R1-19-MAR-12_caracterizacion y Comparacion de AO

7/31/2019 R1-19-MAR-12_caracterizacion y Comparacion de AO

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INSTITUTO TECNOLGICO DE SAN LUIS POTOSI

REPORTE 1PRACTICA DE LABORATORIO

MATERIA:ELECTRONICA ANALOGICA III

PROFESOR:DR. ISMAEL LARA VELZQUEZ

ALUMNOS:HERVERT BAUTISTA JOS DE JESS

MARTINEZ LEON OSCAR DANIELZUIGA GARCA EDWARD REYDECEL

UNIDAD I

Circuitos bsicos con amplificadores operacionales.

Caracterizacin y comparacin de

amplificadores operacionales.

OBJETIVOS:

Identificar las caractersticas del amplificador operacional LM741. Instrumentar las configuraciones bsicas no inversora e inversora. Aplicar las formulas para determinar la ganancia de salida de las

configuraciones no inversora e inversora.

19/MARZO/2012


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INSTITUTO TECNOLGICODE SAN LUIS POTOSI

REPORTE 1 PRCTICAS DE LABORATORIO

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1 INTRODUCCIN:

A lo largo del curso analizaremos diversos circuitos electrnicos basados en losamplificadores operacionales.

Los amplificadores operacionales tambin llamados OP AMP resultan ser loscomponentes diseados para realizar diversas operaciones matemticas en principio, luegocon el avance, este componente reduce su tamao haciendo verstil su manejo yeconmico para llegar al logro de las computadoras; con ello el cambio del mundo de laciencia al realizar clculos complejos difciles o muy trabajosos para un ser humano todo encuestin de segundos.

El inicio del curso ser reconociendo las terminales del op amp, las diferentesconfiguraciones que implican su conexin con otros elementos ya conocidos como lasresistencias, capacitores, diodos, etc. Para la primera practica se instrumentaran lasconfiguraciones inversora y no inversora, adems nos introduciremos en los trminos deSlew Rate, frecuencia de corte y decibel.

2 OBJETIVOS:

Identificar las caractersticas del amplificador operacional LM741. Instrumentar las configuraciones bsicas no inversora e inversora. Aplicar las formulas para determinar la ganancia de salida de las configuraciones no

inversora e inversora.

3 EQUIPO NECESARIO MATERIAL DE APOYO

Fuente simtrica [12V y -12 V].

Multmetro. Generador de seales

Osciloscopio

LM741

Resistencias

Protoboard. Caimanes.

Cable UTP

Pinzas

Cter

2 Puntas para el osciloscopio

1 Punta para el generador de seales


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4 PROCEDIMIENTO

a). Configuracin no inversor.

Determinar los valores de R1 y R2 para tener una ganancia de 10, anote sus valoresideales, reales y experimentales.

Fig. 1 Amplificador no inversor.

Observando la configuracin podemos darnos cuenta que hay una seal de entrada enla terminal positiva para la cual esperamos una seal de salida igualmente positivaamplificada a la ganancia definida por las resistencias R1 y R2. Ahora se muestra en laFig. 2 la trayectoria de las corrientes.

Fig. 2 a) voltaje de entrada positivo, b) voltaje de entrada negativo.

El ejercicio nos pide disear el amplificador no inversor con ganancia de 10, paraesto proponemos el valor de R2 = 10k.

= 1k

Ya obtuvimos R1 con valor de 1k, ahora pasamos a la simulacin para lo cual


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utilizaremos el Multisim 11 quedando el circuito siguiente:

Fig. 3 Circuito del amplificador no inversor en Multisim 11.

Al correr el simulador obtenemos las seales de entrada y salida, que al analizarlaspodemos observar el canal de entrada A con una seal de 1 Vpp. El canal B de salidacon una seal amplificada de aproximadamente 11 Vpp.

Fig. 4 Pantalla del programa Multisim 11 con la simulacin

del amplificador no inversor.

U1

741

3

2

4

7

6

51

R1

10k

R2

1k

V2

1 Vpk

1kHz

0

VCC

12V

VDD-12V

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _


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Aplicando la formula para obtener el voltaje de salida con las resistencias calculadaspara obtener ganancia de 10.

Vsal=( 1 +

)Vent

Vsal=( 1 +

) 1 V

Vsal=( 1 + 10)1 V

Vsal= 11 V

Con esto comprobamos la formula para la primera practica en configuracin noinversora, para continuar comprobaremos la configuracin inversora.

b). Configuracin inversor.

Determinar los valores de R1 y R2 para tener una ganancia de 10, anote sus valoresideales, reales y experimentales.

Fig. 5 Amplificador en configuracin inversora.

Para resolver el problema tambin nos solicita disear un amplificador con gananciaa 10, pero ahora observamos que la seal de entrada se dirige a la terminal inversora

por lo cual nos hemos de esperar una seal con el sentido invertido a la seal deentrada.

Fig. 6 Egen se divide entre supropia resistencia interna y laresistencia de entrada delamplificador.


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Siguiendo el ejemplo del amplificador no inversor propusimos una resistencia grandepara R2 100k

= 10k , Ganancia de voltaje G = ( -

) 1V = -10 V

As obtenemos R1 con un valor de 10k. Sustituyendo los valores en el circuitosimulador queda de la siguiente manera.

Fig. 7 Configuracin inversora en el simulador de Multisim 11.

A continuacin se muestra las seales de entrada y salida del circuito corroborandoque la seal de salida esta invertida con respecto a la entrada y adems se amplificode acuerdo a la ganancia calculada que fue de 10 obteniendo 10 Vpp de salida por 1Vpp.

Fig. 8 Simulacin del amplificador inversor.

U1

741

3

2

4

7

6

51

R1

100k

R2

10k

V2

1 Vpk

1kHz0

VCC

12V

VDD

-12VXSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _


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Como nos muestra la Fig. 8 los resultados calculados son demostrados en lasimulacin obteniendo un voltaje de salida negativo y aproximado al valor calculado.

c). Slew Rate

Medir la pendiente para tomar la V usando el amplificador operacional 741, realiceuna tabulacin y muestre la frecuencia de corte (3 dB) del amplificador operacional.

Por ultimo tenemos una configuracin inversora con ganancia unitaria debido a quelos valores de R1 y R2 son iguales, dando como resultado una de 1. Lo cualcomprobaremos aplicando la formula.

Ganancia de voltaje G = ( -

) 1V = -1 V

Fig. 9 Configuracion inversora y circuito hecho en multisim 11.

Entiendace al Slew Rate como la velocidad de respuesta observaremos como estefactor afecta el funcionamiento de nuestro circuito al manejar una misma seal a unrango de frecuencias. Forzaremos al circuito aumentando la frecuencia hastaconseguir el desequilibrio de la seal de salida y apreciar la frecuencia de corte a 3dB. A continuacin se muestra la simulacin.

Fig. 10 Circuito simulado a 5.5 kHz.

U1

741

3

2

4

7

6

51

R1

10k

V2

1 Vpk500kHz0

VCC

12V

VDD

-12V

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

R2

10k

XBP1

IN OUT


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Vemos trabajar al circuito en el osciloscopio con una seal senoidal de 1 Vpp deentrada en el canal A, para la salida canal B vemos una seal senoidal de aprox -1Vpp debido a la configuracin inversora. Podemos ver como ambas seales entrada ysalida trabajando a una frecuencia de 5.5 kHz., notamos su estado inverso que alcruzarse en cero ambas estn en 180 grados, esto lo comparamos con la ventanallamada vista de graficador. La grafica tiene un eje x de la frecuencia y el eje y defase que nos da una relacin de estado de la seal con respecto a una frecuencia detrabajo.

De acuerdo a la explicacin del Slew Rate en la seccin anexos nos dice que el alaumentar la frecuencia la circuitera interna no alcanza a responder a la par con la

seal de entrada, causando una respuesta en la seal distorsionada en el tiempodebido al efecto capacitivo que no alcanza a cargarse y descargarse a una velocidadpara mantener en fase a la seal de salida.

Observaremos por medio del trazador de bode el alcance del espectro de frecuenciasa las cuales el circuito se mantendr trabajando en condiciones cercano a lo ideal enfase. Desplazaremos sobre la lnea un barrido para encontrar la frecuencia de cortela cual se mostrara a una cada de -3 dB, justo en esta frecuencia notaremos como elcircuito entra en desequilibrio, distorsionndose la seal de salida.

Fig.11 Simulacin a 490 kHz.

La traza de bode nos da una aproximacin que a 490kHz hay una cada de -3 dB

que no es mas que un circuito forzado a responder con respecto a la seal deentrada pero este no alcanza a seguirla. Vemos las seales como se han desfasadoaproximadamente 45 grados respecto una de la otra.


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Adems la seal de salida se ha empezado a deformar, as mismo se acenta alcontinuar aumentando la frecuencia a la entrada. Para finalizar aumentaremos lafrecuencia hasta encontrarnos a una frecuencia de corte a -20 dB.

Fig. 12 Simulacin a 5.2 MHz.

Con esto se demuestra por medio de la simulacin como seria el trabajo de uncircuito afectado por la frecuencia. Es de verse como la seal de salida se hadistorsionado totalmente y su desplazamiento se ve recorrido en casi la mitad.


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5 CONCLUSIONESEl diseo de circuitos bsicos con amplificadores operacionales requiere de unacomprensin de conceptos como: saturacin, frecuencia, ancho de banda, decibel,etc. As, como el de tener presentes los mtodos de anlisis para la determinacin deganancias.

Pudimos realizar la comprobacin de dos configuraciones para el amplificadorinversor y no inversor para las cuales solo introducamos una seal de entradaesperando una salida que era calculada por formulas ya fijas, no hubo una dificultadmayor; pero no as para el tercer ejercicio para el cual observamos con un circuitosencillo se vea afectado en su comportamiento causado por el factor de la velocidad

de respuesta del circuito. En esta parte nos dificulto en principio entender larespuesta que se vera a la salida pero gracias a la intervencin del profesor nosmostro por medio de la funcin del trazador de bode en el simulador cuales serian lospuntos de trabajo para un circuito si lo configurbamos a x o y frecuencia,explicndonos como se distorsionara la seal de salida si forzamos a nuestro circuitoamplificador a trabajar mas haya de sus capacidades.

6 BIBLIOGRAFIA

Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, 5 edicin, Robert F.Coughlin y Frederick F. Driscoll, editorial Prentice Hall pag. 45,56,275-281.

Dispositivos electrnicos y amplificacin de seales, traducido de la primera edicin

en ingles, Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith, editorial McGraw-Hil, pag. 74, 82. Analisis de circuitos en ingeniria, 7 edicion, William H. Hayt, Jr., Jack E. Kemmerly,Steven M. Durbin, editorial McGraw-Hil, pag. 173-177.


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7 CONCEPTOS GENERALES

Amplificador operacional: el amplificador operacional 741 se ha estado utilizando durantemuchos aos y, es aun un excelente dispositivo para iniciar el estudio de losamplificadores operacionales, ya que no resulta caro, es resistente y se consiguefcilmente. El smbolo del amplificador operacional es

Fig. 13 Smbolo del amplificador operacional. La numeracin de las terminales corresponde al paqueteminiDIP de 8 terminales.

Frecuencia de corte: es el punto donde la seal ha sido atenuada 3 dB.

El amplificador operacional real no tiene ganancia infinita y tampoco tiene ancho debanda infinito. En los amplificadores reales, el ancho de banda comienza en lafrecuencia cero y llega hasta la frecuencia de corte superior F c (frecuencia a la cual laganancia disminuye en 3 dB), esta frecuencia de corte depende del tipo de amplificadoroperacional y de la ganancia a la cual se esta trabajando cuando el amplificador esrealimentado.

Fig. 14 Respuesta en frecuenciadel amplificador operacional(curva de lazo abierto).

Tanto los amplificadores operacionales de propsito general como los especializadosestn compensados internamente; es decir, el fabricante ha instalado dentro de dichos

dispositivos un pequeo capacitor, generalmente de 30 picofarads, pF. Este capacitor decompensacin interna de frecuencia impide que el amplificador operacional oscile a altasfrecuencias. Las oscilaciones se evitan disminuyendo la ganancia del amplificadoroperacional conforme aumenta la frecuencia.


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De acuerdo con la teora bsica de circuitos, la reactancia de un capacitor disminuyeconforme aumenta la frecuencia: Xc= 1/(2fC). Por ejemplo, si la frecuencia seincremente en 10, la reactancia del capacitor disminuye en 10. Por lo tanto, no esaccidental que la ganancia de voltaje de un amplificador operacional disminuya a ladecima parte conforme la frecuencia de la seal de entrada aumenta en 10. A un cambiode frecuencia por un factor de 10 se le conoce como dcada.

Curva de respuesta en frecuencia

En la fig se muestra la curva caracterstica correspondiente a amplificadores

operacionales compensados internamente, como el caso del 741. A bajas frecuencias(debajo de 0.1 Hz), la ganancia en lazo abierto es muy alta. Un valor comn es de200,000 (106 dB) y este valor es el que se especifica en las hojas de datos en la que noesta presente una curva. Observe que la ganancia de voltaje para gran seal es de200,000. En cambio, la ganancia en lazo abierto del OP-77 es de 140 dB o 10, 000,000.El punto A de la fig. seala donde se encuentra la frecuencia de corte y donde laganancia de voltaje de 0.707 veces su valor a frecuencias muy bajas Por lo tanto, laganancia de voltaje en el punto A (en el que la frecuencia de Ed es de 5 Hz)

Fig. 15 Ganancia de voltaje en lazo abierto de un amplificador operacional741 en funcin de la frecuencia.

Los punto C y D muestran como la ganancia decae en un factor de 10 conforme lafrecuey ncia se eleva por un factor tambin de 10.El eje vertical a la derecha muestra lagrafica de ganancia de voltaje en decibeles (dB). La ganancia de voltaje disminuye 20 dBpara un incremento en la frecuencia de una dcada.

Decibel: generalmente, el anlisis en frecuencia de un amplificador se realiza sobre un


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rango muy variable de valores de frecuencia. Para facilitar su caractirizacion se utilizaescalas logartmicas en trminos de decibelio. Inicialmente, el decibelio tuvo su origenpara establecer una relacin entre potencia y niveles de audio en escala logartmica. Asi,un incremento de nivel de potencia, por ejemplo de 4 a 16 W, no corresponde con unnivel de audio multiplicado por un factor de 4 (14,4), si no de 2 puesto que (4) 2. Ladifinicion de bel, cuyo nombre se debe a Alezander Graham Bell, relativa a dos nivelesde potencia P1 y P2 es

G = log10

El bel es una unidad demasiado grande y para aplicaciones practicas se utiliza el terminodecibelio (dB) definido como 1 dB=0.1 bel o

GdB = 10 log10

Existe una segunda definicin del decibelio aplicada mas frecuente que opera sobretensiones en vez de potencias.

Fig. 16 Tabla de conversin a dB.

Slew Rate (rapidez de respuesta o velocidad de respuesta:

Dentro del amplificador operacional de propsito general hay por lo menos un capacitorque es necesario para evitar la oscilacin llamados de compensacin interna defrecuencia. Este capacitor esta conectado a la parte de los circuitos internos delamplificador operacional que proporciona una corriente mxima restringida por el propiodiseo del amplificador operacional. La relacin entre la corriente mxima, I, y lacapacidad del capacitor de compensacin, C, es la velocidad de respuesta. Por ejemplo,un 741 puede suministrar un mximo de 15 A al capacitor de compensacin de 30 pF.Por lo tanto,

Velocidad de respuesta =

=

=

= 0.5

De la ecuacin se desprender que para una velocidad de respuesta mayor es necesario


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que el amplificador operacional tenga ya sea una corriente mxima mas alta o uncapacitor de compensacin mas pequeo. A los amplificadores operacionales que tienenvelocidad de respuesta mayor a 10 V/s se los conoce como amplificadoresoperacionales de alta velocidad. Existen amplificadores operacionales cuyas velocidadesde respuesta son mayores a 1000V/s utilizados en aplicaciones especiales como lossistemas de video.


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8 ANEXOS


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