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ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL

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  1. 1. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA II - LABORATORIO 1 - AGOSTO 2008 1 ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL Luis F. De La Hoz, María Ilse Dovale, Danilza Hurtado, Andrés E. Manotas División de Ingenierías Universidad del Norte Barranquilla Abstract— El funcionamiento básico de los Amplificadores Op- operacional y de qué forma se relaciona con el modelo que se eracionales (Op Amp), se puede verificar a partir de un análisis analiza teóricamente. detallado de los parámetros fundamentales que caracterizan a los dispositivos reales de los ideales. Las imperfecciones DC también serán parte crucial de nuestro estudio ya que estos comportamientos son los que afectan muy frecuentemente a los Op Amp, además de esto, se hará el respectivo análisis de las diferencias entre las mediciones y los cálculos teóricos. I. INTRODUCCION OS amplificadores operacionas son dispositivos electróni- L cos, como lo indica su nombre, de amplificación, los cuales están basados en transistores BJT o MOSFET, como se Figura 1:. Distribución de los pines en un Amplificador Operacional con su modelo teórico internamente. verá más adelante. Están compuestos por 3 etapas: la entrada, Como vemos en esta imagen, amplificación y carga o salida. Unas de sus características Entrada inversora .............................................2 más sobresalientes son su alta resistencia de entrada, su baja Entrada no inversora ........................................3 resistencia de salida y la alta salida que presentan. Salida ................................................................6 Este dispositivo es encargado de amplificar la diferencia Terminal de alimentación positiva (V+) ..........7 entre dos señales en sus terminales de entrada, lo cual lo hace Terminal de alimentación negativa (V-) ..........4 muy útil para muchas aplicaciones. Sus terminales de entrada son conocidas como quot;Inversoraquot; En el amplificador operacional se utilizan principalmente 5 y quot;No inversoraquot;, las cuales veremos de forma más detallada de sus 8 entradas, que son las de mayor interés, las otras 3 a continuación. terminales son llamadas terminales de compensación las cuales Aunque muchas veces existen caracerísticas físicas que pueden usarse en un circuito auxiliar para compensar alguna influyen en el comportamiento de un Op Amp ideal, en degradación del funcionamiento debida a imperfecciones o ocasiones muchas veces se pueden despreciar y el dispositivo envejecimiento. Sin embargo, esta degradación es despreciable se puede trabajar como un modelo ideal para su análisis. en la mayoría de los casos, es por esto que las terminales de compensación casi no se usan. II. CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES Debido a la limitación que supone no poder entregar más El nombre de amplificador operacional como su nombre lo tensión de la que hay en la alimentación, el Op Amp estará sat- indica, es un dispositivo que amplifica o disminuye la señal urado si sobrepasa el límite de los voltajes de polarización.de de entrada, y además hace operaciones matemáticas con las forma ideal, en la realidad la salida se encuentra 1V o 2V por señales. debajo del valor de las alimentaciones Vs : El primer amplificador operacional data de los años 60’s, construído por Fairchild y diseñado por Bob Widlar. El Un Op Amp puede utilizarse en diversidad de aplicaciones: Fairchild A709 (1965), también de Widlar, constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Amplificador Inversor: Es la configuración más sencilla. Fairchild A741(1968), de David Fullagar, y fabricado por Dada una señal analógica (por ejemplo de audio) el amplifi- diversas empresas el cual estuvo basado en tecnología bipolar. cador inversor constituye el modo mas simple de amplificar o Hay varios tipos de presentaciones de los amplificadores atenuar la señal (modificar el volumen e la señal). operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines Comparador: Esta es una aplicación sin la realimentación. o terminales. Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca Compara entre las dos entradas y saca una salida en función entre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que esta a la de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles izquierda, en la Figura 1 se puede ver como es un amplificador lógicos. La manera más sencilla de construir un comparador
  2. 2. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA II - LABORATORIO 1 - AGOSTO 2008 2 consiste en conectar un amplificador operacional sin resisten- relación existente entre el ancho de banda a plena potencia cias de realimentación. (GBP por sus siglas en inglés Gain Bandwith Product) y el Seguidor: Se usa como un buffer, para eliminar efectos de parámetro que conocemos como Slew Rate. carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Si tenemos en cuenta que el ancho de banda a plena potencia Amplificador No Inversor: Este circuito presenta como es la frecuencia a la que una senoide de salida con amplitud característica más destacable su capacidad para mantener la igual al voltaje de salida clasificado del Op Amp empieza a fase de una señal. mostrar distorsión debida a la limitación en la velocidad de respuesta y si denotamos el voltaje anteriormente mencionado De estas 4 configuraciones pueden implementarse los di- como Vo max y el ancho de banda a plena potencia como fM versos montajes con Op Amp como lo son los sumadores, los entonces veremos claramente que el Slew Rate se relaciona diferenciadores, los derivadotes, los logarítmicos, entre otros. con esta frecuencia partiendo de que Vo max ! M = SR. Cuando el voltaje de entrada es cero en un Op Amp ideal, la salida de este también es cero, pero esto sólo es verídico en Ahora se puede ver claro que si el ancho de banda a plena la teoría ya que a nivel practico, el voltaje de offset o voltaje potencia aumenta el Slew Rate, éste reaccionará de forma igual de desvío que está alrededor de los 20 a 26mV , se puede es decir aumentando. presenciar en la salida de un Op Amp real. Así pues, es un voltaje presente en la salida del amplificador aún cuando los voltajes de las dos entradas sean cero. Este efecto es causado A. Voltaje Offset y Corrientes de Polarización por el ruido que el amplificador operacional amplifica y lo presenta a la salida del mismo. En el laboratorio fue parte del estudio hacer una obtención del voltaje de Offset de un Opamp, con la ayuda de dos El voltaje de Offset lo especifica el fabricante y se puede resistencias de 1M, para esto se uso la configuración mostrada determinar, ya que el producto de el voltaje de desvío con en la Figura 2. la ganancia establecida será mostrado en la salida, también lo puede generar aquellas variaciones de polarización del Op Vcc Amp. S1 Otro efecto nos muestra la diferencia entre los Op Amp 7 ideales y los reales son las llamadas corrientes Offset las cuales R1 3 + son cero en los Op Amp ideales, pero en los reales también 6 Vo 2 - nos introducen un desnivel el cual nos afecta reduciendo el nivel de operación. 4 S2 Para entender a lo que llamamos voltaje de desnivel o Vee voltaje Offset, imaginemos las dos terminales de entrada del Amplificador Operacional unidas y conectadas a tierra, y R2 se observará que a pesar de esto, en la salida se obtendrá un voltaje de DC. En este caso (con el Op Amp uA741) Figura 2: Diagrama esquemático del circuito montado. se observó que el voltaje Offset estaba entre 0:25V = s y 0:5V = s. Con esta configuración se puede medir el valor del voltaje Offset, cerrando los dos swiches, y así cortocircuitar las En realidad, si se tiene una ganancia de DC elevada, la resistencias, para que las corrientes de polarización no generen salida estará en el nivel de saturación positivo o negativo, una caída de voltaje, y de esta manera obtener en la salida de ahora si tenemos que la polaridad de dicho voltaje es negativa, Opamp el valor correspondiente al voltaje de Offset. podemos eliminar este desnivel conectando una fuente externa Después de tener el voltaje de Offset se procede a cerrar en las terminales de entrada con igual magnitud pero con cada swiche por separado, para poder analizar los efectos de polaridad opuesta, es decir con polaridad positiva; ésta fuente una corriente sin que la otra afecte el voltaje de salida Vo, los externa desequilibrará el voltaje de desnivel de entrada del Op resultados obtenidos fueron: Amp. V oltaje de El segundo problema de DC en los Op Amp para que S1 S2 Salida funcionen bien, es que se deben suministrar a cada una de sus Cerrado Cerrado 1 mV entradas corrientes DC denominadas corrientes de polarización Abierto Cerrado 40:7 mV de entrada las cuales tienen como efecto un voltaje en DC en Cerrado Abierto 37:5 mV la salida de este mismo Después de haber obtenido los valores de voltaje en la Teniendo claro las imperfecciones de DC que se presentan salida con los dos swiches abiertos, con S1 abierto y S2 en un Amplificador Operacional, vale la pena mencionar la cerrado y finalmente con S1 cerrado y S2 abierto, se procede
  3. 3. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA II - LABORATORIO 1 - AGOSTO 2008 3 a relacionar las corrientes (teniendo en cuenta el sentido de se fijo una entrada digital haciendo uso de la salida TTL del cada una) con el voltaje de salida, para hallar IB1 e IB2 , y generador de señales, y se fijó una frecuencia de 1Khz. posteriormente IB e IOS , los valores obtenidos se pueder ver en la TABLA1. Después de tener la hoja de entrada se procedió a armar el circuito mostrado en la hoja del fabricante, el cual está conformado por una configuración “Seguidor de Voltaje” de la fig.2 , la cual tiene como carga a la salida, una resistencia de 2k paralelo a un capacitor de 100pF: TABLA1 B. Voltajes de Saturación Después de esto y con ayuda del osciloscopio, se observó la En un Opamp a veces resulta curioso saber de donde saca la onda de salida del circuito empleado, y aumentando la escala energía para amplificar señales, y realmente eso depende de las de tiempo hasta ver claramente la pendiente en la recta del terminales de polarización, que las cuales suministran energía voltaje de salida, esta pendiente equivale al cambio de 0V a al Opam, precisamente para cumplir este propósito, pero: ¿que 5V en la señal de salida, que idealmente es cuadrada, pero que pasaría si la onda de salida es mayor que la diferencia de a causa de la carga a la que es sometida se ve el fenómeno con potencial entre los terminales de alimentación de Opam?. La el cual se halla un valor del Slew Rate. La grafica de dicha respuesta se puede explicar con aquella ley de la física que pendiente la podemos ver en la Figura 4. dice que la energía no se crea ni se destruye, solo se trasforma, pues eso mismo pasa en un Opam, lo que quiere decir que si el voltaje de salida es mayor al voltaje de alimentación de este, veremos un recorte en la salida. Ahora bien en los generadores de señales que se disponen en el laboratorio sólo llegan a dar una onda de aproximadamente 23V pico a pico, y esto es un problema para el estudio ya que el Opamp Dispone de una fuente de 30V DC. Pero para remediar esto recurrimos a bajar el voltaje de alimentación del Op Amp y de esta manera pudimos observar un recorte, que se vió en 6:4V positivos y 5:78V negativos, al alimentar el Opam con 13V DC en sus terminales de alimentación, aunque al analizar y comparar esta relación con la frecuencia, se pudo observar que a frecuencias mayores se presenta una atenuación de la onda, pero con características especiales, que no tienen nada que ver con recorte, y esto lo estudiaremos más a fondo en la siguiente prueba realizada. El recorte de la onda se puede observar en la Figura 3. Figura 4: Pendiente de voltaje de salida El valor obtenido del Slew Rate fue 0:76V = s, arrojando un ancho de banda a plena potencia de 7:85kHz. Ahora teniendo el valor del ancho de banda a plena potencia (GBP) y el Slew Rate, se fijó una señal de 20V pico-pico y de frecuencia 1kHz y se halló la frecuencia limite en la que manteniendo el mismo voltaje en la entrada se obtuviera la misma salida (fl ), valor que está relacionado con el Slew Rate; se obtuvo entonces, la frecuencia fl = 12kHz, y al graficar la onda de salida del circuito se llevó hasta el valor de 12kHz la Figura3: Onda recortada por saturación en el Op Amp. frecuencia de la señal de entrada, y se observó que a partir de ese valor comenzó la deformación de la onda de salida, la cual se apreciaba como una onda triangular a partir de 13kHz, y que después de los 14kHz empezaba a mostrar atenuación. En C. Rapidez De Respuesta la Fgura 5 podemos ver la onda distorsionada y posteriormente El Slew Rate de un Opamp es un valor que nos indica la la onda con un voltaje menor para que tome su forma senoidal rapidez de respuesta de un Opamp, y para estimar este valor nuevamente.
  4. 4. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRONICA II - LABORATORIO 1 - AGOSTO 2008 4 resistencia en esta rama se puede afirmar que la retroali- mentación es 100% negativa. Para esta configuración es claro que la señal diferencial de entrada es igual a cero por lo tanto la señal de salida será igual a la de entrada dando una ganancia de 1 y de aquí recibe su otro nombre; amplificador de ganancia unitaria. IV. BIBLIOGRAFIA [1]. SEDRA, Adel; SMITH, Kenneth. Microelectronic Cir- cuits. 4a Ed. Oxford Unversity Press. New York, 1998. 1359 p. [2]. RASHID, Muhammad. Microelectronic Circuits: Figura 5: Onda distorsionada(arriba) Onda senoidal de menor Analysis and Design. PWS Publishing Company. Boston, voltaje(abajo). 1999. 990 p. A partir de este resultado, es lógico pensar, teniendo los conceptos claros acerca del Slew Rate, que si reducimos la amplitud de la onda de entrada, la de salida empezará a salir de la deformación y volver a la forma de la onda de entrada, esto se hizo, y claramente se vió que con un voltaje pico a pico de 6V la onda en la salida fue igual a la de entrada, y se concluyó que esto fue causa de la relación entre la frecuencia límite antes de la deformación, el Slew Rate y el voltaje en la entrada del Op Amp. III. CONCLUSIONES Como se pudo verificar el SR puede limitar la frecuencia, ya que ésta puede mostrar los cambios de voltajes que puede tener la señal, dando como resultado que cuando el SR es bajo no se puede tener señales a la entrada con frecuencia alta. También éste puede limitar la amplitud de la señal de entrada ya que a menor amplitud de ésta más posibilidades tiene el dispositivo de poder seguirla debido que el cambio posible de voltaje es menor. Teniendo claras las limitaciones que ofrece el Slew Rate, hay que tener muy en cuenta lo que es el voltaje nominal de salida. El voltaje nominal de salida es el voltaje máximo donde el Op Amp puede estar sin que sufra algún tipo de distorsión, y éste debe ser de 1 a 3 voltios menor que la fuente de alimentación positiva y negativa, como la ganancia de este es infinita el voltaje en la salida será limitado por la polarización como se observó en el desarrollo de la práctica cuando se polarizó a -15 y 15 voltios. El valor de este voltaje es dado por el fabricante y depende de las características como fue construido. Como parte final de esta experiencia de laboratorio uti- lizamos una de las configuraciones más importantes y es la que se puede observar en la guía de laboratorio. El nombre de esta configuración se denomina seguidor de voltaje, ya que la salida sigue a la entrada. En esta configuración se puede observar que la salida se retroalimenta a la entrada inversora y ya que no existe una

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