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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA ESIME UNIDAD ZACATENCO

LABORATORIO DE SEÑALES Y SISTEMAS DE CON.CLA. Amplificadores Operacionales (PRACTICA 1)

ELABORADO POR:.

PEÑA GONZALEZ BRIAN ARMANDO. ENCARGADO POR:.

SALINAS SALINAS MARISOL. GRUPO:. 6CM11.

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Implementación teórica.

Amplificador. Circuito electrónico capas de incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa. En este sentido, se puede considerar al amplificador como un modulador de la salida de la fuente de alimentación. Concepto general de Amplificador: dispositivo para aumentar la amplitud, o potencia, de una señal eléctrica. Se utiliza para ampliar la señal eléctrica débil captada por la antena de un receptor de radio, la emisión débil de una célula fotoeléctrica, la corriente atenuada de un circuito telefónico de larga distancia, la señal eléctrica que representa al sonido en un sistema de megafonía y para muchas otras aplicaciones. Un dispositivo de amplificación de uso muy común es el transistor. Amplificador Operacional. Componente electrónico ampliamente utilizado en diversas aplicaciones de la electrónica analógica y digital. Permite realizar una amplia gama de operaciones tales como: suma, resta, integración y diferenciación. El mismo cuenta con dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor Ganancia (G).

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Estructura El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Simbología

Terminales

· V+: entrada no inversor · V-: entrada inversora · VOUT: salida · VS+: alimentación positiva · VS-: alimenta

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad. Comportamiento en corriente continua (DC) 

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 100.000V. 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 de comparador analógico]], como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será la que corresponde a la alimentación VS+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - la salida será la alimentación VS-. 

Lazo cerrado o realimentado

Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de

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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. Asimismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda. Asimismo, 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. Comportamiento en corriente alterna (AC) En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones) Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op

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Configuraciones básicas Comparador Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.

Seguidor Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.

Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin Zin = 8 Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones. Inversor Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados.

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El análisis de este circuito es el siguiente:

V+ = V- = 0 Definiendo corrientes: Para el resto de circuitos el análisis es similar. Zin = Rin Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección de Rin. Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del derivador, integrador, sumador. En sistemas microelectrónicos se puede utilizar como buffer, poniendo 2 en cascada. No inversor

Observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión. Zin = 8, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.

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Sumador inversor

La salida está invertida Para resistencias independientes R1, R2,... Rn La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Zn = Rn Restador Inversor

Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4: Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2

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Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación.

Integrador. Un circuito integrador realiza un proceso de suma llamado “integración”. La tensión de salida del circuito integrador es proporcional al área bajo la curva de entrada (onda de entrada), para cualquier instante.

El elemento realimentador en el integrador es el condensador CF. Por consiguiente, la corriente constante IF, en CF da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar CF por el lazo de realimentación. La variación de tensión en CF es

lo que hace que la salida varíe por unidad de tiempo según:

Como en otras configuraciones del amplificador inversor, la impedancia de entrada es simplemente RG Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

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Derivador Un derivador es un circuito en el que la señal de salida es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada. En otras palabras: La salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de la entrada. Una segunda modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador mostrado:

En este circuito, la posición de R y C están al revés que en el integrador, estando el elemento capacitativo en la red de entrada. Luego la corriente de entrada obtenida es proporcional a la tasa de variación de la tensión de entrada:

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De nuevo diremos que la corriente de entrada IIN, circulará por RF, por lo que IF = IIN Y puesto que VOUT= - IF RF Sustituyendo obtenemos

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

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Desarrollo de la práctica.



AMPLIFICADOR NO INVERSOR 𝑉𝑠 = (1 +

𝑅𝑓 ) 𝑉𝑒 𝑅

Donde: - Ve= 2 volts - Rf= 100 KΩ - R= 100 KΩ Sustituyendo valores 𝑉𝑠 = (1 +

100 𝐾Ω ) (2 𝑣 ) = (1 + 1)(2) 100 𝐾Ω ∴ 𝑽𝒔 = 𝟒 𝒗

 DIAGRAMA

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 RESPUESTA



AMPLIFICADOR INVERSOR 𝑉𝑠 = − (

𝑅𝑓 ) 𝑉𝑒 𝑅

Donde - Ve= 2 volts - Rf= 5 KΩ - R= 1 KΩ Sustituyendo valores 𝑉𝑠 = − (

5 𝐾Ω ) (2 𝑣 ) = −(5)(2) 1 𝐾Ω

∴ 𝑽𝒔 = −𝟏𝟎 𝒗 

DIAGRAMA

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 RESPUESTA



AMPLIFICADOR SUMADOR-INVERSOR 𝑉𝑠 = − [(

𝑅𝑓 𝑅𝑓 𝑅𝑓 ) 𝑉𝑒1 + ( ) 𝑉𝑒2 + ⋯ + ( ) 𝑉𝑒𝑛] 𝑅1 𝑅2 𝑅𝑛

Donde - Ve1= 93 mv - Ve2= 5.875 mv - Rf= 100 KΩ - R1= 18.3 KΩ - R2= 101.5 KΩ - P1=10K 15% - P2=10K 85% Sustituyendo valores

𝑉𝑠 = − [(

𝑅𝑓 𝑅𝑓 𝑅𝑓 ) 𝑉𝑒1 + ( ) 𝑉𝑒2 + ⋯ + ( ) 𝑉𝑒𝑛] 𝑅1 𝑅2 𝑅𝑛 ∴ 𝑽𝒔 = −𝟑. 𝟒𝟑𝟕 𝒗

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 DIAGRAMA

 RESPUESTA



INTEGRADOR 1 1 𝑠𝑐 𝑉𝑠 = ( ) 𝑉𝑒 = 𝑉𝑒 𝑅 𝑆𝐶𝑅

Donde - Ve= volts - C=100uF - R= 23 KΩ Sustituyendo valores 1 1 𝑉𝑠 = [( ) ( )] = 𝑠(23𝑘Ω)(100𝑢𝐹) 434.7826𝑠

∴ 𝑽𝒔 = 𝟒 𝒗

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 DIAGRAMA

 RESPUESTA

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

DERIVADOR 𝑉𝑠 = − (

𝑅 ) 𝑉𝑒 = −𝑆𝐶𝑅𝑉𝑒 1 𝑆𝐶

Donde - Ve=8 volts - C=0.1uF - R= 10 KΩ Sustituyendo valores

𝑉𝑠 = 𝑆(0.1𝑢𝐹)(10𝑘Ω)(8𝑣) ∴ 𝑽𝒔 = 𝟖𝒎𝒗 ∙ 𝑺

 DIAGRAMA

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o RESPUESTA

AMPLIFICADOR DE ERROR 𝑅𝑓 𝑅𝑓 𝑅𝑓 𝑅𝑓 𝑉𝐸 = − [( ) (𝑉𝑣𝑝) − ( ) (−𝑉𝑠𝑟)] = 𝑉𝑠𝑟 − 𝑉𝑣𝑝 𝑅𝑣𝑝 𝑅𝑠𝑟 𝑅𝑠𝑟 𝑅𝑣𝑟 Donde - Vvp=0.931v - Vsr=5.875v - Rf= 100 KΩ - Rvp=101.5 KΩ - Rsr= 18.5 KΩ Sustituyendo valores 100𝐾Ω 100𝐾Ω 𝑉𝐸 = − [( ) (0.931) − ( ) (5.875)] 18.3𝐾Ω 101.5𝐾Ω

∴ 𝑽𝒔 = −𝟑. 𝟒𝟑𝟕 𝒗 Vs= Vsr -10 * (Vvp) = 5.875 – 10*(0.931)= -3.437

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 DIAGRAMA

 RESPUESTA

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Conclusiones.



Peña Gonzalez Brian Armando El uso de los amplificadores operacionales en sistemas de control es básico, así que es vital conocer las configuraciones de las operaciones en los amplificadores. Que un amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señales normales o definidas por fabricantes. Que pueden ser manejadas por configuraciones básicas de un amplificador operacional. Y por medio de Operaciones lógicas básicas. Y que hoy en día su utilidad es indispensable, ya que es utilizado para la fabricación de productos eléctricos. Ya sean electrodomésticos, computadoras, televisores, lavadoras. Por qué se emplean también en cada una de ellas para su diseño, las operaciones básicas lógicas. Y que sin ellas no tendríamos el avance tecnológico que tenemos hoy en día y que seguiremos disfrutando.



Héctor Abisai Vázquez Villasey El propósito de los controladores es dar una salida que modifica el proceso, de tal manera que la señal de referencia y la variable de proceso sean iguales. Cualquier cambio en la referencia en la carga de proceso causara un cambio en la salida del controlador para lograr lo anterior. Toda configuración da una salida diferente, por ello es que como ingenieros aprendamos a conocer como pedirle a un amplificador operacional que cumpla con cierta demanda que nosotros requiramos del mismo.

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ERIK RODRIGUEZ REYES El uso de los amplificadores operacionales en sistemas de control es básico, así que es vital conocer las configuraciones de las operaciones en los amplificadores. Toda configuración da una salida diferente, por ello es que como ingenieros aprendemos a conocer como pedirle a un amplificador operacional que cumpla con cierta demanda que nosotros requiramos del mismo.

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Bibliografía.

Markus, John : Manual de Circuitos Electrónicos. Alfaomega, Marcombo. Millmann y Taub: Pulse Digital and and switching wave forms. Edición Cuba, 1967 Millman , Jacob: Electronic Devices and Circuits. Habana, Cuba 1967. Principios de la Electrónica – 6° Edición – 1999 Malvino – Editorial Mc Graw Hill Electrónica General – Dispositivos Básicos y Analógicos - Antonio Gil Padilla – 1989 - Editorial Mc Graw Hill. Fonseca Labaceno, MSc. Rosa Lorenza. Tesis de Maestría 2007. Artículo de la Web "Descubrimientos Famosos": Amplificador