Reporte Practica 1 Electronica 32868

S.E.P.

D.G.E.S.T. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CD. CUAUHTÉMOC

S.N.E.S.T.

ING. MECATRÓNICA

REPORTE ELECTRÓNICA II 1 AMPLIFICADORES OPERACIONALES

APORTADO POR:

REVISADO POR: 1

ADAME CASTILLO AARÓN

DR. DAVID SÁENZ ZAMARRÓN

RIOS ROBLES NIVIA JIMENA VALENZUELA RASCÓN JAVIER EDUARDO

Cd. Cuauhtémoc, Chih. A 13 de Junio del 2012

Lista de Figuras......................................................................................... 3 Lista de tablas........................................................................................... 4 I Introducción ........................................................................................... 5 II Marco Teórico ........................................................................................ 7 2.1 Antecedentes ................................................................................... 7 2.2 Símbolo de un amplificador operacional ........................................... 8 2.3 Características ideales y reales ......................................................... 9 2.4 Comportamiento en corriente continua (DC) ..................................... 9 2.4.1 Lazo abierto .............................................................................. 9 2.4.2 Lazo cerrado o realimentado .................................................... 10 2.5 Limitaciones .................................................................................. 11 2.5.1 Saturación ............................................................................... 11 2.5.2 Tensión de offset ..................................................................... 11 2.5.3 Corrientes ............................................................................... 12 2.5.4 Característica tensión-frecuencia ............................................. 12 2.5.5 Capacidades ............................................................................ 12 2.5.6 Deriva térmica ......................................................................... 12 2.6 Configuración en resta inversora .................................................... 13 III Objetivo .............................................................................................. 14 IV Material y equipo de apoyo ................................................................. 15 4.1 Material ......................................................................................... 16 2

4.2 Equipo y software .......................................................................... 17 V Metodología......................................................................................... 18 VI Desarrollo ........................................................................................... 19 6.1 Simulación ..................................................................................... 19 6.2 Circuito Físico ................................................................................ 23 VII Resultados ......................................................................................... 25 VIII Conclusiones .................................................................................... 26 Bibliografía ............................................................................................. 27 Apéndice A Data sheet de circuito integrado LM741 ................................ 28

Lista de Figuras 2.1 Símbolo del circuito Op-Amp .............................................................. 6 2.2 Restador inversor .............................................................................. 10 6.1 Barra de herramientas (Tools) ............................................................ 16 6.2 Opción Circuitwizard y Op-Ampwizard .............................................. 17 6.3 Selección de Op-Amp ....................................................................... 17 6.4 Circuito Simulado .............................................................................. 18 6.5 Circuito simulado con multimetro ..................................................... 18 6.6 Resultado de la configuración del Op-Amp........................................ 19 6.7 Circuito armado en físico .................................................................. 19 6.8 Resultado obtenido en la práctica en físico ........................................ 20 7.1 Comparación de resultados ............................................................... 21

3

Lista de tablas 2.1 Características ideales y reales………………………………………………….7 4.1 Materiales…………………………………………………………………………..13 4.2 Equipo y software…………………………………………………………………14 7.1 Resultados………………………………………………………………………….21

4

I Introducción 5

El concepto original del Op-Amp (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40. El nombre

de

amplificador

operacional

deriva

del

concepto

de

un

amplificador DC (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados. La importancia del amplificador operacional en la electrónica actual es que permite diseñar bloques funcionales con un comportamiento que es independiente de las características del elemento amplificador. Con él se consigue diseñar circuitos electrónicos muy precisos y estables aun cuando se utilice tecnología semiconductora que en si es imprecisa e inestable. Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, pueden implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito están determinadas sólo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo amplificador es capaz de realizar diversas operaciones, siendo en este caso el restador analógico que consiste en restar dos señales de voltaje con el fin de obtener la resta de estos con la polaridad invertida

6

II Marco Teórico A continuación se presentan los principios teóricos del funcionamiento del Op-Amp así como la configuración de restador de voltajes. 2.1 Antecedentes Los primeros años del amplificador operacional no fueron los de un circuito integrado de 8 patitas. Este amplificador operacional era un tubo al vacío. La idea principal de estos "operacionales" originales era la de ser utilizados en computadoras analógicas, para sumar, restar, multiplicar y realizar operaciones más complejas.

7

El Sr. George Philbrick, que trabajaba en los Huntington Engeneering Labs, y a quien se le atribuye su invención, lo introdujo al mercado en el año 1948. Estos circuitos integrados son muy versátiles, de bajo precio, tamaño pequeño,

con excelentes características y redujeron el

diseño de

un amplificador a la adición de unos resistores. Con el paso de los años y la mejora en la tecnología de fabricación, los amplificadores configuración

operacionales mejoraron interna

se

notablemente.

reemplazaron

En

su

unos transistores

bipolares portransistores de efecto de campo (JFET). 2.2 Símbolo deun amplificador operacional El amplificador Operacional es un dispositivo con dos terminales de entrada

denominados

+

y

–

o

bien

no-inversora

e

inversora,

respectivamente. El dispositivo se conecta además a una fuente de corriente continua (

y

). La referencia común para la entrada, la

salida y la fuente de alimentación esta fuera del amplificador operacional y se denomina tierra (Figura 2.1).

(Entrada no- inversora)

(Positivo de alimentación) (Salida)

(Entrada inversora) (Negativo de alimentación) Figura 2.1 Símbolo del circuito OpAmp Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en FET y respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad (Boylestad R.L. yNasheksky L, 2003). 8

2.3 Características ideales y reales En la tabla 2.1 se muestran las características de un Op-Amp con los parámetros en valor ideal y en valor real. Tabla 2.1 Características ideales y reales Parámetro Valor ideal Valor real

Zi

∞

10 TΩ

Zo

0

100 Ω

Bw

∞

1 MHz

Av

∞

100.000

Ac

0

2.4 Comportamiento en corriente continua (DC) A continuación se describirán los comportamientos en corriente continua de un amplificador operacional. 2.4.1 Lazo abierto Si no existe realimentación la salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100,000(que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100,000 V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Esto será aprovechado para su uso en comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la 9

aplicada a la patilla + la salida será

, mientras que si la tensión más alta

es la del pin - la salida será la alimentación VS-. 2.4.2 Lazo cerrado o realimentado Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí aparece una realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la pata + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la pata -, la tensión en esta pata también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor. Siempre

que

hay

realimentación

negativa

se

aplican

estas

dos

aproximaciones para analizar el circuito: V+ = V- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual). I+ = I - = 0 Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente eléctrica de mejores características. Además, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede ser mucho más estable con un menor coste. Asímismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda.

10

Asímismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no inversora a través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más aplicado es obtener un oscilador para el generar señales oscilantes (Edminister J.A, Nahvi M, 1997). 2.5 Limitaciones A continuación se mencionaran los tipos de limitaciones con las que cuenta el amplificador operacional. 2.5.1 Saturación Un A.O. típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores (Bravo Sos I. 2006). 2.5.2 Tensión de offset Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensión de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de latemperatura (T) del operacional como sigue:

( )

(

)

Donde T0 es una temperatura de referencia. Un parámetro importante, a la hora de calcular las contribuciones a la tensión de offset en la entrada de un operacional es el CMRR (Rechazo al modo común). Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a esto se le llama PSRR (power supply rejection ratio, relación de rechazo a la fuente de alimentación). La PSRR es la variación del voltaje de offset respecto a la 11

variación de los voltajes de alimentación, expresada en dB. Se calcula como sigue:

2.5.3Corrientes Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen proporcionar: a)

|

|

b)

Idealmente ambas deberían ser cero. 2.5.4Característica tensión-frecuencia Al A.O. típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión (VFA). En él hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante. Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios(Hz). Al realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores para mantener las características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico(Boylestad R.L. yNasheksky L, 2003). 2.5.5Capacidades El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia. 2.5.6Deriva térmica Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los A.O. también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las

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corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET. 2.6 Configuración en resta inversora Una fuente de señal

sin conexión a tierra se llama fuente flotante. Estas

señales pueden amplificarse por el circuito de la figura 2.2. B A

Figura 2.2Restador Inversor Aquí los dos terminales de entrada A y B del OpAmp tienen la misma tensión. Además escribiendo la LKT a lo largo del lazo de la entrada, se tiene:

de donde

(2.1)

Las entradas del Op-Amp no demandan corriente y, por tanto, la corriente fluye a través de la resistencia

. Aplicando la LKT alrededor del lazo del

Op-Amp, se tiene:

(2.2) (2.3)

( )

En el caso especial de que no se conecten dos fuente de tensión

y

con

tierra común a las entradas inversora y no-inversora del circuito, respectivamente, se tiene (Edminister J.A yNahvi M, 1997).

13

( ⁄ )(

)

(2.4)

III Objetivo El objetivo principal y/o general de dicha práctica esinteractuar con los Amplificadores Operacionales y conocer las configuraciones básicas, así como su funcionamiento. En este caso el amplificador operacional está configurado en modo restador inversor, de esta manera se conocerá más de cerca el funcionamiento práctico y simulado por medio de computadora, en base a la teoría investigada y explicada previamente en el curso.

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IV Material y equipo de apoyo El material y equipo necesario para el desarrollo de la práctica consiste en simples componentes electrónicos, circuitos integrados, además de equipo básico de laboratorio que se especificarámás adelante.

15

4.1 Material El material requerido en la práctica se trata de los componentes más básicos y conocidos en el campo de la electrónica, a continuación en la tabla 4.1 se mostraran de forma específica.

Tabla 4.1 Materiales Cantidad

Nombre

Descripción

Imagen

Circuito utilizado Amplificador 1

operacional 741

integrado en

ocasión,

es

esta un

amplificador operación de propósito general muy común. 2 pilas de 9 volts para alimentar a nuestro CI

1

Fuente de poder

Componentes esenciales Resistencias de 10kΩ 4

(2) y de 1kΩ(2)

que

impiden el paso de corriente. 3

resistencias

de

2k,1/4 hp Cable

de

red

telefónica para hacer N

Cable

las

conexiones

necesarias

16

Tablilla generalmente de plástico, utilizada 1

Protoboard

para realizar prácticas relacionadas

con

la

electrónica

4.2 Equipo y software En la tabla 4.2 se muestra el equipo necesario para realizar la práctica, así como el software que se usará para la comparación de resultados.

Tabla 4.2 Equipo y software Cantidad

Nombre

Descripción Es

1

Multímetro

un

portátil

Figura

instrumento para

medir

magnitudes eléctricas como

corrientes,

potenciales, resistencia, etc.

Multisim 11.0 es un 1

Software de

software

simulación

de

simulador circuitos

electrónicos,

muy

útil a la hora de comprobar practicas.

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V Metodología La metodología propuesta para este proyecto se plantea ordenadamente en los siguientes pasos. a)

Primero se asignó una práctica la cual consistió en un circuito restador de voltajes utilizando el amplificador operacional 741.

b)

Una vez asignada la práctica se identificaron los componentes a utilizar en la misma.

c)

Se llevó a cabo la simulación del circuito en NI multisim 11.0, utilizando el simulador para seleccionar los componentes para asíconseguir la configuración deseada.

d)

Se compraron los componentes requeridos en una electrónica para realizar la práctica en físico

e)

Se armó la práctica de acuerdo a la simulación.

f)

Se realizaron pruebas, mediciones y comparaciones de los circuitos armados y simulados.

g)

Una vez hecho lo anterior, se mostró lo realizado al profesor que hicieran

las

recomendaciones

pertinentes

para

el

óptimo

funcionamiento de la práctica. h)

Por último se realizó el reporte de la práctica mencionando como fue realizada la misma.

18

VI Desarrollo La práctica se desarrollo de forma teórica, por medio de simulación por computadora y por medio del armado físico de la misma, es importante resaltar que al realizar cualquier práctica, se deben llevar a cabo todos los pasos que se mencionarán más adelante, ya que esto facilita el proceso de aprendizaje y permite realizar la práctica de un manera más exacta. 6.1 Simulación Como ya se había mencionado anteriormente para realizar la práctica se uso el programa NI Multisim 11.0. Una vez abierto el programa se busca la barra de herramientas en la parte superior (Tools), como se muestra en la figura 6.1.

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Figura 6.1 Barra de herramientas (Tools) Una vez seleccionada la pestaña de herramientas (Tools), se busca y selecciona la opción circuit wizards, desplegándose otra barra de opciones, donde se debe seleccionar OpampWizard, opción que se muestra en la figura 6.2.

20

Figura 6.2 OpciónCircuit Wizards y Op-Amp Wizard Al seleccionar la opción Op-Amp wizard, aparecerá una ventana como se muestra en la figura 6.3, donde el programa permite seleccionar la configuración del amplificador operacional por medio de la opción type, donde se desplegara una barra de opciones, seleccionando en este caso la configuración

difference

amplifier.

En

esta

misma

ventana

da

la

oportunidad de asignar los valores de los voltajes y resistencias, por lo tanto se asigna a el resistencias como

y a el y

, y asignando el valor de las , hecho esto, se selecciona

la opción que permite al programa confirmar que los cálculos están completos, y por último se selecciona en la parte inferior build circuit, para que el programa realice el circuito.

Figura 6.3 Selección de Op-Amp restador Una vez creado el circuito queda como se muestra en la figura 6.4.

21

Figura 6.4 Circuito simulado Para comprobar que el circuito cumple con la configuración que se hizo anteriormente, se usa el multimetro, instrumento que se encuentra en la barra lateral derecha. Después de seleccionado,este se conecta a la salida y a tierra como se muestra en la figura 6.5, para entonces así correr el programa en el botón de play que se encuentra en una de las barras de arriba de la hoja de trabajo, y dando doble clic sobre el multimetro de la simulación, aparecerá un recuadro donde se visualizará la resta de los voltajes que se asignaron previamente como se muestra en la figura 6.6.

Figura 6.5 Circuito Simulado con multimetro 22

Figura 6.6 Resultado de la configuración del Op-Amp Debido a que el multimetro arrojó el valor esperado con respecto a la formula de la configuración del restador, se prosigue a armar el circuito en físico. 6.2 Circuito Físico Terminando la simulación se procedió a armar el circuito en físico (ver figura 6.7), con los componentes y equipo mencionados previamente en el capítulo IV.

Figura 6.7 Circuito armado en físico A continuación en la figura 6.8 se muestra como al usar el multimetro, se comprueba como el valor del voltaje final coincide con el valor de voltaje calculado teóricamente y por medio de la simulación.

23

Figura 6.8 Resultado obtenido de la práctica en físico La ecuación inicial de la configuración del amplificador restador.

( ⁄ )(

(6.1)

)

Sustituyendo los valores que se utilizaron para la realización de esta práctica la ecuación (6) nos queda de la siguiente manera: (

⁄

)(

)

(6.2)

24

VII Resultados Comparando los resultados recabados en los diferentes procesos que se llevaron a cabo para esta práctica, se puede afirmar que los resultados son casi exactos en todos los procesos (véase tabla 7.1). Tabla 7.1 Resultados Desarrollo Formula Simulación Practica

Resultado 700 mV 699.976 mV 700 mV

Como se puede observar en la figura 7.1 el resultado de la simulación tiene un poco de variación con respecto al resultado de la formula y al de la práctica, pero cabe mencionar que la variaciones se le pueden adjudicar a tolerancias del mismo simulador.

25

(

⁄

)(

)

(7.1)

Figura 7.1 Comparación de resultados

VIII Conclusiones Como comentario final se destaca lo importante que son los amplificadores operacionales ya que tienen una amplia aplicación en la electrónica. El equipo de trabajo se dio cuenta que los amplificadores operacionales son multifuncionales debido a su infinita gama de aplicaciones que se les puede encontrar, gracias a las diferentes configuraciones a las que se puede conectar, además que como ya se mencionó anteriormente son muy utilizados en la fabricación de distintos dispositivos eléctricos y electrónicos.

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Se puede destacar que el desarrollo de prácticas de este tipo permite al estudiante conocer más el campo de la electrónica analógica, ya que gracias a ellas, como estudiante,te abre las puertas para desarrollar proyectos futuros.

Bibliografía Boylestad R.L. y Nasheksky L. (2003). Electrónica Teórica de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. (México) Pearson. Bravo Sos I. (2006). ElectrónicaAnalógica. Barcelona (España) Marcombo. 27

Edminister J.A. y Nahvi M (1997). Circuitos Eléctricos. Schaum’s.

Apéndice A Data sheet de circuito integrado LM741

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