amplificadores operaciones

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

JEISSON ANDREY MARTINEZ ALDANA COD 20081233069GERMAN DARIO GONZALEZ GARZÓN COD 20081233078 EDWAR STEVENS ARDILA SEFAIR COD 20081233066

DISEÑO ELECTRÓNICOINFORME

PRACTICA 6AMPLIFICADORES OPERACIONALES

OBJETIVOS

Analizar el funcionamiento de los amplificadores operacionales.

Analizar las diferentes configuraciones que se pueden realizar con los amplificadores operacionales

Conocer las principales características de los amplificadores operaciones.

Comparar los datos teóricos con los datos experimentales.

Analizar si el modelo teórico de los amplificadores operacionales se cumple en el momento de su aplicación experimental

CARACTERÍTICAS GENERALES

RAZÓN DE RECHAZO EN MODO COMÚN (CMRR)

Es la razón que hay entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común de voltaje.

RRMC ≅|AdAc |Mide la capacidad que tiene el amplificador operacional de rechazar señales indeseables pero que sean muy comunes en ambas entradas. Estas señales pueden ser ruido u otras señales indeseables. Entre mayor sea la RRCM mas próxima estará la proporción de la salida del amplificador diferencial a la diferencia entre las dos señales de entrada.

El factor de rechazo en modo común es la característica más relevante para describir en cuanto el comportamiento real de un amplificador diferencial se aproxima al comportamiento ideal. Cuando CMRR=∞ el amplificador es un amplificador diferencial ideal. Los amplificadores operacionales reales suelen tener CMRR del orden de 100 dB (la ganancia diferencial es 105 mayor que la ganancia en modo común).En la figura No. 1. Se observa que el CMRR se degrada a frecuencias muy bajas en el rango de 10 a 100 Hz.

Figura No.1.

ANCHO DE BANDA DE GANANCIA UNITARIA

Es la frecuencia a la cual la ganancia de lazo abierto es unitaria, es decir sea igual a la unidad. Se representa con la letra B. Hay tres formas de obtenerlo a

partir de la hoja de datos del fabricante, de la siguiente manera:

1. Si se tiene la grafica del fabricante del AOL, en función de la frecuencia, se localiza un punto donde el AOL es igual a 1.

2. En algunos casos las hojas de datos del fabricante no contiene la especificación llamada ancho de banda de ganancia unitaria o la curva, pero a cambio ofrecen una especificación llamada tiempo de subida de respuesta transitoria. A partir de eso B se calcula con base en la especificación del tiempo de subida mediante la expresión:

B= 0.35tiempo desubida

B esta expresada en hertz y el tiempo de subida en segundos.

3. Ganancia de lazo abierto a f = anchode banda para gananciaunitariafrecuenciade laseñal de entrada , f

CAPACIDAD DE ENTRADA

Capacidad que existe entre los terminales de entrada poniendo una de ellas a tierra.

CORRIENTE DE POLARIZACIÓN DE ENTRADA

Promedio de ambas corrientes de entrada con la salida en cero voltios.

La corriente de polarización en la entrada inversora, Ib- por lo general no es igual a la corriente de entrada en la no inversora, Ib+. Los fabricantes especifican una corriente de polarización de entrada promedio, Ib, que se calcula con la suma de las magnitudes de las anteriores corrientes, y dividiendo la suma entre 2.

I B=|I B+|+|I B-|

2El intervalo de IB comprende desde 1μA o más en el caso de los amplificadores operacionales de propósito general.

DISIPACIÓN TOTAL DE POTENCIA

Potencia total de corriente continua suministrada al dispositivo menos la potencia suministrada a la carga.

FLUCTUACIÓN MÁXIMA DE SALIDA PICO A PICO

Voltaje pico a pico máximo que se puede obtener antes del recorte, con una salida en reposo de cero voltios en corriente continua.

INTERVALOS DE VOLTAJES DE ALIMENTACIÓN

Intervalo de valores que puede tomar la entrada para su operación normal.

SENSIBILIDAD AL VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN

Es el cociente del cambio en el voltaje de balance de entrada entre el cambio en los voltajes de alimentación que lo producen,

TIEMPO DE SUBIDA

Es el lapso de tiempo requerido para que el voltaje de salida se eleve desde el 10 al 90% de su valor final. Por ejemplo el amplificador operacional 741 su tempo de subida es de 0.35 μs.

VOLTAJE DE BALANCE DE ENTRADA

Voltaje que debe añadirse diferencialmente entre ambas terminales de entrada a través de dos resistencias iguales para conseguir cero en el voltaje de salida.

MÉTODO DE CORRECCIÓN DE DESBALANCE (OFFSET)

En aplicaciones de precisión, se debe compensar el efecto combinado del offset de tensión de entrada, de la intensidad de polarización y del la intensidad de offset. A tal fin, la mayoría de los amplificadores operacionales ofrecen un circuito específico de compensación de los offsets.Cuando un amplificado no posee un mecanismo de compensación de offset interno, se puede añadir algunos elementos externo que realicen su cancelación. En esto circuitos es muy importante tener en cuenta lo pequeño del valor del offset que se está compensando.Cuando el offset de un circuito ha sido cancelado en el laboratorio, asume una gran relevancia los parámetros de deriva con el tiempo o con otros parámetros.

Figura 2.

CÁLCULOS

AMPLIFICADOR INVERSOR

La ecuación del AO inversor de la figura 3 para determinar el Voltaje de salida es:

Vo=−RfR×Vin

Figura 3

En este caso Vin=0.2V R=1KΩ pero Rf va variando.

Si Rf = 5.1 KΩ

Vo=−5.1KΩ1KΩ

×0.2V=−1,02V

Si Rf = 10 KΩ

Vo=−10KΩ1KΩ

×0.2V=−2V

Si Rf =12 KΩ

Vo=−12KΩ1KΩ

×0.2V=−2.4V

Si Rf = 22KΩ

Vo=−22KΩ1KΩ

×0.2V=−4.4 V

Si Rf = 27KΩ

Vo=−27KΩ1KΩ

×0.2V=−5.4V

Si Rf = 33KΩ

Vo=−33KΩ1KΩ

×0.2V=−6.6V

Si Rf = 39KΩ

Vo=−39KΩ1KΩ

×0.2V=−7.8V

Si Rf = 47KΩ

Vo=−47KΩ1KΩ

×0.2V=−9.4V

Si Rf = 91KΩ

Vo=−91KΩ1KΩ

×0.2V=−18.2V

Si Rf=120KΩ

Vo=−120KΩ1KΩ

×0.2V=−24V

AMPLIFICADOR NO INVERSOR

La ecuación del AO no inversor de la figura 2 para determinar el voltaje de salida es:

Vo=Vin( RfR +1)En este caso Vin = 0.2V y R=1KΩ pero Rf varia.Figura 4.

Si Rf= 5.1KΩ

Vo=0.2V (5.1KΩ1KΩ+1)=1.22V

Si Rf=10KΩ

Vo=0.2V (10KΩ1KΩ+1)=2.2V

Si Rf=12KΩ

Vo=0.2V (12KΩ1KΩ+1)=2.6V

Si Rf=22KΩ

Vo=0.2V (22KΩ1KΩ+1)=4.6V

Si Rf=27KΩ

Vo=0.2V (27KΩ1KΩ+1)=5.6V

Si Rf=33KΩ

Vo=0.2V (33KΩ1KΩ+1)=6.8V

Si Rf=39KΩ

Vo=0.2V (39KΩ1KΩ+1)=8V

Si Rf=47KΩ

Vo=0.2V ( 47KΩ1KΩ+1)=9.6V

Si Rf=91KΩ

Vo=0.2V ( 91KΩ1KΩ+1)=18.4V

Si Rf=120KΩ

Vo=0.2V (120KΩ1KΩ+1)=24.2V

SUMADOR INVERSOR

Figura 5.

Para determinar el voltaje de salida se realiza la ecuación del nodo de la entrada inversora la cual es:

Teniendo en cuenta que V+=V-

−V 168

−V 268

−V 368

−Vo68

=0

Despejando Vo nos queda:

Vo=−V 1−V 2−V 3(1)

SUMADOR NO INVERSOR

Figura 6

V1

V2

V3

V1

V2

V3

Los cálculos para el AO de la figura 5 son:

Primero se hace la ecuacion del nodo del V1 la cual es:

V 1−12V10KΩ

+ V 11KΩ

+V 1−V 368KΩ

=0

68V 1−816+680V 1+10V 1−10V 3=0

758V 1−10V 3=816 (2 )

Se hace la ecuación del nodo del V3 la cual es:

V 3−V 268KΩ

+V 3−V 168KΩ

=0

V 3−V 2+V 3−V 1=0

Sabiendo que V2 = 0.5 V entonces

2V 3−V 1=0.5 (3 )

Despejando de (3) V3 nos queda:

V 3=0.5+V 12

(4)

Reemplazando (4) en (2) nos queda

758V 1−10( 0.5+V 12 )=816V 1=818.5

753

V 1=1.087V

Ahora en (4) reemplazamos V1

V 3=0.5+1.0872

V 3=0.793V

Ahora determinamos el valor del voltaje de salida para ello hacemos la ecuación en el nodo del Voltaje de la entrada inversora

Teniendo en cuenta que V-=V+=V3

V 3−Vo24 KΩ

+ V 312KΩ

=0

Vo=V 3 ( 24KΩ24KΩ+ 24KΩ12KΩ )

Vo=V 3×3(5)

Vo=2.379V

RESTADOR

Figura 7

Para obtener la expresión del voltaje de salida Vo se realiza el siguiente proceso:

Primero se hace la ecuación del nodo de la salida no inversora:

V ±V 1R2

+V + ¿R1

=0¿

V +¿ V 12

Despues se hace la ecuación del nodo de la salida inversora teniendo en cuenta que:

V+=V-

V —V 2R3

+V —VoR6

=0

Vo=V−(R6+R3R3 )−V 2( R6R3 )Vo=V 1

2 (R6+R3R3 )−V 2( R6R3 )Si R3=R6 entonces la expresión anterior queda:

Vo=V 12 (2 R3R3 )−V 2(R6R3 )

Entonces el voltaje Vo es:

Vo=V 1−V 2(6)

Si V1 = 3.6V

Para determinar el Vo primero debemos determinar V2 con el siguiente procedimiento:

Se hace la ecuación del nodo del voltaje V2

V 2−1212K

+V 23

+V 2−V− ¿10

=0¿

186V 2=360+36V

Sabiendo que V−¿ V 12

186V 2=360+36 V 12

V 2=360+18V 1186

(7 )

V 2=360+18 (3.6V )

186

V 2=2,28V

Entonces reemplazamos en la ecuación (6) para determinar el Vo

Vo=3.6−2.28

Vo=1,32V

Si V1 = -3V

Entonces reemplazamos en (7) para determinar V2:

V 2=360+18 (−3 )

186

V 2=1,645V

Entonces reemplazamos en (6) para determinar el Vo

Vo=−3−1,645

Vo=−4,645V

Si V1 = -2V


V 2=360+18 (−2 )

186

V 2=1,742V


Vo=−2−1,742

Vo=−3,742V

Si V1 = -1V


V 2=360+18 (−1 )

186

V 2=1,8387V


Vo=−1−1,838

Vo=−2,838V

Si V1 = 0V


V 2=360+18 (0 )186

V 2=1,935V


Vo=−1.935V

Si V1 = 1V


V 2=360+18 (1 )186

V 2=2,032V


Vo=1−2,032

Vo=−1,032V

Si V1 = 2V


V 2=360+18 (2 )186

V 2=2,129V


Vo=2−2,129

Vo=−0,129V

Si V1 = 3V


V 2=360+18 (3 )186

V 2=2,2258V


Vo=3−2,2258V

Vo=0,7742V

Si V1 = 5V


V 2=360+18 (5 )186

V 2=2,419V


Vo=5−2,419

Vo=2,581V

SIMULACIÓN


Se coloca un potenciómetro en Rf y se observa los cambios que suceden en la salida del amplificador operación inversor

Si el Potenciómetro está en la posición mínima

Azul = Señal de entradaRojo=Señal de salida

Si se varía la resistencia del potenciómetro


En esta parte el potenciómetro se cambia por resistencia fijas de ciertos valores, en la simulación se observa como varía el voltaje de salida Vo:

Si Rf=5.1KΩ


Si Rf=10KΩ


Si Rf=12 KΩ


Si Rf=22KΩ


Si Rf=27KΩ


Si Rf= 33KΩ


Si Rf=39KΩ


Si Rf=47KΩ


Si Rf=91KΩ


Si Rf=120KΩ



En esta parte el potenciómetro se cambia por resistencia fijas de ciertos valores, en la simulación se observa como varía el voltaje de salida Vo:

Rf=5.1KΩ


Rf=10KΩ


Rf=12KΩ


Rf=22KΩ


Rf=27KΩ


Rf=33KΩ


Rf=39KΩ


Rf=47KΩ


Rf=91KΩ


Rf=120KΩ


SUMADOR INVERSOR

En la siguiente simulación se pueden observar los valores que genera el sumador inversor de los voltajes en cada nodo, es decir V1, V2, V3 y Vo.

V1

V3

V23

Vo

A continuación se cambia R por 100KΩ

V1

V3

V2 Vo

SUMADOR NO INVERSOR

En esta simulación se puede observar el voltaje de salida que genera el sumador no inversor comparándolo con el voltaje de entrada.

Azul = Señal de entrada Rojo=Señal de salida

RESTADOR

En la siguiente simulación se puede observar los resultados que se obtienen con el restador Figura 7.

El voltaje V1 es el que va variando con lo cual se obtiene el voltaje de salida.

V2

Como se puede observar en la gráfica, el eje X es el V1 el cual es que va variando y el eje Y es el Voltaje de salida Vo, Cada punto en la recta representa los valores que toman el voltaje de salida cuando se varía el voltaje V1.

DATOS EXPERIMENTALES


La primera parte que se realizó en el laboratorio fue construir el circuito de la figura 3. Después de esto se procedió a tomar los siguientes datos para realizar su respectivo análisis.

a) Se coloco un potenciómetro de 100KΩ con la señal de entrada en Vin=0.2sen(200πt), se coloco el potenciómetro en la posición mínima y con el osciloscopio conectado a la salida se midió el voltaje de salida es:

Vo=8mV

b) Al variar el potenciómetro se pudo observar que va cambiando la ganancia del AO inversor hasta que se satura lo cual distorsiona su señal de salida, esto depende del voltaje de alimentación.

c) El punto exacto donde el AO se satura es Vo= -11VLa ganancia en este punto es

A=−11V0.2V

=−55

Y el porcentaje Vo con respecto al nivel de alimentación Vcc es:

%= VoVcc

=1112

∗100%=91.66%

d) Se conectaron diferentes valores de resistencia en Rf donde antes esta el potenciómetro y se midieron los voltajes de salida en cada caso y se compararon con los datos calculados:

Rf(KΩ) 5.1 10 12 22 27 33 39 47 91 120Vomed

(V)-0.99 -1.94 -2.28 -4.2 -5.15 -6.3 -7.4 -9 -11 -11

VoCalc

(V)-1.02 -2 -2.4 -4.4 -5.4 6.6 -7.8 -9.4 -18.2 -24

Al hacer una comparación de los datos medidos y calculado se puede observar que son bastante precisos, pero que hay una gran diferencia que se puede analizar la cual es que cuando el AO entra en saturación ya que los valores medidos y calculados ya no son iguales por la razón de que en el modelo real el amplificador operacional está condicionado por el voltaje de alimentación.

e) Se conecta la resistencia de 10KΩ y se incrementa el nivel de voltaje de entrada obteniendo el máximo valor de este antes de saturar el amplificador, este voltajes es:

Vin= 1,2 V

Entonces el porcentaje de la señal de salida con respecto a Vcc para que se sature el AO es:

Teniendo en cuenta que el Vo=10,8V

%= VoVcc

=10,8V12V

∗100%=90%


En esta parte se construyo el circuito de la figura 4 y se procedió a hacer el mismo procedimiento que el caso anterior.


Vo=0.2V

Se puede analizar que en este punto la ganancia es uno por ese motivo la señal de entrada es la misma señal de salida


c) El punto exacto donde el AO se satura es Vo= 11,2VLa ganancia en este punto es

A=11,2V0.2V

=56


%= VoVcc

=11 ,212

∗100%=93.33%


Rf(KΩ) 5.1 10 12 22 27 33 39 47 91 120Vomed

(V)1.24 2.2 2.7 4.6 5.6 6.9 8.1 9.4 11.3 11.3

VoCalc

(V)1.22 2.2 2.6 4.6 5.6 6.8 8 9.6 18.4 24.2

Al hacer una comparación de los datos medidos y calculado se puede observar que son bastante precisos, pero que hay una gran diferencia que se puede analizar la cual es que cuando el AO entra en saturación ya que los valores medidos y calculados ya no son iguales por la razón de que en el modelo real el amplificador operacional está condicionado por el voltaje de alimentación.


Vin= 1,1 V


Teniendo en cuenta que el Vo=10.7V

%= VoVcc

=10.7V12V

∗100%=89.16%

Ahora en este caso se cambia el anterior AO que es el LM307 pro el UA 741 y se procede hacer el mismo procedimiento.


Vo=0.2V

Se puede analizar que en este punto la ganancia es uno por ese motivo la señal de entrada es la misma señal de salida


c) El punto exacto donde el AO se satura es Vo= 10,8VLa ganancia en este punto es

A=10,8V0.2V

=54


%= VoVcc

=10,812

∗100%=90%


Rf(KΩ) 5.1 10 12 22 27 33 39 47 91 120Vomed

(V)1.25 2.2 2.6 4.6 5.6 6.9 8.1 9.5 10.8 10.8

VoCalc

(V)1.22 2.2 2.6 4.6 5.6 6.8 8 9.6 18.4 24.2

Al hacer la comparación de los datos se puede observar que son bastante precisos pero todavía se posee la limitación de que el AO depende del voltaje de alimentación


Vin= 1,04 V


Teniendo en cuenta que el Vo=10.4V

%= VoVcc

=10.4V12V

∗100%=86.66%

ANCHO DE BANDA

La frecuencia mínima para un funcionamiento lineal es 6 Hz y la frecuencia máxima es 900 KHz

SUMADOR INVERSOR

En primer lugar se construyo el circuito de la figura 5 y se procedió a tomar los siguientes datos:

a) Se calculo el valor de Vo midiendo los valores de V1,V2 y V3:

Valores medidos V1=1.873V V2=1.12V V3=370 mV

Para hallar Vo se usa la ecuación ()

Vocalc=−1.873V−1.12V−0.37V

Vocalc=−3.363V

El valor medido de la salida que dio es: Vomed=-3.357 V

Comparando los valores de salida se puede concluir que son muy parecidos y que el error de medida en este caso es de 0.178%

b) Reemplazamos R por 100K y repetimos el procedimiento

Valores medidos V1=1.844 V V2=1.1V V3=0.365 V

Vocalc=−1.844V−1.1V−0.365V

Vocalc=−3.309V

El valor medido de la salida que dio es= Vomed = -3.217 V

Comparando los valores de salida se puede concluir que son muy parecidos y que el error de medida en este caso es de 2.78%

SUMADOR NO INVERSOR

En esta parte se construyo el circuito de la figura 6 y se procedió a tomar los siguientes datos:

a) Se calcula el Vo midiendo los valores de V1, V2 y V3

Valores medidos: V1=1.07V V2=0.5V V3=0.8V

El valor de Vo se calcula mediante la ecuación (5)

Vocalcu=0.8V ×3=2.4 V

El voltaje Vo medido es:

Vomed=2.4V

En este caso a comparar los dos valores nos da un error de 0% lo cual podemos decir en este caso es una medida muy precisa.

RESTADOR

En esta parte se construyo el circuito de la figura 7 con un voltaje de V1=3.6V y se procedió a tomar los siguientes datos:

a) Primero se obtuvo la expresión de Vo en términos de V1 y V2 la cual es:

Vo=V 1−V 2

b) Se calculo el valor de V2 el cual es

V 2=2.28V

El valor medido de V2 es V2=2.3V

Se calcula el Vo de salida con la expresión anteriormente dada

Vo=3.6V−2.3V=1.3V

c) Luego se midió el voltaje de salida el cual es:

Vo=1.2V

Con estos dos datos se calcula el error el cual es:

e=1.3−1.21.3

=7.6%

d) Se procede a varia el voltaje V1 y se repiten los datos anteriores

V1(V) VoCalculado Vomedido Error % V1(V) VoCalculado Vomedido Error %

-3 -4.645 -4.710 1.4% 1 -1.032 -1.022 0.96%-2 -3.742 -3.88 3.68% 2 -0.129 -0.125 3.1%-1 -2.8387 -2.84 0.045% 3 0.7742 0.730 5.7%0 -1.935 -1.93 0.25% 5 2.581 2.49 3.5%

CONCLUSIONES

Los amplificadores son un dispositivo muy sencillo el cual amplifica un voltaje dado o también realiza algunas operaciones con las cuales se pueden implementar en diferentes aplicaciones.

El funcionamiento de un amplificador operacional es sencillo, pero se debe tener en cuenta la aplicación u operación que se quiere realizar, para tener en claro la configuración que se debe usar

Los amplificadores son sencillos de configurar y usar, pero para poder usarlos correctamente primero se debe conocer la teoría de funcionamiento.

El modelo teórico de los amplificadores es muy preciso al momento de llevarlo a la práctica, esto garantiza que las aplicaciones que se realicen con ellos funcionaran de un forma precisa.

Se debe tener en cuenta que los amplificadores operacionales tiene una limitación que es el voltaje de alimentación ya que este limita hasta que voltaje ellos pueden amplificar, además de la ganancia que generen.

Al momento de hacer mediciones de los amplificadores operacionales se debe conocer bien el funcionamiento de los instrumentos que se usaran como por ejemplo el osciloscopio, el Multímetro, etc. porque un fallo en los instrumentos causaran un mal medición de datos.

Al momento de realizar los montajes se deben revisar de nuevo para comprobar que se hicieron de la forma correcta, ya que un error en una conexión o la elección de un incorrecta resistencia generara que el amplificador operacional no funcione correctamente y genere errores en su amplificación u operación.

Los errores en las mediciones se deben a tres cosas a los instrumentos de medición que en algunos casos pueden estar descalibrados, al operario y al montaje realizado.

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