Informe Lab 4.docx

LABORATORIO # 4 AMPLIFICADORES OPERACIONALES 1.- Objetivos: •

Realizar el estudio y síntesis de un amplificador operacional

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mostrar aplicaciones y realizar el diseño de circuitos con amplificadores operacionales

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compara las respuestas teórico-práctico con distintas configuraciones basadas en los amplificadores operacionales.

2.- analizar la configuración interna de un amplificador operacional explicando sus módulos, además del comportamiento ideal y real.Un amplificador operacional es un amplificador diferencia con una ganancia muy alta, con elevada impedancia de entrada (por lo general del orden de los mega ohms) y una impedancia de salida baja (menos de 100 ohms). Los usos más típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios de amplitud de voltaje, osciladores, circuitos de filtros y otros tipos de circuitos de instrumentación. En la figura 1 se muestra un amplificador operacional básico con dos entradas y una salida

La entrada positiva (+) produce una salida que está en fase con la señal aplicada, por lo que se denomina entrada no inversora, en cambio de entrada negativa (-) da como resultado una salida de polaridad opuesta, denominada entrada inversora. En la figura 2 se muestra el circuito equivalente en AC del amplificador operacional

Como se muestra, en la de entrada aplicada entre las terminales de entrada se ve como una impedancia de entrada Ri, el voltaje de salida se muestra como la ganancia del amplificador multiplicada por la señal de entrada tomada a través de una impedancia de salida Ro. En la figura 3 se muestra el circuito del amplificador operacional ideal

Tendría impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero y una ganancia de voltaje infinita. Una de las características más importantes de una conexión de circuito diferencial, como la que proporciona un amplificador operacional, es la habilidad del circuito para amplificar en escalas grandes señales que son opuestas en las dos entradas. Un amplificador operacional proporciona un componente de salida que se debe a la amplificación de la diferencia de las señales aplicadas a la entrada con signo más y menos, y un componente debido a las señales comunes en ambas entradas. Cuando se aplican entradas separadas al amplificador operacional, la señal diferencial resultante es la diferencia entre las dos entradas. Vd = V1-V2

Calculando la ganancia en modo diferencial tenemos: Ad = Vo/Vd La figura 4 muestra la operación de entrada en modo diferencial

Cuando ambas señales de entrada son la misma, un elemento común de señal debido a las dos entradas puede definirse como el promedio de la suma de las entradas. Vc = ½(v1+v2) Calculando la ganancia en modo común tenemos: Ac = Vo/Vc La figura 5 muestra la operación de entrada en modo común

Configuración interna.

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:

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Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencia.

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Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.

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Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos.

Etapa de entrada Sistema de corriente constante Las condiciones de reposo de la etapa de entrada se fijan mediante una red de alimentación negativa de alta ganancia cuyos bloques principales son los dos espejos de corriente del lado izquierdo de la figura, delineados con rojo. El propósito principal de la realimentación negativa (suministrar una corriente estable a la etapa diferencial de entrada) Amplificador diferencial

El bloque delineado con azul es un amplificador diferencial. Q1 y Q2 son seguidores de emisor de entrada y junto con el par en base común Q3 y Q4 forman la etapa diferencial de entrada. Además, Q3 y Q4 actúan como desplazadores de nivel y proporcionan ganancia de tensión para controlar el amplificador clase A. También ayudan a mejorar la máxima tensión Vbe inversa de los transistores de entrada (la tensión de ruptura de las junturas base-emisor de los transistores NPN Q1 y Q2 es de 7 V aproximadamente, mientras que los transistores PNP Q3 y Q4 tienen rupturas del orden de 50 V. Etapa de ganancia clase A El bloque delineado con magenta es la etapa de ganancia clase A. El espejo superior derecho Q12/Q13 carga esta etapa con una corriente constante, desde el colector de Q13, que es prácticamente independiente de la tensión de salida. La etapa consiste en dos transistores NPN en configuración Darlington y utiliza la salida del espejo de corriente como carga activa de alta impedancia para obtener una elevada ganancia de tensión. El condensador de 30 pF ofrece una realimentación negativa selectiva en frecuencia a la etapa clase A como una forma de compensación en frecuencia para estabilizar el amplificador en configuraciones con realimentación Circuito de polarización de salida El bloque delineado con verde basado en Q16 es un desplazador de nivel de tensión (o multiplicador de Vbe); un tipo de fuente de tensión. En el circuito se puede ver que Q16 suministra una caída de tensión constante entre colector y emisor independientemente de la corriente que lo atraviesa. Si la corriente de base del transistor es despreciable, y la tensión entre base y emisor (y a través de la resistencia de 7.5 kΩ) es 0.625 V (un valor típico para un BJT en la región activa), entonces la corriente que atraviesa la resistencia de 4.5 kΩ será la misma que atraviesa 7.5 kΩ, y generará una tensión de 0.375 V. Esto mantiene la caída de tensión en el transistor, y las dos resistencias en 0.625 + 0.375 = 1 V. Esto sirve para polarizar los dos transistores de salida ligeramente en conducción reduciendo la distorsión "crossover" Etapa de salida La etapa de salida (delineada con cian) es un amplificador seguidor de emisor push-pull Clase AB (Q14, Q20) cuya polarización está fijada por el multiplicador de Vbe Q16 y sus dos resistencias de base. Esta etapa está controlada por los colectores de Q13 y Q19. Las variaciones en la polarización por temperatura, o entre componentes del mismo tipo son comunes, por lo tanto la distorsión

"crossover" y la corriente de reposo puede sufrir variaciones. El rango de salida del amplificador es aproximadamente un voltio menos que la tensión de alimentación, debido en parte a la tensión Vbe de los transistores de salida Q14 y Q20. La resistencia de 25 Ω en la etapa de salida sensa la corriente para limitar la corriente que entrega el seguidor de emisor Q14 a unos 25 mA aproximadamente para el 741. La limitación de corriente negativa se obtiene sensando la tensión en la resistencia de emisor de Q19 y utilizando esta tensión para reducir tirar hacia abajo la base de Q15. Versiones posteriores del circuito de este amplificador pueden presentar un método de limitación de corriente ligeramente diferente. La impedancia de salida no es cero, como se esperaría en un amplificador operacional ideal, sin embargo se aproxima a cero con realimentación negativa a frecuencias bajas. Tabla de comportamiento Real e ideal del amplificador operacional

PARAMETRO

VALOR IDEAL

VALOR REAL

Zi

∞

1MΩ

Zo

0

100Ω

Bw

∞

1MegHz

Av

∞

100000

3.- analizar la tabla de datos teóricos, simulación y prácticos, con los valores obtenidos de ganancias y datos de polarización. Explicar las divergencias existentes.

Amplificador

Circuito

Filtro activo

restador Amplitud de

Frecuencias

salida [V]

central [KHz]

Teórico

4.5

30

Simulación

5

28

integrador

Ancho de banda [KHz] 14

Voltaje referencia [mV] 2.32

Practico

4.78

32

15

3.4

Comparando los resultados teóricos, prácticos y de simulación observamos que hubo más precisión en el circuito amplificador restador, debido a la exactitud en los valores de las resistencias utilizadas, en cambio en los demás circuitos hubo menos precisión debido a que trabajamos con valores aproximados, también debemos tomar en cuenta los valores comerciales, las tolerancias existentes, los errores en las mediciones y las fallas en los equipos 4.- mostrar las graficas correspondientes de los circuitos. Explicar las variaciones existentes entre lo práctico lo teórico y simulación. •

Circuito restador.-

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En el circuito restador se pudo evidenciar una muy leve variación entre lo práctico y la simulación esto debido a la correcta elección de resistencias pero la variación existente es debido a la falla en el instrumento de medición como el utilizado en este caso que fue el voltímetro. •

Circuito filtro

Graficas del circuito.-

Las variaciones existentes son debidas a las fallas en los instrumentos de medición como el osciloscopio la utilización de valores aproximados en las resistencias el efecto de calentamiento en las resistencias que producen perdida de energía.

Circuito integrador

Las variaciones se deben a la precisión de los equipos la tolerancia de los componentes, la utilización de componentes ideales en simulación

5.- Detallado de conclusiones •

Se realizó el análisis y estudio del amplificador operacional, comprendimos su funcionamiento y configuración interna además de diseñar tres aplicaciones básicas.

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En los laboratorios realizados se pudo comprobar que una amplificador operacional es un elemento de precisión al cual de lo debe complementar con un correcto diseño en términos de resistencias, corrientes y voltajes para que exista un funcionamiento sin variaciones ni diferencias entre lo teórico, practico y simulado o para que esta variaciones y diferencias sean mínimas.