Trabajo Practico N1 "Amplificadores Operacionales en configuraciones basicas"

Trabajo Practico Nº 1:
“Amplificador Operacional en configuraciones básicas”:

Desarollo Teorico:

Objetivos del Practico:
•Analizar y comprobar las configuraciones básicas, de circuitos amp. lineales, con circuitos integrados de amplificadores operacionales.
•Conocer las características de operación estáticas y dinámicas del amp. Operacional ideal.
•Analizar el funcionamiento y las limitaciones del amp. Operacional lineal.
•Comprobar la experiencia haciendo uso de un programa de simulación (Multisim, Proteus), adquiriendo destrezas en el manejo de mediciones con software aplicado.
•Comprender el funcionamiento de los circuitos realimentados.

Software aplicado:
•Multisim
•Proteus

Fundamento teórico:

El amp. Operacional es un dispositivo activo, multiterminal, con una ganancia muy elevada. En su interior hay un conjunto de transistores y resistencias que hacen difícil el análisis del circuito interno. los estudios se centran en determinar su función de transferencia, la relación de voltaje de salida respecto al voltaje de entrada. Para nuestros análisis se utilizara el amp. A741, que viene encapsulado en un formato de 8 pines, que en determinadas circunstancias, puede comportarse como una fuente de tensión controlada con una ganancia muy elevada. En la cara superior del dispositivo hay un punto marcado que sirve de referencia para identificar el pin 1; el resto se nombran en sentido contrario a las agujas del reloj.

Las funciones de cada una son:

1. Ajuste a cero
2. Entrada inversora(-)
3. Entrada no inversora(+)
4. Polarización negativa hasta -15V.
5. Ajuste a cero
6. Salida
7. Polarización positiva hasta +15V.
8. Sin conexiones.



Dentro de las configuraciones básicas, tenemos la configuración inversora.



Analizando el comportamiento del circuito anterior, se obtiene que.

Vo = - (Vi * Rf)/Rin

Siendo la ganancia del circuito:

Vo/Vi = -( Rf / Rin)

,Y Vi, Vo, las tensiones de entrada y salida.

En la figura siguiente se muestra la configuración de un AO como dispositivo lineal: el amplificador No inversor.



Al analizar el comportamiento del circuito anterior, se obtiene que:

Vo = (Vi / R1) * (R1 + R2)

Siendo la ganacia del circuito:

Vo / Vi = (R1 + R2) / (R1)
, y Vi, Vo, las tensiones de entrada y salida.

Aplicando los conocimientos obtenidos podemos encontrar otras configuraciones básicas que parten de la configuracion inversora y no inversore, estas son las que se detallan a continuación.

Configuración Amplificador seguidor de tensión o "BUFFER".
Esta configuracion parte de un amplificador No inversor con la siguiente relacion de resistencias.

R1 = infinita R2 = 0




En este caso el valor de la tension de salida:

Vo = Vi * (1 + R2 /R1)

Vo = Vi

En la figura siguiente se muestra una figura con el Amp. Op. Utilizando como amplificador inversor sumador.





Analizando las corrientes de entrada y de realimentacion tenemos:

I1 = V1 / R1 I2 = V2 / R2

In = Vn / Rn I4 = 0

If = - Vo / Rf

En esta configuracion, la relacion entre la salida y la entrada esta dada por:

I1 + I2 + ... + In = I4 + If

Reemplazando el valor de cada corriente y despejando hallamos la tension de salida:

V1 / R1 + V2 / R2 + ... + Vn / Rn = (- Vo / Rf)

Vo = - ( V1 * Rf/R1 + V2 * Rf/R2 + ... + Vn * Rf/Rn)


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Curiosidades:

Tabla de Características Ideales y Reales



Estructura interna del 741:

Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta.

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:

Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial.
Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.
Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos.




Desarollo Práctico:

1) En el circuito de la fig. 1 representa un AO no inversor:
a) Compruebe prácticamente utilizando software aplicado el valor de la corriente Ix.
b) Grafique la señal de entrada y de salida, utilizando instrumental especifico.
c) Determine el valor de la tensión de salida y halle el valor de la ganacia.
d) Justifique analiticamente y obtenga conclusiones.



a)Compruebe prácticamente utilizando software aplicado el valor de la corriente Ix.

Ix : 0.236mA



b) Grafique la señal de entrada y de salida, utilizando instrumental especifico.

Señal de entrada:

Escalas:
Timebase: 1ms/Div
Canal 1: 1V/Div


Señal de salida:


Escalas:
Timebase: 1ms/Div
Canal 1: 1V/Div

c) Determine el valor de la tensión de salida y halle el valor de la ganacia.



Av = Vo / Vi

Av = 6,715V / 0,353V

Av = 19,02

d) Justifique analiticamente y obtenga conclusiones.

Este circuito funciona como un amplificador no inversor por que:
El terminal positivo esta conectado a un generador de funciones, a diferencia de un amp. inversor.

Conclusiones: Con este circuito vimos las señales de entrada y salida (en las cuales se puede observar una muy grande diferencia), calculamos su ganancia, y medimos con el multisim sus valores de corriente, comprobando el funcionamiento del AO no inversor.


2) Para las configuraciones circuitales que se dibujan a continuacion en la fig. 2, utilizando Amp. Operacionales de tres terminales virtuales (OPAMP_3T_VIRTUAL) representar en un gráfico la corriente IL en funcion de la Vi (variando el potenciómetro), obteniendo conclusiones:

2) a)


Cuando tenesmos R1 y R2 con el mismo valor podemos ver que la relacion entre la Vi y la IL son parecidas.

2) b)



Ahora podemos ver de vuelta que la relacion entre Corriente y Tension es la misma, pero en este caso la tabla esta inversa en sus valores con respecto a la anterior.

3) Para el circuito de la fig. 3 utilizando Amp. Operacionales de tres terminales virtual (OPAMP_3T_VIRTUAL):

a) Hallar la expresión de la corriente I3 a través de R3.
b) Compruebe prácticamente utilizando software aplicado el valor de la corriente I3.
c) Si V1=500mV, R1= 1k, R2=R3=R4=10K, ¿Cuánto vale I3 y cuál es el sentido de circulación?




a) Hallar la expresión de la corriente I3 a través de R3.

b) Compruebe prácticamente utilizando software aplicado el valor de la corriente I3.

I3= 0.741mA

c) Si V1=500mV, R1= 1k, R2=R3=R4=10K, ¿Cuánto vale I3 y cuál es el sentido de circulación?



4) Dado el circuito de la figura 4 utilizando Amp. Operacionales de tres terminales virtual (OPAMP_3T_VIRTUAL):

a)Verificar prácticamente el valor de las corrientes y de la tensión a la salida del sistema.
b)Teniendo en cuanta las mediciones trate de escribir las ecuaciones de los nodos "A" y "B" y deduzca la expresion de la amplificación de tensión.
c)Si reemplazamos la pila por un generador de señal tal como se muestra en la fig. 5 variamos el valor de P1 utilizando software aplicado comprobar que efectos produce en la tensión de salida medida con osciloscopio.
d)Con las variaciones del potenciometro determine el valor de la tensión mínima y máxima hallando los valores de la ganancia de tensión mínima y máxima.
e) ¿Cómo podríamos obtener una ganancia de tensión de 20dB?

a)Verificar prácticamente el valor de las corrientes y de la tensión a la salida del sistema.


b)Teniendo en cuanta las mediciones trate de escribir las ecuaciones de los nodos "A" y "B" y deduzca la expresion de la amplificación de tensión.



c)Si reemplazamos la pila por un generador de señal tal como se muestra en la fig. 5 variamos el valor de P1 utilizando software aplicado comprobar que efectos produce en la tensión de salida medida con osciloscopio.


Escala:
Timebase:1ms/Div
Canal A: 1V/Div
Canal B: 1V/Div


d)Con las variaciones del potenciometro determine el valor de la tensión mínima y máxima hallando los valores de la ganancia de tensión mínima y máxima.


e) ¿Cómo podríamos obtener una ganancia de tensión de 20dB?



5) En el circuito de la fig. 6 reprsenta un AO sumador inversor con LM741:
a)Compruebe prácticamente utilizando software aplicando el valor de la corriente que circula por R3.
b)Mida las señales de entrada y salida utilizando osciloscopio y grafique las señales utilizando el programa "Grapher".



c) Con el valor de la tensión de salida determine el valor de la ganacia.
d)Justifique analíticamente y obtenga conclusiones.

a)Compruebe prácticamnte utilizando software aplicando el valor de la corriente que circula por R3.

I3= 1.414mA

b)Mida las señales de entrada y salida utilizando osciloscopio y grafique las señales utilizando el programa "Grapher".

Color verde: Señal de entrada
Color rosa: Señal de salida

c) Con el valor de la tensión de salida determine el valor de la ganacia.


Vi = 0.707V
Vo = 1.414V



d)Justifique analíticamente y obtenga conclusiones.
Conclusion:
Este circuito es un amplificador inversor.


6) Dado el circuito de la figura 7 utilizando Amp. Operacionales de tres terminales virtual:
a)Verificar prácticamente el valro de las corrientes y de la tension a la salida del sistema.
B) Teniendo en cuenta las mediciones trate de escribir las ecuaciones del los nodos "A" y "B" y deduzca la expresion de la amplificaciones de tensión.
c)Si reemplazamos la pila por un generador de señal tal como se muestra en la fig.8 y variamos el valor de R6 y R7 utilizando software aplicado comprobar que efectos produce en la tensión de salida medida con osciloscopio.
d)¿Cómo podríamos obtener una ganancia de 20 dB?



a)Verificar prácticamente el valro de las corrientes y de la tension a la salida del sistema.

Corrientes:

I1:0.750mA



I2:0.500mA



I3:0.250mA



I4:0.250mA



Tensión de salida: -0.250V



B) Teniendo en cuenta las mediciones trate de escribir las ecuaciones del los nodos "A" y "B" y deduzca la expresion de la amplificaciones de tensión.




c)Si reemplazamos la pila por un generador de señal tal como se muestra en la fig.8 y variamos el valor de R6 y R7 utilizando software aplicado comprobar que efectos produce en la tensión de salida medida con osciloscopio.


Escala:
Timebase:1ms/Div.
Canal 1(entrada):2V/Div.
Canal 2(salida):2V/Div.

d)¿Cómo podríamos obtener una ganancia de 20 dB?(Corregido)

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Con este primer trabajo aprendimos lo basico de Amplificadores Operacionales.

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Programas utilizados en el T.P Nº1:

• Multisim(para simulacion de circuitos y representacion de señales)
• MathCAD(programa para escribir las formulas matematicas)
• WinSnap(para capturar la imagen de la pantalla)
• Y Microsoft Word(usado para comodidad del trabajo en grupo).

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Bibliografia del Desarollo teorico:

• Apuntes
• Wikipedia