Reporte - El Amplificador Operacional

Electrónica con Laboratorio I

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICO - MATEMÁTICAS - BUAP

Práctica 8: El amplificador Operacional Practice 8: The Operational Ampli fier Manuel Delfin Mendoza, Ivan Hernandez Gutierrez Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Av. San Claudio y 18 Sur, C. U. San Manuel, Apdo 165, Puebla 72000, México *Corresponding author: manueldel fi [email protected], [email protected], [email protected]

Fecha de entrega: 25 de Junio de 2016

Resumen Se hace un análisis de los amplificadores operacionales, estudiando la ganancia que estos pueden dar de acuerdo a la manera en que se cambian las resistencias que hay en el circuito. Se estudia la configuración inversora, y la no inversora

Abstract

It was done an analysis of operational Amplifiers, studying the gain that these devices can give according to the resistors that exist in the circuit. We study the inverse and No-inverse configuration

I. INTRODUCCIÓN El amplificador operacional (OP-AMP) es un dispositivo muy versátil sátil y de gran aplicación en electrónica electrónica analógica, analógica, el objeto objeto de este dispositivo electrónico, es elevar el valor de la tensión, corriente o potencia de una señal variable en el tiempo, procurando mantenerla lo más fiel posible. Tiene la característica de poseer una alta ganancia, alta impedancia de entrada, una entrada inversora y una no inversora (Figura 1). Estos dispositivos son llamados “Operacionales” debido debido a que se utilizan para realizar operaciones operaciones aritméticas, tales como la suma, la resta, la multiplicación, e incluso derivadas e integrales con señales electrónicas [2]. El mas usado es el LM741 (Figura 2) que tiene una ganancia típica de 200. La ganancia típica de estos amplificadores se determina por medio de un par de resistencias [1].

Figura 3: Bu ff er er

En este caso la salida proporciona la misma tension que la de entrada, es decir:

V sal = V ent

(1)

normalmente se usa como adaptador de impedancias Para el caso de la configuración Inversora se tiene la figura 4

Figura 1: Símbolo electrónico Ampli ficador Operacional

Figura 4: Amplificador Operacional Operacional en configuración inversora

Se dice que es inversor porque la forma de la señal de salida es igual a la de la señal de entrada pero con la fase invertida 180o . Esta descrita por la siguiente ecuación:

Figura 2: Diagrama de LM741

Existen Existen varias configuraciones para los ampli ficadores operacionales, algunas de ellas son el bu ff er, er, el Amplificador Inversor, el no-inversor, el sumador, el restador entre otros Para el caso del Bu ff er er la conexiones se realizan como la figura 3

V sal = −

R f

V Rin ent

Para el amplificador no inversor se tiene la fi gura 5:

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(2)



II. MATERIALES Y MÉTODOS Los materiales que se usaron fueron los siguientes: OP-AMP LM741 Resistencias R1=1K

Ω

Potenciometro R2 = 100 k Figura 5: Amplificador Operacional en configuración no inversora

Rf Rin

)V ent

Fuente de voltaje dual Generador de funciones

la configuración esta descrita por medio de la ecuación: V sal = (1 +

Ω

(3)

Se pueden realizar operaciones con el Amp-op, por ejemplo para sumar señales, se tiene la con figuración de la figura 6:

Osciloscopio Protoboard Potenciometro de 10 K

Ω (o ff set

nulling)

Multímetro Se construyeron los circuitos de la figura 8a y 8b. Se aplico una señal de 200 mV pp y 1khz en la entrada para cada con figuración

Figura 6: Amplificador Operacional como sumador Su comportamiento viene descrito por: V V V V sal = −Rf ( 1 + 2 + ... + n ) R 1 R2 Rn

(4)

(a) Filtro Pasa-Bajas

para el caso de restar las señales se tiene la fi gura 7

(b) Filtro Pasa-Altas

Figura 8: Circuitos Realizados Se midió el voltaje de salida para los valores de la resistencia R 2 igual a 1 k Ω , 5 k Ω , 10 k Ω , 20 k Ω , 30 k Ω , 40 k Ω y 50 k Ω . Se busco comprobar los resultados experimentales con los teóricos Para los cálculos teóricos del primer circuito (Ampli ficador inversor) se uso la ecuación 2, por ejemplo para el caso de 5 k Ω se tiene: V sal = −(0,2V )(

5, 000Ω ) = −1V 1, 000Ω

y así con los demás Para los calculos de la configuración no-inversora se uso la ecuación 3, así por ejemplo para el caso de la resistencia de 5 K Ω se tiene:

Figura 7: Amplificador Operacional como restador El restador esta descrito por: R (R + R1 )R4 V sal = V 2 ( 3 − V 1 ( 3 ) R1 (R4 + R2 )R1

V sal = (0 ,2V )(1+

(5)

Existen otras configuraciones, pero se estudiaran mas adelante en los siguientes reportes La ganancia de un circuito esta dado por: V Ganancia = sal V ent

(7)

5 , 000Ω ) = 1,2V 1, 000Ω

Se coloco además un potenciómetro en lugar de la resistencia fi ja R2 , se presto atención en los resultados III. RESULTADOS

(6)

(8)

Para el caso del del Amplificador inversor se obtuvo la tabla 1:

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Tabla 1: Configuración Inversora con V ent = 0 ,2V Resistencia R 2 1k Ω 5kΩ 10 k Ω 20 k Ω 30 k Ω 40 k Ω 50 k Ω

Voltaje de Salida Valor Teórico -0.2 V -1 V -2 V -4 V -6 V -8 V -10 V

Valor Experimental - 0.199 V - 0.999 V -1.96 V -3.98 V -5.91 V -7.78 V -7.89 V

Figura 11: Distorsión de la señal Original debido a una resistencia de 100 k Ω

Un ejemplo de lo que se observo en el osciloscopio se puede ver en la figura 9: Para el caso de la con figuración no inversora se obtuvieron los siguientes valores:

Tabla 2: Configuración No Inversora con V ent = 0 ,2V Resistencia R 2

Figura 9: Configuración inversora con resistencia de 5 k

1k Ω 5k Ω 10 k Ω 20 k Ω 30 k Ω 40 k Ω 50 k Ω

Ω

Voltaje de Salida Valor Teórico 0.4 V 1.2 V 2.2 V 4.2 V 6.2 V 8.2 V 10.2 V

Valor Experimental 0.399 V 1.18 V 2.18 V 4.13 V 6.18 V 7.82 V 7.89 V

Al hacer la gráfica de la tabla 1 se obtuvo la figura 10:

fi

Un ejemplo de lo que se observa en el osciloscopio se ve en la gura 12:

Figura 10: Grá fica de Voltaje de Salida vs Resistencia (Con figuración Inversora)

Figura 12: Configuración no-inversora con resistencia de 5 k

También se observo que al colocar resistencias mas grandes la señal se distorsionaba, esto se puede observar en la fi gura 11

Al graficar los datos de la tabla 2 se obtiene la gra fica 13

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Ω



Figura 13: Gráfica de Voltaje de Salida vs Resistencia (Con figuración Inversora) También existe una distorsión de la señal original al aumentar la resistencia R 2 , esto se puede observar en la figura 14

Figura 14: Gráfica de Voltaje de Salida vs Resistencia (Con figuración Inversora) IV. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES Aunque se obtuvieron medidas experimentales muy cercanas a las teóricas, al poner resistencias de mayor tamaño en R 2 notamos que había un límite en el cual se empezaba a distorsionar la señal original, experimentalmente se puede observar que esa distorsión comienza en el caso de la con figuración inversora aproximadamente en R 2 = 40k Ω , para la configuración no inversora ocurre aproximadamente también en ese valor. Esta distorsión se debe a que el amplificador operacional esta siendo alimentado con 5 V DC, debido a esto existe un limite en cuanto a la máxima ganancia que puede ofrecer el dispositivo. En un ampli ficador Operacional ideal la ganancia es infinita, pero en uno real dependerá del dispositivo y de el voltaje con que se alimente

Referencias [1] H Hayt, JE Kemmerly, and SM Durbin. Análisis de circuitos en ingenierıa mcgraw-hill, 2007. [2] Albert Paul Malvino and David J Bates. Principios de electrónica , volume 2. McGraw-Hill, 1991.

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