PRACTICA 1: AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR OPERACIONAL INVERSOR
PRESENTA: SALDAÑA GONZÁLEZ JOSÉ MAR M ARÍA ÍA ABRAHAM OJEDA ISAAC ASBAI
608-A
ELECTRÓNICA Il
M.C. GENARO OCHOA CRUZ
20 DE FEBRERO DE 2012
INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TIERRA BLANCA
CONTENIDO
1. hoja de presentación……………………………………………………………… 2. Introducción……………….……………………………………………………….. 3. Objetivo general……………….……………………………………...…………... 4. Objetivos específicos………….………………………………………………….. 5. Desarrollo teórico……………….………………………………...………………. 5.1. Marco teórico………………………………………………...…………………. 5.2. Diseño………………………….………………………………………………… 5.3. Pre-reporte………………………………………………………………………. 6. Desarrollo practico………………...……………………………………………… 6.1. Material y equipo a utilizar ………………………………...………………….. 6.2. Procedimientos y resultados…………………………………………………... 7. Cuestionario……………………….…...………………………………………….. 8. Conclusiones y recomendaciones….………………………..…………………. 9. Referencias………………………………………………………………………...
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INTRODUCCIÓN Si existe un elemento estrella en los sistemas electrónicos analógicos ese elemento es sin duda el amplificador operacional. Con él podremos amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, etc. Los sistemas de control analógico encuentran en el amplificador operacional un elemento de conmutación sumamente simple e incluso años atrás fue empleado para el diseño de computadoras analógicas (de ahí el nombre de operacionales). El conocimiento a nivel básico del amplificador operacional proporciona al diseñador una herramienta de valor incalculable. Partir del amplificador operacional sin siquiera conocer el funcionamiento del transistor podría parecer un error. Esta consideración pierde importancia si tenemos en cuenta que en la actualidad el transistor como componente discreto ha quedado relegado a usos muy puntuales, siendo su coste similar al de un amplificador operacional. Ante esta situación, la respuesta correcta es disponer en primer lugar de los conocimientos necesarios para operar con amplificadores operacionales y posteriormente abordar la teoría clásica de transistor, por ser esta última más compleja. EL MODELO IDEAL Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico activo siendo capaz de ofrecer una tensión de salida en función de una tensión de entrada. Vamos a considerar única y exclusivamente el amplificador operacional ideal, que aun no existiendo en la vida real, es una aproximación muy precisa y perfectamente válida para el análisis de sistemas reales. Un amplificador operacional presenta cinco patillas. Dos de ellas son las entradas del dispositivo; la primera de ellas llamada entrada inversora se halla indicada en los esquemas con un signo menos, la otra denominada entrada no inversora se indica mediante un signo más. Otro de las patillas del amplificador operacional corresponde a la salida del dispositivo
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TIERRA BLANCA mientras que las dos restantes corresponden a la alimentación requerida por el dispositivo (±Vcc). Una vez nos hemos familiarizado con las patillas podemos pasar a indicar las características de un amplificador operacional. Debido a que en ningún momento entraremos en el diseño interno del circuito deben ser asumidas. Recordamos una vez más que son características teóricas, si bien las reales se aproximan a las teóricas: Ancho de banda infinito (podemos trabajar con señales de cualquier frecuencia). Tiempo de conmutación nulo Ganancia de tensión infinita. Impedancia de entrada infinita. Impedancia de salida nula. Corrientes de polarización nulas. Tensión de desplazamiento nula (si bien no es estrictamente cierto, diremos que la diferencia de potencial entre las entradas inversora y no inversora nula). Margen dinámico ±Vcc (la tensión de salida puede a nivel teórico alcanzar el valor de la tensión de alimentación, en la práctica se aproxima pero no puede ser igual ya que se producen saturaciones en el dispositivo).
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OBJETIVO GENERAL Comprender el uso y funcionamiento del amplificador operacional (LM741C) como inversor, y sus aplicaciones básicas, para la construcción de circuitos electrónicos que requieran el uso de este dispositivo.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Comprender la configuración del amplificador operacional inversor. Hacer los cálculos matemáticos para la obtención de los resultados Realizar la simulación del circuito en el software Multisim para comparar los resultados teóricos. Realizar físicamente el circuito para verificar lo sucedido con instrumentos de medición.
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DESARROLLO TEÓRICO MARCO TEÓRICO Amplificador inversor. El amplificador inversor es quizás el montaje más utilizado de los amplificadores operacionales. Su función es la de invertir la señal de salida con respecto a la entrada, o lo que es lo mismo, desfasarla 180º. Esto es importante para aquellas señales senoidales donde hay que cuidar su fase. Por el contrario, en las tensiones continuas, el valor de salida tendrá el signo cambiado con referencia a la entrada. Análisis matemático. En los amplificadores operacionales se da la siguiente igualdad:
: Corriente circulante por la resistencia : Corriente circulante por la resistencia Esta igualdad se debe al cortocircuito virtual, que indica que en la entrada negativa del amplificador
no entra corriente alguna.
Aplicando la Ley de Ohm se puede extraer fácilmente la corriente por la resistencia extremos de
, teniendo en cuenta que la caída de potencial en los
será igual a la tensión de entrada
Del mismo modo que se obtiene la corriente ELECTRONICA II
que circula
.
se puede extraer el valor de la
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TIERRA BLANCA tensión de salida en
, es decir, aplicando la Ley de Ohm. La caída de potencial
es la misma que
, por todo esto se deduce que:
Agrupando términos se obtiene la fórmula final con la que se calcula el valor de la tensión de salida
en función de la tensión de entrada
las resistencias operacional.
y
y de la relación entre
que componen en lazo cerrado del amplificador
La ganancia de tensión se define como la relación existente entre la tensión de salida y la de entrada, por tanto:
La impedancia de entrada
del inversor vendrá dada por la siguiente fórmula:
Viendo la fórmula se concluye que la impedancia de entrada inversor
viene
determinada
La impedancia de salida
por
el
valor
del amplificador óhmico
de
se define como: para
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TIERRA BLANCA Donde se obtiene
Es por este motivo por el que se considera nula la impedancia de salida La resistencia
se calcula a partir del paralelo del
y
, es decir:
El fin de es igualar en la medida de lo posible las corrientes de entrada del operacional en estado de reposo.
En la Figura se encuentra el esquema de un circuito amplificador inversor en el que se aprecia una realimentación negativa y la señal de entrada VE se introduce a través de la resistencia R1, estando el terminal + del amplificador operacional directamente conectado a tierra. Los parámetros a medir en el amplificador, tanto inversor como no inversor, son los siguientes: Ganancia, tanto teórica (GT) como real (GR). Es el factor de amplificación del circuito.
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TIERRA BLANCA Frecuencia de corte (fc). Es el valor de la frecuencia de la señal de entrada VE para la cual la ganancia real del amplificador se reduce en un factor de 2 respecto de la ganancia real original. Por lo tanto, la frecuencia de corte fc es aquella para la que la ganancia real del amplificador queda reducida a GRcorte = GR/ √2 • Ancho de banda (B). Una vez obtenida la frecuencia de corte superior para el amplificador, se puede medir la frecuencia de corte inferior fi, de forma que la ganancia cae en un factor 2. La diferencia entre la frecuencia de corte superior y la inferior representa el ancho de banda del amplificador. En esta práctica se supondrá que fi = 0.
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DISEÑO Diagrama esquemático del circuito del amplificador operacional en su configuración como inversor.
Diagrama de la configuración del opamp en Multisim
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PRE-REPORTE A continuación se muestran las simulaciones de la forma de onda en Multisim del amplificador operacional configurado como inversor, mostrando el comportamiento de la entrada y su salida. En estas simulaciones veremos el comportamiento de las señales, y comprobaremos que el voltaje de salida esta desfasado 180°con respecto del voltaje de entrada.
Forma de la onda del voltaje de entrada (1V.) antes de pasar por el opamp.
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Forma de la onda del voltaje en la salida del opamp (-2.7).
Comparación del voltaje de entrada con el voltaje de salida(1v/-2.7v)
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DESARROLLO PRÁCTICO MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR Componentes: 1 Amplificador operacional (lm741c) 1 resistencia de 10 kΩ 2 resistencias de 27 kΩ Cable utp Equipo de prueba: Multímetro Osciloscopio Tablero de experimentos(protoboard)
Software: Multisim 10 (simulación de circuitos electrónicos) Fritzing (diseño electrónico)
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PROCEDIMIENTOS Y RESULTADOS
1. primero se desarrollan los cálculos teóricos, para saber que es lo que sucede idealmente con los valores dados en el diagrama electrónico del opamp. Los datos a calcular serán la corriente (I), voltaje de salida (Vo), ganancia (A), corriente de carga (IL) y corriente de salida(Io). 1 I= = = 0.0001 10000Ω Vo =
− −27000Ω = 1 = −2.7 10000Ω
A=
− −27000Ω = = −2.7 10000Ω
=
2.7V = = 0.0001 27000Ω
= + = 0.0001 + 0.0001 = 0.0002
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TIERRA BLANCA 2. Después de tener los resultados teóricos comprobamos armando el circuito físicamente como se muestra en el esquema virtual elaborado en el software frintzing.
2.1. el circuito se montara en un tablero de experimentos (protoboard) Se coloca el amplificador operacional (LM741C) en la parte central del protoboard de manera horizontal. En el pin 2(entrada inversora) se conecta la resistencia Ri de 10 kΩ que a su ves esta conectada a la alimentación del voltaje de entrada de 1V. El pin 3(entrada inversora) se conecta a tierra física. La resistencia Rf de 27 k Ω se conecta al pin 2 y al pin 6(salida del opamp) En el pin 6 también se conecta la resistencia RL de 27kΩ, que su vez esta va a tierra. El pin 7 se alimenta con 15 V. El pin 4 se alimenta con -15 V. Por ultimo se mide el voltaje de salida con un multímetro, y el valor coincide con los obtenidos en la simulación y los calculados teóricamente.
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Fotografía del circuito físico del amplificador operacional como inversor.
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CUESTIONARIO 1.-Mensione usted cual es la función del amplificador inversor: R=su función es la de invertir la señal de salida con respecto a la entrada, o lo que es lo mismo, desfasarla 180º. 2.- ¿Para que señales es importante invertir la señal o desfasarla? R=para aquellas señales senoidales.
3.- ¿cual es la igualdad de los amplificadores operacionales?, explique cada uno de ellos. :: Corriente circulante por la resistencia : Corriente circulante por la resistencia 4.- Mencione algunos parámetros a medir en un amplificador inversor y no inversor • Ganancia, tanto teórica (gt) como real (gr). • Frecuencia de corte (fc). • Ancho de banda (b). 5.- ¿Que es frecuencia de corte? R=Es el valor de la frecuencia de la señal de entrada ve para la cual la ganancia real del amplificador se reduce en un factor de 2 respecto de la ganancia real original. por lo tanto, la frecuencia de corte fc es aquella para la que la ganancia real del amplificador queda reducida a grcorte = gr/ √2
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante. El A.O es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo de tierra (o el punto de referencia que se considere). Se debe de tener mucho cuidado al introducir una corriente (i) ya que podríamos se podría ocasionar el mal funcionamiento del componente o llegar a quemar el mismo. Al momento de medir se recomienda colocar adecuadamente en instrumento de medición el los pines correspondientes para asegurarse de una correcta medición, si se tiene el datasheet mucho mejor.
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REFERENCIAS Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, 5ta edición, Pearson Educación, 1999, p.p. 48. Circuitos electrónicos con amplificadores operacionales: problemas, fundamentos teóricos y técnicas de identificación y análisis, Juan José González de la Rosa, 3ra edición, Marcombo, 2001,p.p. 22.
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