configuracion de operacionales

1PRACTICA #7: CONFIGURACIONES BASICASDE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Felipe Leonardo Pineda Pineda, [email protected] Politcnica Salesiana, Sede Cuenca

Laboratorio de Analgica II

ResumenIn this report will examine the amplifier opera-cioner, their characteristics, and also estimates its settings withcorresponding verification at the laboratory.

Index Termsamplifier operacioner, inverter, not inverter,adder, not adder, voltage follower.

OBJETIVOS

1. Disear y comprobar el funcionamiento de las diferentesconfiguraciones de los amplificadores operacionales.

2. Para cada una de las configuraciones realizar la demos-tracin de la funcin de transferencia respectiva.

Seguidor de tensinAmplificador InversorAmplificador no InversorSumador InversorSumador no InversorDiferencialIntegradorDerivador

I. MARCO TEORICOUn amplificador operacional es un amplificador diferencial.

Desde el punto de vista de una seal, el AO, tiene tres termi-nales: dos terminales de entrada y un terminal de salida. Lafigura 1 muestra el smbolo que utilizaremos para representarel amplificador operacional. Los terminales 1 y 2 son losterminales de entrada, y el terminal 3 es el de salida[1].

Figura 1. Smbolo elctrico y terminales de un amplificador operacional.

Como el AO es un dispositivo activo (est formado portransistores, resistencias y algn condensador), requiere unapotencia de continua para funcionar. La mayora de AO deCI requieren dos fuentes de continua, como se muestra en lafigura 1. Los terminales, 4 y 5 del operacional se conectana un voltaje positivo VCC , y a uno negativo VEE , respecti-vamente, siendo habitual que sean iguales en valor absoluto.

Las dos fuentes de alimentacin de continua presentan unatierra comn. Es interesante observar que el punto tierra dereferencia en los AO es precisamente el terminal comn delas dos fuentes de alimentacin; esto es, ningn terminal delAO se conecta fsicamente a tierra[1].

Es importante indicar que tambin existen operacionalesque se alimentan entre tensin y tierra (operacionales Nor-ton). En adicin a los tres terminales de la seal y los dosterminales de la alimentacin de continua, un AO puede tenerotros terminales para propsitos especficos[1]. La funcin dealgunos terminales del operacional se ver en el laboratorio(por ejemplo, la anulacin del offset, aunque no se emplee).La ecuacin ideal que gobierna el comportamiento del ampli-ficador operacional es la siguiente:

Vo = A(V + V ) (1)

La entrada V + se denomina entrada no inversora porquevara en el mismo sentido que la salida.La entrada V se denomina entrada inversora porquevara en sentido contrario que la salida.Siendo A la ganancia de voltaje sin carga.

La representacin grfica de la ecuacin 1 es una recta quepasa por el origen, de pendiente A, y llega de a -. Laecuacin de un amplificador real, discrepar de esta ecuacin.

De forma esquemtica, podramos decir que en un opera-cional real es:

Vo = A(V + V )+ efectos no ideales

En la figura 2 queda representada la diferencia entre laEcuacin de un amplificador operacional ideal y el real. Enla figura de la derecha, se ve como la tensin de salida nopuede superar la tensin de alimentacin VCC ni ser inferiora VEE .

En los temas anteriores de amplificacin, se ha remarcadoel hecho de que en un circuito de transistores es imposibleobtener una tensin superior a la alimentacin de continuaaplicada[2].

2Figura 2. Curva del amplificador operacional: a) ideal y b) real.

Es ms, en la figura 2 se observa como hay una pequeaperdida de tensin en la salida, de forma que esta puede variarentre Vmax y Vmin. Este concepto puede ser entendido por losalumnos porque en el tema 5 se vio que el margen dinmicono puede llegar al valor de alimentacin debido a la tensinde saturacin que hay en el transistor.

I-A. CARACTERSTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERA-CIONAL IDEAL

En la figura 3 se representa el smbolo y la curva caracte-rstica de transferencia del amplificador operacional ideal y enla figura 3 su circuito equivalente[2].

Figura 3. Amplificador operacional ideal. a) Smbolo y curva caractersticade transferencia y b) circuito equivalente.

El amplificador operacional ideal goza de las siguientescaractersticas:

1. Impedancia de entrada infinita (Ri =). El circuito deentrada es un circuito abierto. Por tanto, no hay corrienteen ningn terminal de entrada, es decir, las corrientes depolarizacin son nulas

(I+B , I

B = 0

).

2. Impedancia de salida nula RO = 0.3. Ganancia diferencial de tensin es infinita (AV =).4. El margen dinmico VCC . No hay prdida de tensin

en la salida por saturacin de elementos.5. La Razn de rechazo en Modo comn (CMRR) es infi-

nita. Este trmino requiere una explicacin ms amplia.6. El amplificador responde igualmente a todas las frecuen-

cias (el ancho de banda es infinito).7. Tiempo de conmutacin nulo. Es decir, la salida sigue

a la entrada, no existen transitorios debido a la veloci-dad finita que presentan los transistores que hay en eloperacional.

8. Para que la tensin de salida sea nula, los dos terminalesde entrada deben estar a la misma tensin.

9. Tensin de offset nula (tensin en la entrada para quela salida sea nula).

II. CONFIGURACIONES DEL AMPLIFICADOROPERACIONAL

Para resolver circuitos con amplificadores operacionales, lassuposiciones de partida que se emplean son distintas depen-diendo del tipo de realimentacin que presente el circuito.

II-A. SEGUIDOR DE TENSIN

Su objetivo es la de acoplar las impedancias ya que en estaconfiguracin no hay ganancia.

Figura 4. Configuracin de seguidor de tensin.

Como tenemos realimentacin negativa entonces:

V (+) = V ()Por lo que:

Vo = Vi

II-B. INVERTENTE

Con esta configuracin podemos invertir (desfasar 180) laseal de ingreso y adems amplificarla.

Figura 5. Circuito del amplificador invertente.


V (+) = V () = 0VI = 0

I1 + I2 = 0

Vi V ()R1

+Vs V ()

R2= 0

V i

R1+VsR2

= 0

Vs = (R2R1

)Vi

3II-C. NO INVERTENTE

con esta configuracin podemos amplificar la seal pero nosale desfasada.

Figura 6. Circuito del amplificador no invertente.


V (+) = V () = Vi

i1 =ViR1

i2 =Vi VoR2

Tenemos que:

i1 = i2

ViR1

=Vi VoR2

Despejando Vo.

Vo = Vi

(1 +

R2R1

)Por tanto, las caractersticas que presenta este circuito

amplificador son:

Av =VoVi

= 1 +R2R1

Zi =Vii1

=

Zo = 0

II-D. SUMADOR INVERTENTE

Podemos sumar varias seales de ingreso, amplifica elresultado y la seal se desfasa 180.

Figura 7. Configuracion sumador invertente.


V (+) = V () = 0

i = i1 + i2 + i3

VoR

=V1R1

+V2R2

+V3R3

Despejando Vo.

Vo = R(V1R1

+V2R2

+V3R3

)Si R1 = R2 = R3, tenemos:

Vo =RR1

(V1 + V2 + V3)

Si R1 = R2 = R3 = R

Vo = (V1 + V2 + V3)

II-E. SUMADOR NO INVERTENTE

Suma varias seales de ingreso, amplifica el resultado perola seal sale en fase.

Figura 8. Configuracion sumador no invertente.


V (+) = V () VA = VB

VAR

=VA VoR

VA =(

R

R +R

)Vo

i = 0

i1 + i2 + i3 = 0

V1 VBR1

+V2 VBR2

+V3 VBR3

= 0

VB =R2R3V1 + R1R3V2 + R1R2V3

R2R3 + R1R3 +R1R2

Igualando voltajes.

VA = VB(R

R + R

)Vo =

R2R3V1 + R1R3V2 + R1R2V3R2R3 +R1R3 + R1R2

4Despejando Vo.

Vo =

(R + R

R

)(R2R3V1 +R1R3V2 +R1R2V3

R2R3 + R1R3 + R1R2

)Si R1 = R2 = R3 = R

Vo =

(R +R

R

)(R2V1 + R2V2 + R2V3

3R2

)

Vo =

(R +R

R

)(V1 + V2 + V3

3

)Si R = 2R

Vo = V1 + V2 + V3

II-F. DIFERENCIAL

como su nombre lo indica resta las seales de ingreso,amplifica el resultado.

Figura 9. Configuracin diferencial o restador.

V (+) = V ()

V (+) = R4i2 i2 = V2R3 + R4

V (+) =R4

R3 +R4V2

i1 =V1 V ()

R1

i3 =V () Vo

R2 i1 = i3

V () = R2R1 +R2

V1 +R1

R1 + R2Vo

V (+) = V ()

R4R3 +R4

V2 =R2

R1 + R2V1 +

R1R1 +R2

Vo

Vo =R2R1

(V2 V1)

III. MATERIALES Y HERRAMIENTAS

Los materiales y herramientas a usar se muestran en la tablaI

Cuadro IDESCRIPCIN DE MATERIALES Y HERRAMIENTAS

Materiales Cantidad CostoUA741 5 2.25

Potencimetros 5 1.25Capacitores 4 0.60Resistencias 25 0.75

Herramientas CantidadMultimetro 1

Pinza 1Fuente C.C 2NI ELVIS 1Bananas 4

Protoboard 1

IV. DESARROLLO

IV-A. AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE TENSIN

Figura 10. Amplificador seguidor de tensin.

V (+) = V ()

V (+) = Vi

V () = Vs

Vi = Vs

5Figura 11. Grfica obtenida el NI ELVIS

Figura 12. Circuito simulado en Multisim.

Figura 13. Simulacin en Multisim.

IV-B. AMPLIFICADOR INVERTENTE

Figura 14. Circuito amplificador invertente.i = 0

i1 + i2 = 0 i1 = i2ViR1

= VoR2

VoVi

= R2R1

Si R1 = 1k y una ganancia Av = 2, con esto R2 = 2k.

Figura 15. Grfica obtenida el NI ELVIS


6Figura 17. Simulacin en Multisim.

IV-C. AMPLIFICADOR NO INVERTENTE

Figura 18. Circuito amplificador no invertente.

Vi = IR1

Vo = I (R1 + R2)

Igualando corrientes.

VoVi

= 1 +R2R1

Si R1 = 1k y una ganancia Av = 4, con esto R2 = 3k.




IV-D. AMPLIFICADOR SUMADOR INVERTENTE

Figura 22. Circuito amplificador sumador invertente.

Si R1 = R2 = R = 1k, RF = 2k

Vo = RF(V1R1

+V2R2

)

Vo = RF(V1 + V2

R

)

Vo = 2 (V1 + V2)

7Figura 23. Grfica obtenida el NI ELVIS

Figura 24. Grfica obtenida el NI ELVIS, sumado +15V.

Figura 25. Grfica obtenida el NI ELVIS, sumado -15V.




8IV-E. AMPLIFICADOR SUMADOR NO INVERTENTE

Figura 29. Circuito amplificador sumador no invertente.

Si R1 = R2 = R = 1k.

Vo =

(V1 + V2

2

)(RFRA

+ 1

)

Vo =

(V1 + V2

2

)(2)

Vo = (V1 + V2)


Figura 31. Grfica obtenida el NI ELVIS, sumado +15V.

Figura 32. Grfica obtenida el NI ELVIS, sumado -15V.


9Figura 34. Simulacin en Multisim.


IV-F. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Figura 36. Circuito amplificador diferencial.

V1 (

R3R3+R4

)V2

R1+Vo

(R3

R3+R4

)V2

R2

Si R1 = R4 y R2 = R3

Vo =R2R1

(V1 V2)

Entonces con R = 1k y R2 = 10k

Vo = 10 (V1 + V2)

Figura 37. Grfica obtenida el NI ELVIS, restado +15V.

Figura 38. Grfica obtenida el NI ELVIS.


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IV-G. AMPLIFICADOR DERIVADOR

Figura 42. Circuito amplificador derivador

Vo = VR

Vo = i (t)R

Vo = icR

Vo = RC dVcdt

Figura 43. Grfica obtenida el NI ELVIS, entrada sinusoidal.

Figura 44. Grfica obtenida el NI ELVIS, con entrada triangular.

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Figura 45. Grfica obtenida el NI ELVIS, con entrada cuadrada.





IV-H. AMPLIFICADOR INTEGRADOR

Figura 50. Circuito amplificador integrador.

Vo = VC

Vo = 1Ci (t) dt

Vo = 1CRdt

Vo = 1RC

Vidt

Figura 51. Grfica obtenida el NI ELVIS, entrada sinusoidal.

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V. CONCLUSIONES

Although the attenuation is in the output of each con-figuration, the operational amplifiers are as efficient aspossible in terms of the output response.It is therefore important to emphasize that the operationalamplifiers today in day have become a tool of great help,because with them you can perform various applicationsand otherwise minimize significantly the number of ele-ments in the circuit, the ultizar items would be morediscreet .As for the calculations as shown, are not very complex,each circuit can be analyzed considering the two basicprinciples of operational amplifiers, which are the sumof the currents is equal to zero, and the voltage at themore is at least equal to the voltage.

REFERENCIAS[1] Ttulo: Unisonic Technologies co. Ltd. TDA2003, pdf online,, recurso

obtenido en la web. http://www.unisonic.com.tw/datasheet/TDA2003.pdf.[2] Ttulo: El amplificador Operacional, Tema 6, online,, recurso obte-

nido en la web. http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-6-teoria.pdf.

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VI. ANEXOS

Figura 58. Firma seguidor de tensin, invertente, no invertente.

Figura 59. Firma amplificador sumador invertente.

Figura 60. Firma amplificador no invertente.

Figura 61. Firma amplificador derivador.

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Figura 62. Firma amplificador integrador.

configuracion de operacionales

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