Universidad nacional politécnica antonio josé de sucre

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Universidad nacional politécnica antonio josé de sucre

  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL POLITÉCNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO LUÍS CABALLERO MEJÍAS NÚCLEO GUARENAS ING. MECATRÓNICA MATERIA: ELECTRÓNICA II “PRÁCTICA Nº3”Profesor: Alumno:Ing. Miguel Ovalles Díaz Ramón Exp.: 2009200254Mosquera Paúl Exp.:2009200213 Guarenas, julio 2012.
  2. 2. LABORATORIO DE ELECTRÓNICA PRÁCTICA 3 APLICACIONES LINEALES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL1.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES El amplificador operacional es un circuito integrado que tiene las siguientescaracterísticas:- Impedancia de entrada muy alta (idealmente infinita).- Impedancia de salida muy baja (idealmente nula).- Ganancia muy alta (idealmente infinita). Desde un punto de vista de análisis de circuitos, en general, se puede considerar elamplificador operacional como si fuera ideal. Esto introduce dos simplificacionesimportantes:- Al ser la impedancia de entrada infinita, las corrientes de entrada se pueden considerarnulas.- Al ser la ganancia infinita y la salida finita, la entrada (diferencia de tensión entre losterminales de entrada positivo y negativo) se puede considerar nula. La figura 1 muestra el circuito equivalente de un amplificador operacional ideal y elequivalente real, que incluye todas las desviaciones de la idealidad. vo vo vi vi avi a(j )vi a vi = 0 Figura 1. Amplificador operacional ideal (izquierda) y real (derecha).
  3. 3. Las desviaciones de la idealidad del amplificador operacional son las siguientes:- Corrientes de polarización: Cada uno de los terminales de entrada tendrá una corrientede polarización de los transistores de la entrada. Esta corriente corresponderá a unacorriente de base (transistores bipolares) o de puerta (transistores FET) y será muy baja.Se define:Ibias = (Ib1 + Ib2)/2Ios = Ib1 – Ib2siendoIb1 e Ib2 las corrientes de polarización del terminal de entrada positivo y negativo,respectivamente.- Voltaje de desvío (offset) de entrada (Vos): Corresponde a la tensión que hay que aplicara la entrada para que la salida sea nula.- Impedancias de entrada (Ri) y salida (Ro): En la práctica Ri no es infinita y Ro no es nula.- Ganancia: La ganancia no será infinita y además tendrá una dependencia con lafrecuencia.1.2. RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Para evitar que los amplificadores operacionales se comporten de maneraoscilante en configuraciones realimentadas, se construyen de forma que se introduce unpolo dominante a bajas frecuencias. Así, la expresión de la ganancia en lazo abierto de unamplificador operacional puede escribirse en general, de manera simplificada, como: a0a (1) s 1 ωhodondes = j ; y ho corresponde a la frecuencia angular del polo en lazo abierto. En el casodel amplificador 741 puede comprobarse que esta frecuencia es del orden de 30 rad/s.
  4. 4. Cuando un amplificador operacional se conecta en una configuraciónrealimentada, tanto la ganancia como el ancho de banda del amplificador realimentado oen lazo cerrado se modifican. En general, la ganancia en lazo cerrado también presentaráun polo dominante y será por tanto de la forma: AV 0AV (2) s 1 ωH En configuraciones de realimentación correspondientes al esquema de la figura 2,con: Vo a AV0AV (3) Vi 1 af s 1 ωHse cumplen las siguientes relaciones: a0AV0 ; ωH 1 a0 f ωho ; AV0 ωH a0 ωho 1 a0 f (4) Es decir, el producto de la ganancia por el ancho de banda se mantiene constante. vi + ve vo a - fvo f Figura 2. Esquema de amplificador realimentado. Sin embargo, existen configuraciones en lazo cerrado en las que la ganancia AV nopuede expresarse en la forma de la ecuación 3, siendo a directamente la ganancia del
  5. 5. amplificador operacional. En estos circuitos el producto de la ganancia por el ancho debanda en lazo cerrado no será igual al producto de la ganancia por el ancho de banda delamplificador operacional en lazo abierto, aunque estarán relacionadas.2. AMPLIFICADOR DE GANANCIA VARIABLE La figura 3 muestra el esquema de unamplificador inversor de ganancia variableutilizando un amplificador operacional. Utilizando el modelo ideal de la figura1, considerando la impedancia de entradainfinita, la impedancia de salida nula ydespreciando las corrientes de polarización y Figura 3. Amplificador de ganancia variable.la tensión de offset de la entrada, puedecomprobarse que la ganancia viene dada por: Vo R3 R4 R2 R3 R2 R4AV (5) Vf 1 R1 R2 R3 R4 R3 R4 R1R3 aEn el caso ideal en que la ganancia del amplificador operacional tiende a infinito, (a ),la ganancia del circuito se reduce a: R4 R2 R2 R4AV (6) R1 R1 R1 R3 La ecuación 6 evidencia la ventaja de la configuración en T de las resistencias de larealimentación: gracias al término R2R4/R3 se puede obtener una gran ganancia sinnecesidad de usar valores de resistencia elevados en la realimentación. Por ejemplo siescogiéramos R2 = R4 = 100 K y R3 = 1 K , el producto R2R4/R3 valdría 10 106 y seríaequivalente a emplear una resistencia de realimentación de 10 M .
  6. 6. Si en la ecuación 5 sustituimos la ganancia a del amplificador por su expresióndependiente de la frecuencia (ecuación 1), puede encontrarse la dependencia con lafrecuencia de la ganancia del circuito amplificador de la figura 3. Se obtienen el siguienteresultado: AV0AV (7) s 1 ωHcon a0 R3 ( R2 R4 ) R2 R4AV0 (8) a0 R3 R1 ( R1 R2 )(R3 R4 ) R3 R4 a0 R3 R1 ( R1 R2 )(R3 R4 ) R4 R3ωH ωho (9) ( R1 R2 )(R3 R4 ) R4 R3 A partir las ecuaciones 8 y 9 puede relacionarse el producto de la ganancia por elancho de banda del amplificador realimentado con el producto ganancia por ancho debanda del amplificador operacional en lazo abierto: R3 ( R2 R4 ) R2 R4AV0 ωH a0 ωho (10) ( R1 R2 )(R3 R4 ) R4 R33. INTEGRADOR CON OPERACIONAL La figura 4 muestra el esquema de uncircuito integrador utilizando un amplificadoroperacional. Considerando el operacionaltotalmente ideal, puede comprobarse que lafunción de transferencia de este circuito viene Figura 4. Circuito Integrador.
  7. 7. dada por: Vo R2AV (11) Vf R1 1 sR2C La función presenta un polo para: 1ωp (12) R2 C Para frecuencias por encima de p el circuito cumplirá la función de integrador.Este comportamiento se mantendrá hasta frecuencias elevadas en las que la dependenciacon la frecuencia de la ganancia del operacional empiece a tener influencia. En principio, la resistencia R2 no es necesaria para realizar la función de integradory podría suprimirse (R2 ). En este caso, considerando también un comportamientoideal del operacional, la función de transferencia correspondería a la de un integradorideal con un polo en el origen: 1AV (13) sR1C Puede comprobarse que las ecuaciones 11 y 13 coinciden en el rango decomportamiento como integrador. Puede mejorarse la respuesta del integrador a bajasfrecuencias a base de aumentar la ganancia en continua. Sin embargo, un valor excesivode esta ganancia puede dar lugar a la inestabilidad del circuito, en el sentido de que muypequeñas fluctuaciones en la entrada tendrán un efecto importante en la salida deloperacional. Obsérvese que en el caso límite en que R2 , el operacional trabaja en lazoabierto desde el punto de vista de continua, con una ganancia del orden de 10 5.4. REALIZACIÓN PRÁCTICA4.1. AMPLIFICADOR DE GANANCIA VARIABLE4.1.1. Realice el circuito amplificador de la figura 3. Escoja R1 = R2 = 100 K . Escoja laresistencia R3 de modo que al variar R4 entre 0 y 100 K la ganancia del circuito varíe
  8. 8. entre - 1 y –12. La resistencia R5 debe ser igual a la resistencia existente entre el terminalnegativo y tierra. De este modo, la caída de tensión producida por el paso de la corrientede polarización (Ibias) a través de estas resistencias se compensará, evitando la presenciade una tensión de entrada vi no deseada. Utilice tensiones de alimentación deloperacional de 12V. (Se recomienda utilizar la configuración track de la fuente de laalimentación).4.1.2. Observe en el osciloscopio la señal de entrada y de salida, utilizando señales deentrada sinusoidales. Compruebe que la ganancia varía en el rango deseado. Aumente laamplitud de la entrada hasta observar la saturación del amplificador.4.1.3. Fijando R4 = 100 K , tome medidas de la ganancia en función de la frecuencia paratrazar el diagrama de Bode del amplificador. (Lógicamente para esta parte se utilizará unvoltímetro de alterna). Determine la frecuencia del polo ( H) y la ganancia en continua(AV). Con los datos obtenidos, determine el producto ganancia por ancho de banda delamplificador operacional en lazo abierto, (ecuación 10).4.1.4. Simule con el programa PSPICE la respuesta en frecuencia del circuito y compare losresultados experimentales con la simulación. Simule el amplificador operacional en lazoabierto para obtener el producto ganancia por ancho de banda y compararlo con elresultado experimental.4.2. CIRCUITO INTEGRADOR.4.2.1 Monte el circuito integrador de la figura 4. Escoja C = 10 nF y escoja R2 y R1 de formaque la ganancia en continua sea de 500 y para f = 10 KHz la ganancia sea 1. Escoja R3 conel mismo criterio que R5 en el apartado 4.1.1.
  9. 9. 4.2.2. Observe en el osciloscopio la señal de salida para distintas formas de señal deentrada (sinusoidal, cuadrada, triangular) y discuta si la salida corresponde a la integralesperada.4.2.3 Obtenga experimentalmente el diagrama de Bode del circuito. (Se recuerda que paraesta parte debe utilizarse el voltímetro de alterna).4.2.4 Simule con PSPICE la respuesta transitoria del circuito y compárela con el resultadoexperimental. Simule la respuesta en frecuencia del integrador y compárela con elresultado experimental.5. ADVERTENCIAS En un diagrama de Bode la frecuencia se representa en escala logarítmica. Estodebe tenerse en cuenta cuando se realicen medidas experimentales para obtener eldiagrama de Bode. Para una adecuada representación conviene seleccionar frecuenciasque estén equiespaciadas en escala logarítmica. Esto puede conseguirse tomandofrecuencias iguales a la de la anterior medida multiplicada por una constante. (En el casode una escala lineal simplemente sumaríamos una constante). La diferencia entre lamedida n+1, realizada a una frecuencia fn+1, y la medida n realizada a una frecuencia fnserá:fn+1 = K fn Al representar en escala logarítmica:log fn+1 = log fn + log K Es decir, los puntos representados en la escala logarítmica se diferenciarán en unacantidad constante igual a log K. El valor de K elegido dependerá de cuántos puntos por década se quieran medir.Por ejemplo, si queremos tomar 10 puntos por década debe cumplirse K 10 = 10, siquisiéramos tomar 15 puntos por década K15 = 10, etc.
  10. 10. Montaje con el valor del potenciómetro en su máximo Ohmiaje el cual es de 100kΩ
  11. 11. Montaje con el valor del potenciómetro variando desde su menor valor 1kΩ hasta su máximo ohmiaje de 100kΩ
  12. 12. Montaje con el valor del potenciómetro en su máximo Ohmiaje el cual es de 1kΩ

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