practica 7 de amplificadores operacionales

Practica No. 7

Ttulo: CARACTERISTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Fecha:10 de Noviembre del 2014

INSTITUTO TECNOLGICO

DE LEN

(Ingeniera en ElectrnicaDiodos y Transistores.Practica 7: CARACTERISTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Elabora:Nicole Sols GonzlezOsvaldo Snchez MuozAsesoro:ING. Miguel ngel Vzquez Olgun Len Gto. A 10 de noviembre del 2014)

OBJETIVO:

Verificar de manera experimental las caractersticas diferentes entre el LM741 y TL081

INTRODUCCION:

En la dcada de los cuarenta, las calculadoras analgicas utilizaban circuitos electrnicos analgicos para realizar ciertas operaciones. La complejidad que presentaban se solucionaba al tomar una parte de la seal de salida e introducirla en la entrada (realimentacin). El nombre de amplificador operacional proviene precisamente de ser usado inicialmente para realizar operaciones analgicas.

Cuando el AO se realimenta, el circuito trabaja en bucle cerrado. Cuando no existe realimentacin, opera en condiciones de lazo abierto.

Por medio de redes de componentes pasivos (resistencias, condensadores, bobinas) se consigue una gran variedad de funcionalidades (inversor, no inversor, seguidor, sumador, integrador, etc.), respondiendo el sistema a la configuracin adoptada y a los valores de los componentes, sin que afecten las variaciones en las caractersticas del AO. Es decir, el sistema es independiente de la dispersin de las caractersticas del AO debido a los procesos de fabricacin.

MARCO TEORICO:

El Amplificador Operacional (AO) integrado (CI) est constituido bsicamente por dos etapas de ganancia de voltaje (una entrada diferencial y una etapa de emisor comn) seguida por una etapa de salida clase AB de baja impedancia. Un diagrama simplificado de este circuito integrado es mostrado en la Fig. 1. Esta versin de un AO integrado es equivalente a un AO de propsito general, similar al LM101, uA 741, o versiones de AO mltiples, Este circuito permite entender el funcionamiento interno del CI (figura 1).

Figura 1. Diagrama interno del amplificador operacional.

La etapa de entrada conformada por Q1 y Q2 forman un par diferencial con carga activa formada por Q3 y Q4.

La salida se toma desde el colector del transistor Q4. Por otro lado, Q10 proporciona una polarizacin adecuada para el par diferencial. En la mayora de los AO, la etapa intermedia (2a etapa) proporciona una alta ganancia a travs de varios amplificadores, en el circuito de la Fig. 1, dicha tapa est formada por Q5 la cual es un circuito en emisor comn que proporciona una alta impedancia de entrada a la primera etapa (la que atena los efectos de carga). Adems, esta etapa tiene un capacitor Cc el cual es utilizado por el AO para compensacin en frecuencia. Finalmente, la etapa de salida est conformada por Q7 y Q8, la que proporciona una alta ganancia de corriente a una baja impedancia de salida. Existen muchas variantes y mejoras al circuito mostrado, como lo es, modi.car el par diferencial y utilizar transistores JFET en la entrada, que permite el incremento de la resistencia de entrada del AO, adems, la incorporacin de otras etapas de amplificacin interna, trasladadores de nivel y circuitos de proteccin. Cada AO posee rasgos particulares, los que se encuentran especificados en las hojas de especificacin (Datasheet) de los manuales (Data Book) proporcionados por los fabricantes. Estas contienen caractersticas de los AO para determinadas condiciones de operacin, indicados en forma de tabla o en gr.cos en conjunto con aplicaciones tpicas para el dispositivo.

El op-amp (Figura 2) es un dispositivo que funciona en modo diferencial. En funcionamiento lineal la tensin de salida es igual a la diferencia de las tensiones de entrada multiplicada por la ganancia, verificando:

Vout=Ad(V+-V-)=AdVd Ecu. 1

Figura 2: amplificador operacional.

EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

El Amplificador Diferencial dispone de dos seales de entrada (aplicadas a los terminales inversor y no inversor), produciendo una tensin de salida proporcional a la diferencia

Entre las tensiones de entrada. (Ver figura 3).

Figura 3. Amplificador diferencial.

Notacin:

La diferencia entre las tensiones de entrada se llama tensin de entrada diferencial Vid.

La ganancia diferencial (Ad) es la ganancia del amplificador.

La tensin de entrada de modo comn (Vicm) es la media de las tensiones de entrada (vase la figura 4).

Figura 4. Deferencia entre las tensiones de entrada.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL. DEFINICIN DE TERMINALES

Todas las diferencias de potencial son con respecto a masa.

Dispone de dos terminales de entrada y uno de salida.

Y dos terminales para conexin de alimentacin +Vcc y Vcc.

El A.O. solo tiene dos zonas de funcionamiento: Lineal: la salida toma valores comprendidos entre +Vcc y Vcc. Saturacin: la tensin de salida adquiere el valor de los dos valores de alimentacin +Vcc Vcc.

La operacin que siempre realiza el A.O. Ecu. 2.

V0 = AV (V1 V2) = AV . Vin Ecu 2.

Figura 5.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL Y REAL

Caractersticas AO real (u741)

Caractersticas AO ideal:

Zi=100MOhm

Avo=100000

Zo=40 Ohm.

W

D [1Hz, 1MHz]

Impedancia entrada (Zi) infinita.

Ganancia en bucle abierto (Avo) infinita para la entrada diferencial.

Ganancia nula para la seal en modo comn.

Impedancia de salida (Zo) nula.

Ancho de banda WD infinito.

Ausencia de desviacin de caractersticas con la temp.

Figura 6. Circuito del 741

Figura 7. Circuito del amplificador ideal.

Tabla 1. Comparativa de los parmetros reales e ideales del amplificador operacional.

ALIMENTACION DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Al menos es necesario aplicar una fuente de alimentacin continua, pudiendo ser las dos fuentes de tensin iguales pero de signo contrario respecto a masa (alimentacin simtrica), o diferentes (alimentacin asimtrica).

La seleccin de los valores de tensin de alimentacin y el tipo de alimentacin depende de la aplicacin en la que deba trabajar.

Las dos alimentaciones representan los lmites del rango de valores posibles de la tensin de salida del amplificador operacional, es decir, nunca la salida podr alcanzar el valor de tensin dado por la fuente de alimentacin.

Se debe tener en cuenta que muchas veces no se muestran explcitamente las conexiones con las fuentes de alimentacin en los esquemas de circuitos electrnicos.

Figura 8. Diagrama donde se representa la alimentacin del amplificador operacional.

Parmetros de amplificador operacional.

Ganancia de lazo abierto Av

La diferencia ms significativa entre el AO ideal y el real es la ganancia de tensin en lazo abierto, tambin conocida como ganancia diferencial. Mientras AO ideal tiene ganancia infinita, la ganancia AO real es infinita y adems disminuye a medida que aumenta la frecuencia de trabajo. La ganancia de tensin se especi.ca en decibeles.

Ecu. 3

La ganancia es alta para entradas cuya frecuencia flucta entre c.c. y 10 KHz aproximadamente, para luego empezar a decaer. Esta frecuencia de corte vara de acuerdo al tipo de AO, para el caso de la Fig. 2, la alta ganancia se mantiene hasta los 100Hz, decayendo a medida que aumenta la frecuencia.

Errores de desplazamiento (Offset) de tensin y corriente.

El AO ideal es un dispositivo balanceado, es decir:

Ecu. 4

Figura 9. Respuesta de frecuencia del A.O.

En cambio, el AO real tiene un desajuste, debido a que los transistores que lo componen, especialmente los transistores del amplificador diferencial de entrada (Q1 y Q2), no son exactamente pareados. Esto implica que se producen desajustes en los valores de de los transistores, lo cual trae como consecuencia variaciones en los valores de las corrientes de entrada. Como los flujos de corrientes son distintos en los terminales de entrada, aparecen diferencias en las tensiones base emisor de los transistores del par diferencial. Tambin una variacin en las resistencias de colector, producir un desequilibrio. El resultado final es un desajuste entre los colectores del amplificador diferencial, que se manifiesta en un voltaje

Vo de salida distinto de cero. El desbalance producido se conoce como voltaje offset o voltaje de desplazamiento. Para solucionar este problema, se requiere de la aplicacin de un voltaje de compensacin entre los terminales de entrada, para balancear la salida del amplificador (anulacin del voltaje de offset). A parte de los desajustes propios de construccin de los AO, existen otros tales como los producidos por variaciones de temperatura y cambios en las tensiones de alimentacin. Para medir y especi.car la compensacin de offset del AO, se proponen tres parmetros, el Vio, IB e Iio.

Tensin de desplazamiento (Offset) en la entrada (Vio)

En el AO real si ambas entradas son conectadas a tierra, la salida es distinta de cero, pues existe una pequea tensin de desplazamiento. Esta tensin en la entrada, llamada Vio; se de.ne como la tensin de entrada necesaria para que la salida sea igual a cero. Si este valor es distinto de cero, el AO amplificar cualquier desplazamiento en la entrada, provocando un error grande en corriente continua en la salida.

Figura 10. Modelacin del Vio

Este parmetro es independiente de la ganancia del AO, y su polaridad puede ser positiva o negativa. El efecto del voltaje Vio, se modela como una fuente de tensin continua en una de las entradas del AO ideal.

Corriente de polarizacin de entrada (IB).

Las entradas del AO ideal no requieren corriente, sin embargo, en el caso real ingresa una corriente de polarizacin en cada terminal de entrada. Esta corriente IB (la letra B corresponde a la abreviacin Bias) es la corriente de base del transistor de entrada, que se de.ne como la semisuma de las corrientes de entradas individuales de un AO balanceado de acuerdo a la ecuacin (5). La corriente de polarizacin de entrada se puede modelar como dos fuentes de corrientes como se indica en la Figura 11.

Ecu. 5.

Figura 11. Modelacin de IB

Amplificador operacional

IB

AO de propsito general

2[A]

Entrada JFET

1[pA]

Instrumentacin

3 - 6 [nA]

Tabla 2. Valores tpicos de IB para diferentes AO.

Parmetros relacionados con la respuesta en frecuencia.

El AO real no tiene ancho de banda (BW) infinito. En los AO reales, el ancho de banda comienza en la frecuencia cero y llega hasta la frecuencia de corte superior fc (frecuencia a la cual la ganancia disminuye en 3dB), sta depende del tipo de AO y de la ganancia de lazo cerrado.

Figura 13. Respuesta en frecuencia del AO (curva de lazo abierto).

La respuesta en frecuencia del AO en lazo abierto se indica en la Fig. 13, donde Ao es la ganancia mxima tambin llamada ganancia de corriente continua o ganancia en baja frecuencia. Si el AO es realimentado, ya sea una configuracin inversora o no inversora, la ganancia disminuye y la frecuencia de corte aumenta.

Producto Ganancia - Ancho de Banda (GBP)

Es el producto de la ganancia en lazo abierto disponible y el ancho de banda a una frecuencia espec.ca. En gran parte de los AO (compensados internamente en frecuencia) cuya respuesta en frecuencia cae con una pendiente de 20 dB/dec, el GBP se considera constante. Este parmetro est ligado a la frecuencia a ganancia unidad (ft) y en algunos casos son la misma cosa. Cuando se trabaja a ganancia unitaria, el GBP es igual al ancho de banda.

AO

GBP [MHz]

LM 41

1

Tl081

3

Tabla 3.GBP para distintos A.O.

Rise Time (tr)

Es el tiempo que se demora la seal de salida en ir desde 10% hasta el 90% de su valor final, bajo condiciones de pequea seal y en lazo cerrado. Se de.ne en base a la respuesta de una entrada escaln y se relaciona con el ancho de banda a travs de (6).

Ecu. 6

El tr est dado para ganancia unitaria, as el ancho de banda calculado recibe el nombre de GBP o frecuencia ganancia unitaria (ft).

Slew Rate (SR)

La respuesta debida a un escaln no es ideal. Si se quiere llevar la salida entre dos extremos, la respuesta del amplificador no es instantnea. La velocidad que toma la salida en ir desde un extremo a otro es la que se conoce como razn de cambio o slew rate y est medida en .

Amplificador operacional.

S.R. .

Lm741

0.3

Tl081

13

Tabla 4. SR para distintos AO.

Comnmente el SR se relaciona con el ancho de banda de potencia, fp, que se de.ne como la frecuencia a la cual una seal senoidal de salida, a una tensin predeterminada, comienza a distorsionarse. Si vo = V sen2fpt, donde V es la amplitud mxima de salida, el ancho de banda de potencia se de.ne como la habilidad para entregar el mximo de voltaje de salida con incremento de frecuencia.

Relacin de rechazo en modo comn (CMRR)

Mide la habilidad de un AO para rechazar seales en modo comn. Si la misma seal alimenta a la entrada inversora como a la no inversora de una configuracin diferencial, la salida vo debiera ser cero, sin embargo, debido a la componente en modo comn esto no ocurre. La capacidad de atenuar esta componente es lo que se conoce como CMRR y comnmente se expresa en decibeles (dB).

Ecu. 7

Donde, Ad, es la ganancia diferencial y Acm es ganancia en modo comn.

AO

CMRR[dB]

Propsito general

70

Entrada JFET

100

Instrumentacin

120

Tabla 5. CMRR para diferentes AO.

Resistencia de entrada (rin)

Es la resistencia vista desde un terminal de entrada con la otra entrada puesta a tierra. Esta vara para cada AO.

A.O.

rin

Propsito general (Entrada bipolar)

1 - 2 [M]

Entrada JFET

1012 []

Instrumentacin (OP-07)

3.3 [M]

Tabla 6. rin para diferentes AO.

Resistencia de salida (ro)

Es la resistencia vista desde el terminal de salida. Este parmetro se de.ne bajo condiciones de pequea seal con frecuencias por encima de algunos cientos de hertz.

AO

ro

Propsito general (Entrada bipolar)

75 []

Instrumentacin (OP-07)

60 []

Tabla 7. ro para distintos AO.

Output voltage swing (_Vo max, Vop).

Dependiendo de la resistencia de carga, este es el mximo peak de salida en voltaje que el AO puede entregar sin saturarse o recortar la seal.

Encapsulado y cdigo de identificacin.

El AO se fabrica de un pequeo chip de silicio y se encapsula en una caja adecuada que puede ser de metal, plstico o cermica.

Figura 14. (a) Encapsulado Metlico. (b) Encapsulado DIP (8 terminales). (c) SOIC. (d) Encapsulado PLCC.

La Fig. 14 muestra los diferentes tipos de encapsulado. El encapsulado DIP (Dual Inline Package Encapsulado en doble lnea) de 8 pines (terminales) indicado en la Fig.14b, puede ser cermico o plstico, mirado desde arriba una muesca o punto identi.ca el terminal 1. La distancia entre terminales es de 0.1 pulgadas (2.5mm aprox). Los AO encapsulados en componentes ms pequeos son llamados de montaje superficial (SMT-Surface-Mounted Technology), se distingue el encapsulado SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) cuya distancia entre terminales es 0.05 pulgadas (1.27mm). Los distintos formatos se encuentran indicados en la Tabla XII. El formato PLCC (Plastic Lead Chip Carriers) o chip con encapsulado de plstico se muestra en la Fig. 14d.

Cdigos De Identificacin

Cada tipo de AO tiene un cdigo de identificacin de letra y nmero, que permite saber el fabricante, el tipo de amplificador, de que calidad es y que encapsulado tiene. No todos los fabricantes utilizan el mismo cdigo, pero la mayora utiliza una identificacin que consta de cuatro

Partes escritas en el orden indicado en la Fig. 15.

P.L.

Nm. Cto

S.L

Cd. Esp Mil

Figura 15. Especificacin de los cdigos de los A.O.

Donde:

P.L. (Pre.jo de Letras): Son dos letras que identifican al fabricante.

Figura 16. Identificacin del fabricante.

Nm. Cto. (Nmero del Circuito): Se compone de tres a siete nmeros y letras que identifican el tipo de AO y su intervalo de temperatura.

Cdigo

Intervalo de Temperatura

C

Comercial

I

Industrial

M

Militar

Tabla 8. Intervalo de temperatura.

S.L. (Su.jo de Letras): Indica el tipo de encapsulado

Que contiene al AO, puede ser de una o dos letras. Example 1: _A 741CP, Amp. Op. De propsito general Fairchild, con intervalo de temperatura comercial y encapsulado de plstico.

Nota: Conceptos previos vase prctica 6 y antecesoras.

MATERIAL Y EQUIPO:

-Osciloscopio

-Generador de funciones

-Fuente de voltaje

-Multmetro

-Protoboard

-Resistencias de 100k y 1M

-Potencimetros de 10k y 1K

-LM741

-TL081

ANALISIS TEORICO:

DESARROLLO:

Todos los pasos mostrados a continuacin fueron seguidos para el LM741 y el TL081

Corrientes de polarizacin.

Armamos circuito mostrado a continuacin en el protoboard.

Figura 15.

Medimos el voltaje en la resistencia R3 Y R1 y calculamos sus respectivas corrientes tomando en cuenta el sentido que nos indicaba el Multmetro.

Figura 16.

Impedancia de entrada.


Figura 17.

En el lugar de R1 conectamos 3 resistencias de 1M para poder igualar nuestra resistencia con la impedancia de entrada; en el momento en el que el voltaje en R1 fuera de 2.5 v es cuando las impedancias son iguales.

Nos dimos cuenta que la impedancia de entrada es ms grande que la proporcionada en la hoja de datos de los 2 circuitos y procedimos a calcularlas.

Figura 18.

Impedancia de Salida.


Figura 19.

En el lugar de R1 conectamos un potencimetro de 1K para poder igualar nuestra resistencia con la impedancia de entrada; en el momento en el que el voltaje en R1 fuera de 2.5 v es cuando las impedancias son iguales.

Figura 20.

Voltaje de offset


Figura 21.

Medimos el voltaje en la salida del amplificador y luego conectamos un potencimetro con sus patas laterales a la 1 y 5 respectivamente del amplificador. Ajustamos el potencimetro a un valor con el cual nuestro voltaje de salida sea 0.

Ganancia.


`

Figura 22.

Configuramos el osciloscopio con una frecuencia de 100Hz y 2v pico.

LM741:

Figura 23.

TL081:

Figura 24.

Slew Rate


Figura 25.

Configuramos el osciloscopio con una frecuencia de 100Hz y 2v pico.

Lm741:

Figura 26.

TL081:

Figura 27.

CMRR.


Figura 28.

PRIMER CIRCUITO:

Ganancia diferencial Ad = (V+-V-)/Vo

SEGUNDO CIRCUITO:

Ganancia comn Ac = 0.5 (V++V-)/Vo

CMRR = 20Log10 (Ad/Ac)

RESULTADOS PRCTICOS Y COMPARACIN TERICO-PRCTICA:

Corrientes de polarizacin.

R1

R3

DATASHEET

TL081

2.3mA

2.1mA

2.5mA

LM741

4.7mA

4.5mA

1.7mA

Impedancia de entrada.

POT

DATASHEET

TL081

104M

LM741

84M

2M

Impedancia de salida.

POT

DATASHEET

TL081

64

N/E

LM741

92.2

N/E

Voltaje de offset.

voltaje medido inicial

Valor en el pot para reducirlo a 0

DATASHEET

TL081

1.2mV

87.6k

100k

LM741

3.4mV

9.3k

10k

Ganancia.

MEDICION

DATASHEET

TL081

200

LM741

200

Slew rate.

MEDICION

DATASHEET

TL081

16 V/s

LM741

0.5V/s

CMRR.

AD

AC

CMRR calculado

DATASHEET

TL081

86dB

LM741

90dB

CONCLUSIONES:

Osvaldo:

Gracias a esta interesante practica pudimos observar y comprobar todos los parmetros del amplificador operacional que vimos durante las clases tericas, esto nos sirve para poder comprender mejor estos parmetros, ya que llevndolas a la prctica se puede dar un mejor aprendizaje por parte del alumno. Tambin se observo que como toda cosa real siempre hay prdidas y no se puede comprobar algunos parmetros vistos en clase en forma ideal. Fue una buena idea usar diferentes configuraciones en las conexiones del Amplificador operacional ya que as pudimos ver por ejemplo la pendiente y tiempo de establecimiento en respuesta transitoria as como la relacin de rechazo al modo comn, la impedancia de entrada, slew rate entre otros.

El AO real tiene una ganancia de lazo abierto de aproximadamente 100 dB, la cual decrece a medida que aumenta la frecuencia, luego, el ancho de banda es finito, y depender bsicamente de la ganancia realimentada de trabajo. El AO tambin presenta errores de corriente continua, es decir, si v+ = v-, la salida es distinta de cero, esto se conoce como offset, el cual se debe reducir o compensar sobre todo para aplicaciones de alta ganancia. Las causas de offset son Vio, IB e Iio.

Todos estos parmetros, ms los relacionados con las caractersticas nominales del circuito integrado deben ser considerados para su ptimo funcionamiento.

Nicole:

BIBLIOGRAFIA:

FLOYD, Thomas L; Dispositivos Electrnicos; 8 Edicin; Ed. Prentice Hall; Mxico 2008.

BOYLESTAD, Robert &Nashelsky, Louis; Electronic Devices and Circuit Theory; 7 Edition, Ed. Prentice Hall; USA 1998.

BERLIN, Howard M; Experiments in Electronic Devices; 3 Edition, Prentice Hall; USA 1992.

U1

741

3

2

4

7

6

51

VCC

15V

VCC

VEE

-15V

VEE

R1

100k

2

R2

1M

R3

100k

0

0

1

4

U1

741

3

2

4

7

6

51

XMM1

0

V1

5 V

0

VCC

15V

VCC

VEE

-15V

VEE

1

R1

200

32

U1

741

3

2

4

7

6

51

XMM1

0

V1

5 V

0

VCC

15V

VCC

VEE

-15V

VEE

R1

200

0

3

1

U1

741

3

2

4

7

6

51

VCC

15V

VCC

VEE

-15V

VEE

0

0

U1

741

3

2

4

7

6

51

VCC

15V

VCC

VEE

-15V

VEE

0

XSC1

A

B

Ext Trig

+

+

_

_

+

_

0

0

1

XFG1

3

0

U1

741

3

2

4

7

6

51

VCC

15V

VCC

VEE

-15V

VEE

XSC1

A

B

Ext Trig

+

+

_

_

+

_

XFG1

0

3

1

0

U1

741

3

2

4

7

6

51

VCC

15V

VCC

VEE

-15V

VEE

R1

100k

R2

100k

R3

100k

2

R4

100k

3

0

V1

0.5 V

4

V2

0.4 V

5

0

0

XMM1

1

0

U1

741

3

2

4

7

6

51

VCC

15V

VCC

VEE

-15V

VEE

R1

100k

R2

100k

R3

100k

2

R4

100k

3

0

V2

0.5 V

0

XMM1

1

0

5

practica 7 de amplificadores operacionales

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