada por:

I ent=V entR

Toda esta corriente de entrada va hacia el condensador; así pues, el

condensador se cargará y su voltaje se incrementará con la polaridad (+ -). La

tierra virtual implica que el voltaje de la salida es igual al voltaje a través del

condensador. En un voltaje de entrada positivo, el voltaje de la salida será

negativo y creciente.

Como hay una corriente constante que circula hacia el condensador, la carga

de este se incrementa linealmente con respecto al tiempo. Esto significa que

el voltaje del condensador se incrementa linealmente, lo cual equivale a una

rampa negativa de voltaje de salida. Al final del período del pulso, el voltaje de

entrada regresa a cero y la corriente de carga deja de existir. Debido a que el

condensador retiene su carga el voltaje de salida permanece constante en un

voltaje negativo de –V.

El circuito se denomina integrador debido a que el voltaje de salida Vsales

proporcional al voltaje de entrada Ventde la siguiente manera:

Como Ic = Ient, Vsal = Vc y de acuerdo a la relación de carga del condensador:

V C=1C∫ IC dt=−V sal

Se tiene:

V sal=− 1C∫ I ent dt

La corriente de entrada es Ient = Vent / R; por consiguiente:

V sal=− 1RC∫V ent dt

Donde 1/RC es constante, por lo cual se demuestra que

V sal∝ ∫V ent dt

Integrador de una onda cuadrada

De acuerdo a lo expuesto anteriormente, por medio de un circuito integrador

se puede convertir una señal cuadrada en una triangular. Esto se puede

observar en la figura A9.

Figura A9: Integración de una onda cuadrada

CIRCUITO DIFERENCIADOR O DERIVADOR

Un diferenciador o derivador es un circuito que ejecuta una operación que en

cálculo se llama derivada. Produce un voltaje de salida proporcional a la razón

de cambio instantánea del voltaje de entrada.

Circuito Derivador Básico:

Este circuito tiene similitud con el integrador, la única diferencia es que la

resistencia y el condensador están intercambiados. Debido a la tierra virtual,

la corriente del condensador pasa a través de la resistencia de realimentación

produciendo un voltaje. La entrada más utilizada con un diferenciador es una

señal de rampa; en este caso todo el voltaje de entrada aparece en el

condensador. La rampa de voltaje implica que la corriente del condensador es

constante; como toda esta corriente circula a través de la resistencia de

realimentación, se obtiene un pulso invertido en la salida. En el circuito de la

figura A10 se muestra un amplificador derivador y en la figura A11 sus señales

de entrada y salida.

Figura A10: Circuito derivador básico

En el circuito de la figura 148 la corriente por el condensador es igual a la que

circula por la resistencia de realimentación R(Ic = I); así el voltaje de salida es

Vo = -R I. Como la carga del condensador está dada por la relación:

IC =C d V Cdt

Figura A11: Señales de entrada y salida del derivador en el osciloscopio

y como Vc = Vi, se deduce entonces que:

IC =C d V idt

Por tanto,

V 0 =−RCdV idt

De donde resulta que:

V 0 ∝dV idt

Lo cual demuestra la característica diferenciadora del circuito.

La ganancia de un diferenciador aumenta a razón de 6dB por octava, a

diferencia de la de un circuito integrador que disminuye en la misma

proporción. Por la misma razón este circuito es muy susceptible al ruido de

alta frecuencia.

Circuito Derivador Práctico:

Para limitar la ganancia de alta frecuencia se suele introducir una resistencia

en serie con el condensador de entrada como se observa en la figura A12, con

lo cual la ganancia máxima se limita entonces a –R1/R2. El valor máximo que

puede tomar R2 está dado por la relación:

R2 ≤ 12π f h C

Donde fh es la frecuencia máxima de operación. En teoría R2no debe ser

superior a un décimo del valor obtenido con la relación anterior.

Figura A12: Circuito derivador práctico

Si la señal de entrada es Vi = sent, la señal de salida es Vo = RC cost. Por

consiguiente el valor de la salida aumenta linealmente con la frecuencia y el

circuito diferenciador tiene gran ganancia a frecuencias elevadas. Lo anterior

da como resultado la amplificación de los componentes de alta frecuencia de

ruido del amplificador.

Otra forma de implementación de un diferenciador con amplificador

operacional ideal y realimentación negativa, es como se muestra en la figura

A13, utilizando una inductancia en lugar de un condensador.

Figura A13: Circuito derivador con inductancia

La corriente está dada por Ii=Vin/R1 y el voltaje de salida por Vout=-VL=-LdI2/dt.

Dado que I1 = I2, el voltaje de salida Voutse convierte en:

V out =−LdI 1dt

= (−LR1) dV indt

Como muestra la ecuación anterior el circuito funciona también como un

diferenciador inversor. Su forma es, sin embargo, menos preferible que la

forma capacitiva, ya que en la práctica el comportamiento de un inductor

verdadero rara vez es ideal.

Las inductancias presentan una resistencia interna en serie y una capacitancia

interna en paralelo que no son insignificantes, también tienden a ser de un

tamaño relativamente grande; todo ello es razón para que en la

microelectrónica se evite su uso.

2. EQUIPO Y MATERIALES

2.1 Generador de funciones, Fuente Regulada Dual2.2 Osciloscopio, Protoboard, Multímetro Digital, Pinzas, conectores2.3 2 C. I. LM741, C. I. LM3482.4 Resistencias: 1K(2), 2.2K(2), 10K(2), 22K(3), 100K2.5 Condensadores: 1uf, 10nf2.6 Potenciómetro 10K

NOTA: En cada práctica prever el equipo requerido así como los elementos a utilizar.

3. PROCEDIMIENTO

3.1 Identifique en el manual ECG las características y disposición de los pines de los C.I. 741 y 348, ¿Que diferencias establece entre los dos?

3.2 CIRCUITO AMPLIFICADOR INVERSOR (Figura 3.1)

3.2.1 Verificar el Voffset del AOP 741 e investigar el circuito de compensación correspondiente. Proceder a corregir el offset sin conectar aún la señal de entrada.

3.2.2 Montar el circuito de la figura 3.1 y ajustar la entrada a 2Vcc.3.2.3 Medir las resistencias R1, R2, R3 y R43.2.4 Cerrando y abriendo los switches adecuados (S1, S2, S3 y S4), llenar la

tabla 3.1 midiendo en cada caso Vi, Vo, Calcular la relación Av=Vo/Vi y compararla con la relación Rf/Rs

3.2.5Circuito para para realizar el ajuste del voffet del AoP 741 sin conectar señal de entrada

GANANCIA DE VOLTAJE – AMPLIFICADOR INVERSORTABLA 3.1

Circuito AOP 741 con señal de entrada 2v

RF RS RELACION RF/RS

Vi Vo Av=Vo/Vi

R2 R1 R2/R1 2v -4.399V -2.19VR4 R1 R4/R1 2v -11.11V -5.5VR2 R3 R2/R3 2v -2V -1VR4 R3 R4/R3 2v -9.8V -4.9

Datos teóricos con una señal de entrada de 2v (AOP inversor)

RF RS RELACION RF/RS

Vi Vo Av=Vo/Vi

R2 R1 R2/R1 2v -4.04v -2.2vR4 R1 R4/R1 2v -11V -5.5vR2 R3 R2/R3 2v -2V -1R4 R3 R4/R3 2v -9V -4.5v

3.2.5 Cerrando S1 y S4, alimentar el circuito con una señal Vi=1Vpp – 1KHz Triangular, observar en el osciloscopio las señales Vi y Vo, dibujarlas y medirlas y calcular la relación Vo/ViSeñal de entrada

Señal de salida

3.2.6 Ajustar Vi hasta obtener una señal de salida Vo=8Vpp (Ubicar la sensibilidad VOLT/DIV en la escala 1 y asegúrese que la sonda esté en X1)

3.2.7 Variar la frecuencia del generador a 10Hz, 100Hz, 1KHz, 10KHz, 100KHz, 1MHz y 10MHz y llenar la tabla 3.2, midiendo en cada caso Vipp, Vopp y calcular para cada medida la Av. ¿Qué observa?. Dibuje además el diagrama de Bode (gráfico de Av vs Frecuencia)

RESPUESTA EN FRECUENCIA (practica en clases con entrada de 1vpp)TABLA 3.2

10Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 500Hz 1MHzVipp 1v 1v 1v 1v 1v 1v 1vVopp 8.88v 10.2v 9.42v 9.52v 2.72v 584mV 250mVAv 8.88v 10.2v 9.42v 9.52v 2.72v 584mV 250mV

3.2.8 Ajuste en la entrada una señal senoidal de 1Vpp, 1KHz, aumente lentamente la señal hasta observar saturación en la salida, mida el voltaje máximo de salida e identifique la causa de dicha saturación.

R/ Esta causa se debe a su señal de entrada y su polarización que tiene el amplificador.3.2.9 ¿Qué variable limita la salida del operacional?R/ Su variable es la polarización del amplificador (-12vee, 12vcc)

3.3 CIRCUITO AMPLIFICADOR NO INVERSOR (Fig 4.1)

3.3.5 Monte el circuito de la figura 4.1 , ajustando la entrada a 1Vcc3.3.6 Realice las mediciones necesarias para llenar la tabla 4.1 y deduzca el

valor de la Av del circuito para cualquier valor de resistencias.

GANANCIA DE VOLTAJE – AMPLIFICADOR NO INVERSOR

TABLA 4.1

RESISTENCIAS DE REALIMENTACION

Vi Vo Av=Vo/Vi AV TEORICAAv=1+R1/R2

R1 R2 1v 3.2v 3.2 2 R1 R4 1v 9.3v 9.3 1.22 R3 R2 1v 3.1v 3.1 1.45 R3 R4 1v 9.1v 9.1 1.1

3.4 CIRCUITO DIFERENCIADOR (figura 5.1)

3.4.5 En el circuito de la figura 5.1, ajustar la entrada a 1.5Vpp – 200Hz de una señal triangular.

3.4.6 Observar la señal de entrada y de salida con el osciloscopio tanto para Rf=1K como para Rf=10K. Dibujar la forma de onda en cada caso.

Señal de entrada a Rf=1k

Señal de salida a Rf=1k

Señal de entrada a Rf=10k

Señal de salida a Rf=10k

3.4.7 Repita el procedimiento anterior con una señal cuadradaSeñal de entrada cuadrada

Señal de salida cuadrada

3.4.8 Al aumentar Rf, ¿qué sucede con la ganancia del diferenciador?

R/ que toma una señal que atenúa mucho y desprecia la señal del generador y toma la señal que brinda el condensadorse asemeja a una rizado

3.5 CIRCUITO INTEGRADOR (Figura 5.2)

3.5.5 En el circuito de la figura 5.2, ajustar la entrada a 2Vpp – 200Hz, señal cuadrada.

3.5.6 Observe y dibuje Vi y Vo tanto para C=1uf como para C=10nfSeñal de entrada (VI) para C1=1uf, C2=10nf

Señal de salida (VO) para C1=1uf

Señal de salida (VO) para C2=10uf

3.5.7 Al aumentar C, ¿Qué sucede con la ganancia del integrador?Señal de salida (VO) aumentado la capacidad para C1=5uf

R/ cuando tenemos el aumento del condensador la ganancia decae ósea tendiendo a cero su curva de respuesta de tiende a cero.

Señal de salida (VO) aumentado la capacidad para C2=20nf

R/ la ganancia en el condensador de 20nf la onda cuadrada prevalece pero con su periodo de respuesta es másrápido generando oscilaciones en su amplitud de respuesta.3.6 CIRCUITO SUMADOR CON AOP

3.6.5 En el circuito de la figura 6.1, alimentar las entradas con una señal de 1Vcc y medir el Vo

3.6.6 Cambiar R1 por una de 10K y medir el Vo

R/En este circuito cuando cambiamos la resistencia de realimentación de un valor de 10kaumenta nuestro voltaje de salida en el cual el voltaje de salida no da como resultado negativo porque tenemos un inversor de voltaje.

3.6.7 Varíe Rf con ayuda de un potenciómetro de 1K en serie con la resistencia de realimentación de 1K y observe lo que sucede.

R/ En la práctica cuando reacondicionamos el circuito con un potenciómetro 1k en serie con la resistencia de realimentación tenemos que al variación

cerrando el paso total mente este voltaje cambia de polarización (9.308) esto se da porque el potenciómetro genera un margen de error sin cambiar su valor de salida.

3.7 CIRCUITO DE CONTROL CON OPERACIONAL

3.7.5 Implementar un circuito que permita encender o apagar gradualmente una lámpara según el grado de oscuridad, utilizando un AOP, Resistencias y Fotorresistencia como elemento sensor de luz.

En el diseño del circuito aplique un potenciómetro en remplazo de la foto resistencia porque mi programa simulador (multisin) donde vario mi voltaje de referencia y la compara con la entrada inversora donde si el voltaje es menor en la parte inversora mi amplificador toma el valor positivo enviándome a la salida donde funciona el led (esta encendido)

4 INFORME

4.2 Realizar atenta nota de cada procedimiento, analizando lo que sucede en cada caso

4.3 Investigar cada circuito antes de proceder con la práctica y anexar una breve reseña teórica sobre el funcionamiento y aplicación de cada circuito propuesto

4.4 Concluir y sacar observaciones de cada práctica.