Trabajo Práctico N° 5: “Aplicaciones no lineales de los amplificadores operacionales”

Objeto:

1.    * Analizar las características alineales de los amplificadores operacionales en aplicaciones electrónicas de consumo e industriales.
2.  *Dibujar la respuesta de salida de un circuito detector conociendo la señal de entrada.  
3.  *Analizar el funcionamiento de los circuitos limitadores y recortadores.
4.  *Buscar para los diseño de los circuitos las soluciones practicas que mejor se adapten a las consignas del presente trabajo practico.
5.   *Presentar el informe del TP correctamente en tiempo y forma.

       1. En el limitador representado en la figura 1 los diodos zeners son idénticos (02DZ4.7)

Si Vi es una señal triangular de 5Vp 100Hz.

a)      Dibujar el circuito en MULTISIM.

b)      Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

c)       Simular el circuito y analizar los resultados obtenidos.

d)      Representar la señal de salida Vo(t).

a) 

b) Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

Este circuito funciona básicamente como un operacional inversor al que se le añaden de forma paralela a la resistencia de realimentación 2 diodos zener conectados de forma opuesta entre sí.Cuando el semiciclo positivo atraviesa esos diodos, el primero está conectado en directa y el segundo en inversa, la salida de tensión es entonces igual a la suma de las tensiones en los diodos:
0,7V + 4,7V = 5,4V (debido a que es un inversor el valor de tensión sería de -5,4V)
Al cambiar la tensión de entrada al semiciclo negativo ocurre lo mismo que antes pero la tensión de salida sería positiva.

c) Simular el circuito y analizar los resultados obtenidos.

 Al simular el circuito, y observando los valores de tensión de entrada y salida mostrados en el punto d), podemos comprobar que el circuito cumple efectivamente con su propósito: mantiene la tensión de salida en el valor que brindan los diodos, pero con una pequeña consideración: la caída de tensión que el multisim le otorga al diodo en inversa es de 1V, por lo tanto los niveles de tensión de salida son de +/- 5,7V.
Al cambiar de semiciclo la señal de entrada la tensión de salida adopta, mediante una pequeña curva, el valor máximo que tenga el semiciclo positivo; y así cambia constantemente.

d)Señales de entrada y salida, del circuito:

        2. .En el siguiente circuito recortador de la figura 2 los diodos son idénticos y de silicio 1N914.

Suponiendo que: Vi (t)= 5V.sen 6280.t

a)      Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

b)      Simular el circuito en MULTISIM.

c)       Representar Vo (t).

 a) Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

La intensidad circula por R1 y atraviesa el nodo de tierra virtual, ahí es cuando el hemiciclo positivo entra por la inversora polarizando en directa al diodo 1 y en inversa al diodo 2, cuando pasa el hemiciclo negativo el diodo 1 queda en inversa y el diodo 2 queda polarizado en directa. Cabe aclarar que el diodo que este en directa va a ser por el cual circule la mayor intensidad de corriente, pasando muy poca por la R2. En la salida pasa por R3 y de ahí cae en la masa. La V1 y la V2 alimentan al integrado y forman una fuente partida..

b)

 

   3.     El circuito de la figura 3 representa un circuito amplificador limitador.

a)      Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

b)      Observar los cambios de la señal de salida cuando se produce una variación de las tensiones de referencia mediante los potenciómetros R8 y R9 de 1 de 1KΩ.

c)       Dibujar  el circuito esquemático con  valores comerciales.

d)      Simular el circuito en MULTISIM.                    

     Este es un circuito inversor solamente que se conecta con un puente rectificador controlado por 2 potenciometros. Al variar el potenciometro al 100% su Vpp es de 1,21V mientras que en el 0% posee una Vpp de 5,26V .      

La variacion de tensión es lineal con respecto a los potenciometros. El pico constante en la salida se debe al puente rectificador.

El buffer en la salida hace las veces de "separador" de circuitos, permitiendo conectar otro circuito sin que haga de carga para el primero.

R8 Y R9 = 0%

 R8 Y R9 = 25%

  R8 Y R9 = 50%

  R8 Y R9 = 75%

 R8 Y R9 = 100%

s        b )

Se desea implementar un rectificador de precisión de manera que con una señal de control podamos seleccionar que sea positivo o negativo.

a)      Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.    
      El circuito siguiente es un rectificador de media onda 

   La señal del circuito es la siguiente

Le agregamos un operacional inversor y algunas resistencias para que sea un rectificador de precisión.

Colocamos a la salida un amplificador inversor de G=1

 (0dB), conectado con el circuito principal mediante un 

switch bidireccional al que se le aplica una señal de 

control para controlar el semiciclo en que se encuentra 

la salida,pudiendo ocurrir estas 2 variantes:

• Cuando la señal de control es de nivel alto, se cierra el circuito e invierte el signo de la salida, ubicandose en el semiciclo positivo.
• Cuando la señal de control es de nivel bajo, se abre el circuito y mantiene el signo de la salida, ubicandose en el semiciclo negativo.

b)      Los cálculos de diseño con la función transferencia de cada etapa del circuito.

          T(s) = Rf/Rin = 1K /1K = 1

 c)   Dibujar el circuito esquemático con valores comerciales.

    

d)      Simular el circuito en MULTISIM

 4.       El siguiente circuito de la figura 4 es un detector de valor pico positivo.

a)      Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

El circuito representado en la figura es un detector de valor pico positivo con salida negativa. Básicamente este circuito monitorea los valores pico de la señal de entrada manteniendo este valor constante hasta encontrar un nuevo valor de mayor tensión, tiene la posibilidad de poder ser reestablecidocomparacion.
El funcionamiento de este circuito se realiza en dos partes que resultan de la combinacion de una A.O U1A en configuracion de rectificador de media onda no inversor positivo y un circuito amplificador operacional U1B en configuracion de circuito integrador.
La red de realimentación del sistema es activa y esta formada por R5,R2,R3,C3,C2 y U1B. La ganancia total del sistema es Av= - R5/R1.
La llave en paralelo con C2 permite la reposicion a cero del circuito para comenzar un nuevo ciclo de medición en el caso de requerir grandes periodos de tiempo de memorizacion es fundamental utilizar A.O con FET de entrada.

b)      Los cálculos de diseño con la función transferencia de cada etapa del circuito.

          Av = -R5 /R1

c)       Dibujar el circuito esquemático con valores comerciales.

d)      Simular el circuito en MULTISIM.

       En esta figura observamos que  la señal de salida           va decreciendo cada vez que la señal de entrada va aumentando 1volt.Luego observamos que llego a su Vmax y nos dimos cuenta que alcanzo su punto limite y no decrece mas.

Trabajo Practico Nº4 "Amplificador Integrador y Derivador"

Objetivos:

• Determinar la respuesta en frecuencia para  las configuraciones de los amplificadores  operacionales integrador y derivador.
• Reconocer la gráfica de respuesta en frecuencia de los circuitos ideales y reales utilizando el Bode Plotter.
• Calcular el ancho de banda BW con las mediciones efecutadas en la simulacion con software aplicado.
• Determinar los efectos de una red RC sobre diferentes formas de ondas generadas por un generador de funciones,  usando circuitos integrador y derivador activos.

 Sofwware aplicado:

• Multisim, Proteus

Fundamento teorico:
Las aplicaciones de circuitos con amplificadores operacionales que se han estudiado en el trabajo practico anterior con circuitos RC en las rutas de alimentacion y de retroalimentacion limitan la respuesta en frecuencia, pero estos circuitos dependiendo como se alimenten y o realimenten podemos hacer que integren o deriven la señal de entrada.


El integrador con amplificador operacional inversor:
Al colocar un capacitor en la ruta de realimentacion y un resistor en la entrada se obtiene el circuito de la figura 1(A). Ahora  se demostrara que este circuito realiza la operacion matematica de integracion.


Analizando este circuito tendremos que como todo amplificador inversor la entrada inversora tenemos tierra virtual, por lo tanto:

FIGURA A


La corriente i1 fluye por el capacitor C haciendo que se cargue. Si se supone que el circuito comienza aen su operacion en el tiempo t=0 el voltaje en C será:

Ahora reemplazando y teniendo en cuenta que Vo(t)=-Vc(t) por lo tanto:

De esta manera el circuito a la salida proporciona una tensión proporcional  a la integral de tiempo de la entrada, Vc es la condición inicial de integración y C.R. la constante de tiempo del integrador.


De manera alterna, la operacion del circuito integrador puede escribirse en el dominio de la frecuencia al sustituir en el dominio de "s" para obtenerse la funcion transferencia:

En el caso de frecuencia fisicas, s = Jw y:

Por lo tanto la transferencia del integrador tiene magnitud y fase:

En la figura 1 (b) se representa la gráfica de respuesta en frecuencia de este circuito en la que se puede visualizar que a medida que se duplica la frecuencia de entrada (es decir una octava) la magnitud se reduce en 6dB (20dB/dec).


La comparación de un circuito integrador con la una red STC ya vistas se comporta como un filtro pasa bajo. Tenga en cuenta que cuando la transferencia de tensión es igual a uno, obtenemos la frecuencia del integrador y es simplemente la inversa de la constante de tiempo:

Tenga en cuenta también que cuando la frecuencia es igual a cero la magnitud del integrador tiende a infinito, esto se indica que como en operación de corriente continua el C opera como un circuito abierto por lo tanto el funcionamiento de la red de realimentacion del operacional esta a lazo abierto. En la practica esto no significa que a la salida tendremos una tensión infinita, si no que se saturara a un valor cercano a la tensión de alimentación.


En la practica este problema lo solucionaremos como muestra el circuito de la figura 2 conectando en paralelo con el capacitor una resistencia. Por lo tanto en continua la ganancia del circuito queda limitado por el valor de 1 + Rf / R
De esta manera especifica, queda la función transferencia como:

El derivador con amplificador operacional inversor
Si se intercambian la ubicacion del capacitor y el resistor de circuito integrador, se obtiene el circuito de la figura 3 (a), que realiza la operacion matemática de diferenciación.


Para  ver como funciona, hágase que la entrada sea una función que varia con el tiempo vi (t) y tome en cuenta que la tierra virtual en el terminal inversor de entrada, por lo tanto esta tensión aparecerá a través del capacitor. Por lo tanto la corriente en el capacitor sera C por l a derivada de la señal de entrada como se demuestra a continuación:

Por lo tanto como la tensión de es salida es:

Reemplazando tendremos:

La funcion transferencia en el dominio de la frecuencia del circuito derivador se encuentra a sustituir en la ecuacion anterior en dominio de "s" Z1(s) = 1/s.C y Z2(s) = R1 para obtener:

Que, en el caso de frecuencias fisicas s = Jw, produce

Por lo tanto la transferencia del derivador tiene magnitud y fase:

La grafica de Bode de la respuesta en magnitud de representa en magnitud un amplificador derivador se muestra en la figura 3(b), al considerar un aumento de una octava en la frecuencia la magnitud se duplica (aumentado 6dB). Por lo tanto, la grafica es simplemente una recta de pendiente +6dB/octava (o su equivalente 20dB /dec) interceptando en la ganancia unitaria 0dB en la frecuencia w = 1 /C.R  donde C.R es la constante de tiempo del diferenciador.
La respuesta en frecuencia del diferenciador se identifica como la de un filtro STC pasa altos con una frecuencia de fase en infinito. Por ultimo se debe tener en cuenta que la propia naturaleza de este circuito hace que sea un magnificador de ruido. Esto se debe al sobre pico introducido en la salida cada vez que se produce un cambio importante en la tensión de entrad. En el circuito practico le hemos puesto un resistor en serie con el capacitor de entrada convirtiéndolo en un cirucito derivador no ideal.


Desarrollo practico


1) Determinación de la respuesta en frecuencia para un circuito integrador con amplificador operacional inversor.
a) Dibujar el circuito de la figura 1 utilizando software aplicado.

B y C) Mediante la utilizacion del "Bode Plotter" graficar la respuesta en frecuencia de Magnitud, para un rango de 1hz a 100KHz. Seleccione la escala vertical de la ganacia desde 0dB a 30dB. Determinar la frecuencia de corte y el ancho de anda(marcar dichos valores en la curva de respuesta en frecuencia)

Fcs =159,731Hz
BW = 159,731Hz
d) Mediante la utilización del "Bode Plotter" graficar la respuesta en frecuencia de Fase, para un rango de 1Hz a 100KHz. Seleccione la escala lineal del angulo de la fase desde 90° a 180°.

e) Determinar el valor de la fase a la frecuencia de corte a 100Hz, a 1Khz, y a 5Khz.

100Hz

1KHz

5KHz

f) Calcular analíticamente la expresion de la transferencia de tension en el circuito integrador practico. ¿Cual es el comportamiento de este circuito en función de la frecuencia ?

2) Analisis del comportamiento del circuito integradir con diferentes funciones en el dominio del tiempo.
a) Dibujar el cirucito de la figura 2 utilizando software aplicado.

b) Aplicar una señal de onda cuadrada con el generador de funciones de 100hz y una amplitud de 1Vp. Observar las formas de onda de entrada y salida con el osciloscopio. Graficar la señal de entrada en el Canal A y compararla con la señal de salida en el Canal B, hacer comentarios.
Indique las escalas del osciloscopio

FEV CH A: 5 V/DIV
FEV CH B: 5 V/DIV
FEH: 10 ms/ DIV
c) Repetir las mediciones del punto b) con una onda cuadrada de 1Khz y 5Khz y graficar las formas de onda.

1KHz:

FEV CH A: 1 V/DIV
FEV CH B: 1 V/DIV
FEH: 1 ms/ DIV

5KHz

FEV CH A: 1 V/DIV
FEV CH B: 1 V/DIV
FEH: 200 us/ DIV

d) Repetir las mediciones del punto b) con una onda triangular de 1Khz y 5Khz y graficar las formas de onda.

1KHz

FEV CH A: 500 mV/DIV

FEV CH B: 500 mV/DIV

FEH: 1 ms/ DIV

5KHz

FEV CH A: 500 mV/DIV
FEV CH B: 500 mV/DIV
FEH: 200 us/ DIV


e) Indique los rangos en que el circuito integra y marquelos en la curva de respuesta en frecuencia.

3) Determinación de la respuesta en frecuencia para un circuito derivador con amplificador operacional inversor:
a) Dibujar el circuito de la figura 3 utilizando software aplicado.

b) Mediante la utilizacion del "Bode Potter" graficar la respuesta en frecuencia de Magnitud, para un rango de hz a 20Khz. Seleccione la escala vertical de la ganacia desde 0dB a 50dB.

c) Determinar la frecuencia de corte y el ancho de banda (marcar dichos valores en la curva de respuesta en frecuencia).

d) Mediante la utilizacion del "Bode Potter" graficar la respuesta en frecuencia de Fase, para un rango de 1hz a 20khz. Seleccione la escala lineal del angulo de la fase desde 0° a -180°.

e) Determinar el valor de la fase a la frecuencia de corte a 100Hz, a 1Khz, y a 5Khz.

100Hz

1KHz

5KHz

f) Calcular analiicamente la expresion de la transferencia de tension en el circuito integrador practico. ¿Cual es el comportamiento de este circuito en función de la frecuencia ?

4) Analisis del comportamiento del circuito derivador con diferentes funciones en el dominio del tiempo.
a) Dibujar el circuito de la fugara 4 utilizando software aplicado.

b) Aplicar una señal de onda cuadrada con el generador de funciones de 100hz y una amplitud de 1Vp. Observar las formas de onda de entrada y salida con el osciloscopio. Graficar la señal de entrada en el Canal A y compararla con la señal de salida en el Canal B, hacer comentarios.
Indique las escalas del osciloscopio

c) Repetir las mediciones del punto b) con una onda cuadrada de 1Khz y 5Khz y graficar las formas de onda.

1KHz

5KHz

d) Repetir las mediciones del punto b) con una onda triangular de 1Khz y 5Khz y graficar las formas de onda.

1KHz

5KHz

e) Indique los rangos en que el circuito integra y marquelos en la curva de respuesta en frecuencia.

10KHz

 15KHz

 20KHz

f) Redacte las conclusiones finales del presente trabajo practico.
En este trabajo practico aprendimos a determinar la respuesta en frecuencia de los a.o integrador y derivador, y también a usar el bode plotter.
Aparte calculamos analíticamente la expresión de la transferencia de tension en el circuito integrador y del derivador