Trabajo Practico N2: "Amplificador Operacional en circuitos multietapas"

Trabajo Practico N2:

"Amplificador Operacional en circuitos multietapas"

Desarollo Teorico:

Objetivo del práctico:

• Analizar y comprobar, configuraciones de circuitos amplificadores de varias etapas, con circuitos integrados de amplificadores operaciones.
• Conocer las características de operación estáticas y dinámicas del amplificador operacional diferenciador.
• Analizar el funcionamiento y las limitaciones del circuito del amplificador de instrumentación.
• 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:

Una vez estudiadas las configuraciones más comunes de los amplificadores operacionales, ya están preparados para analizar circuitos más complejos que utilizan una configuración llamada amplificador de diferencia, restador o bien amplificador diferencial.

Un amplificador de este tipo responde a la diferencia entre las señales aplicadas a su entrada e idealmente rechaza señales comunes a las dos entradas(inversora y no inversora).

Aunque idealmente el amplificador diferencial solo amplificara la señal diferencia entre las entradas, Vid=Vi(+)-Vi(-) y rechazara por completo la señal de entrada en modo común Vicm los circuitos prácticos tendrán una tensión de salida Vo dado por:

Vo= Ad *Vid + Acm*Vicm

Donde Ad denota la ganancia diferencial y Acm es la ganancia de modo común (idealmente cero). La eficacia de un amplificador diferencial se mide por el grado de su rechazo a las señales en modo común en preferencia a las señales diferenciales. Esto suele cuantificarse con una medida conocida como razón de rechazo en modo común (CMRR, common modo rejection ratio) definido como:

CMRR=20 * log Ad/Acm

Con frecuencia los amplificadores de diferencia se hacen necesarios en el diseño de sistemas electrónicos, sobre todo los empleados en instrumentación. Como ejemplo común considérese un transductor que proporciona una pequeña señal (por ejemplo 1mV) entre sus dos terminales de salida mientras que cada uno de los cables qe llevan de los terminales del transductor al instrumento de medición puede tener una gran señal de interferencia (por ejemplo 1V) relacionada con la tierra del circuito. Obviamente aquí vemos la necesidad este tipo de amplificador.

En la siguiente figura se muestra la configuración de un Amplificador Operacional como Amplificador diferencial.

Analizando el comportamiento del circuito anterior, se obtiene que :

Por lo tanto igualando las corrientes:

Operando algebreicamente y despejando la tensión de salida:

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1) Dado el siguiente sistema multietapas de la figura 1:

a) Hallar la expresión de la amplificación de tensión.

b)Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, el valor de la tensión a la salida del sistema.

c)Si variamos el valor de R1 utilizando software aplicado comprobar que efectos produce en la tensión de salida.

d)¿Como podríamos obtener una ganancia de 20dB?

a) Hallar la expresión de la amplificación de tensión.

 b)Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, el valor de la tensión a la salida del sistema.

 Tensión de entrada: 0.071V

Tensión de salida:3.535V

Utilizamos el osciloscopio para comparar la tensión de salida con la de entrada, en la imagen podemos ver claramente que el circuito original sin variaciones, amplifica mucho.

 

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 100mV/Div.

 Canal B = 2V/Div. 

 c)Si variamos el valor de R1 utilizando software aplicado comprobar que efectos produce en la tensión de salida. 

Grafico ORIGINAL: 
 

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 100mV/Div.

 Canal B = 2V/Div.

Utilizamos el osciloscopio para comparar las variaciones de  la resistecia R1.

Resistencia R1 modificada a 1kOhm 

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 100mV/Div.

 Canal B = 1V/Div.

Resistencia R1 modificada a 10kOhm 

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 100mV/Div.

 Canal B = 500mV/Div. 

Conclusion: Cuanto mas chica es la resistencia R1, mayor es la amplificación a la salida. Y cuanto mas grande sea la resistencia, la amplificación del sistema total disminuye.

 d)¿Como podríamos obtener una ganancia de 20dB?

2) Dado el siguiente sistema multietapas de la figura 2:

Figura A

Figura B.

a)Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, el valor de la tensión a la salida del sistema la tensión en la entrada es senoidal y su valor pico es de 500mV.

b)Grafique con osciloscopio la señal de entrada y de salida.

c) Compruebe analíticamente.

d) Calcular la potencia en la carga Rl.

e) Verificar prácticamente realizando una simulación con sotware aplicado, la tensión de la salida en una configuración simple de acuerdo con el circuito esquemático de la figura 3.

f)Grafique con osciloscopio la señal de entrada y de salida.

g) Compruebe analíticamente. 
h)Calcular la potencia en la carga Rl2.

i) Comparar los resultados de los calculos en d) y h) y obtenga conclusiones.

a)Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, el valor de la tensión a la salida del sistema la tensión en la entrada es senoidal y su valor pico es de 500mV.

  Tensión de entrada: 0.354V

 Tensión de salida:1.414V

 b)Grafique con osciloscopio la señal de entrada y de salida.

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Verde

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 2V/Div.

 Canal B = 2V/Div. 

c) Compruebe analíticamente.

 d) Calcular la potencia en la carga Rl.

 e) Verificar prácticamente realizando una simulación con sotware aplicado, la tensión de la salida en una configuración simple de acuerdo con el circuito esquemático de la figura 3.

  

Tensión de entrada: 0.354V

   Tensión de salida: 0.707V

f)Grafique con osciloscopio la señal de entrada y de salida.

 

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 2V/Div.

 Canal B = 2V/Div.   

g) Compruebe analíticamente. 

 h)Calcular la potencia en la carga Rl2.

 i) Comparar los resultados de los calculos en d) y h) y obtenga conclusiones.
 

3) El amplificador de instrumentación es uno de los circuitos más útiles, precisos y versátiles disponibles en la actualidad. En cada unidad de adquisión de datos se encuentra al menos uno de ellos. Este circuito multietapas esta hecho de 3 amplificadores operacionales, 10 resistencias y un potenciómetro, como se observa en la figura 4, si se observa a detalle, se puede ver que este amplificador está basado en una primera etapa de un circuito aislador a partir de amplificadores seguidores permitiendo elevar la impedancia de entrada, de una segunda etapa de un circuito de amplificador diferecial básico.

a) Armar el amplificador de instrumentación mostrado en la figura 4.

b)Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, el valor de la tensión a la salida del sistema, determinando el rango de variación de este parámetro cuando variamos el porcentaje de ajuste de potenciómetro R11.

c) Grafique con osciloscopio la señal de entrada y de salida máxima y mínima.

d) Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, para el valor de tensión de salida máximo, el valor de la ganancia diferencial, deberás tener en cuenta que para realizar esta medición habrá que aplicar el teorema de superposición haciendo en este caso cero la señal V3.

e) Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, para el valor de tensión de salida máximo, el valor de la ganacia en modo común, deberás tener en cuenta que para realizar esta medición habrá que aplicar el teorema de superposición haciendo en este caso cero las señales V1 y V2.

Con los valores de las ganancias obtenidos en los puntos d) y e) determinar la razón de rechazo en modo común (CMRR, common modo rejection ratio) definido como:

.

f) Realizar un análisis teórico del circuito hallando la expresión de la tensión de salida total del sistema.

g)A partir de los resultados obtenidos y de las mediciones efectuadas redactar las conclusiones finales del presente trabajo practico.

a)Armar el amplificador de instrumentación mostrado en la figura 4.

 

b)Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, el valor de la tensión a la salida del sistema, determinando el rango de variación de este parámetro cuando variamos el porcentaje de ajuste de potenciómetro R11.

 

En continua:

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 10ms/Div.

Canal A = 5V/Div.

 Canal B = 5V/Div.

En Alterna:
Entrada:

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 500us/Div.

Canal A = 5V/Div.

 Canal B = 10mV/Div.

Salidas:

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 1V/Div.

 Canal B = 2V/Div.

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 1V/Div.

 Canal B = 2V/Div.

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 1V/Div.

 Canal B = 2V/Div.

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 1V/Div.

 Canal B = 2V/Div.

Canal A = Entrada = Señal Roja 

Canal B = Salida = Señal Azul 

Escalas utilizadas:

Timebase: 1ms/Div.

Canal A = 1V/Div.

 Canal B = 2V/Div. 

c) Grafique con osciloscopio la señal de entrada y de salida máxima y mínima.

d) Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, para el valor de tensión de salida máximo, el valor de la ganancia diferencial, deberás tener en cuenta que para realizar esta medición habrá que aplicar el teorema de superposición haciendo en este caso cero la señal V3.

e) Verificar prácticamente realizando una simulación con software aplicado, para el valor de tensión de salida máximo, el valor de la ganacia en modo común, deberás tener en cuenta que para realizar esta medición habrá que aplicar el teorema de superposición haciendo en este caso cero las señales V1 y V2.

Con los valores de las ganancias obtenidos en los puntos d) y e) determinar la razón de rechazo en modo común (CMRR, common modo rejection ratio) definido como:

 

f) Realizar un análisis teórico del circuito hallando la expresión de la tensión de salida total del sistema.

 

Reemplazamos Vx en la ecuación final de U3C y obtenemos:

 Reemplazando las tensiones de salida de los U1A y U2B obtenemos la expresión final de la tensión de salida del circuito amplificador de instrumentación que es la siguiente:

g)A partir de los resultados obtenidos y de las mediciones efectuadas redactar las conclusiones finales del presente trabajo practico.

 Comprobamos que la amplificacion  de  modo diferencial es muy elevada a comparación con la de modo común que es prácticamente igual a 0 y otra de las cosas a tomar en cuenta fue el CMRR(la relación de rechazo de modo común)que atreves de métodos analíticos pudimos comprobar que es muy elevado. 

 

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