UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRONICA

LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS I

LABORATORIO N°08

Amplificadores Operacionales

Curso : Lab. de Circuitos Electronicos I

Profesor : Ing. Cuzcano Rivas Abilio B.

Grupo : LOS COCHIS

Integrantes : * Zanes La Torre ,Alejandro 1313220605

Amplificadores Operacionales (OPAM)

1. Objetivos- Medir características más importantes de un amplificador

operacional en lazo abierto y lazo cerrado.

- El opam, más conocido como amplificador operacional se emplea para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, etc.) en calculadoras analógicas.

- Es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene la capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante, tiene además límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio.

- Hallar las características tensión – frecuencia, parámetros reales, y compararlos con los parámetros ideales.

- Definir las corrientes de cada una de las ramas del circuito.

- Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)

2. Marco teórico

a. Definición

Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):Vout = G·(V+ − V−) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.

El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:

V+: entrada no inversora

V-: entrada inversora

VOUT: salida

VS+: alimentación positiva

VS-: alimentación negativa

El nombre de amplificador operacional proviene de una de las utilidades que posee, el de realizar operaciones matemáticas, anteriormente se usaban exclusivamente en las calculadoras digitales. Los amplificadores operacionales actuales son circuitos integrados lineales (IC) que utilizan voltajes de cd relativamente bajos y son confiables y baratos.

El símbolo de un

amplificador operacional se muestra en la figura, tiene dos terminales de entrada, entrada inversora (-) y la no inversora (+), y una única terminal de salida. Mayormente operan bajo dos terminales de alimentación cd, polarizadas.

Amplificador Operacional Ideal:

Para un mejor estudio de este, se toma en cuenta un amplificador operacional ideal, donde posee algunas características tales como, una ganancia de voltaje infinita y un ancho de banda infinito. También tiene una impedancia de entrada infinita (circuito abierto) de modo que no carga la fuente de excitación. Por último, tiene una impedancia de salida cero. El concepto de impedancia de entrada infinita es una herramienta de análisis particularmente valiosa de las diversas configuraciones de amplificador operacional. Estas características se ilustran en la figura.

Amplificador Operacional Práctico:

Aun cuando los valores de parámetros de los amplificadores operacionales en circuito integrado (CI) pueden ser tratados como ideales en muchos casos, es obvio pensar que nunca se ha fabricado un dispositivo ideal. Cualquier dispositivo tiene limitaciones y el amplificador operacional en circuito integrado no es la excepción. Los amplificadores operacionales tienen tanto limitaciones de voltaje como de corriente. El voltaje de salida de pico a pico, por ejemplo, normalmente se limita a un poco menos que los dos voltajes de alimentación. La corriente de salida también está limitada por restricciones externas tales como la disipación de potencia y los valores nominales de los componentes.Las características de un amplificador operacional práctico son una ganancia de voltaje muy alta, una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida muy baja. Éstas aparecen en la figura.

El voltaje de entrada, Vent, aparece entre las dos terminales de entrada, y el voltaje de salida es AvVent como lo indica el símbolo de fuente de voltaje interna.

Diagrama de bloques interno de un amplificador operacional

Un amplificador operacional típico se compone de tres tipos de circuitos amplificadores: un amplificador diferencial, un amplificador de voltaje y un amplificador push-pull, como muestra la figura 12-3. El amplificador diferencial es la etapa de entrada del amplificador operacional. Amplifica la diferencia de voltaje entre las dos entradas. La segunda etapa casi siempre es un amplificador clase A que proporciona ganancia adicional. Algunos amplificadores operacionales pueden tener más de una etapa de amplificador de voltaje. En general se utiliza un amplificador clase B push-pull para la etapa de salida.

Desequilibrio de voltaje de entrada

El amplificador operacional ideal produce cero volts de salida por cero volts de entrada. En un amplificador operacional práctico, sin embargo, aparece un pequeño cambio de cd, VSAL (error) a la salida cuando no se aplica ningún voltaje de entrada diferencial. Su causa principal es una leve disparidad de los

voltajes entre la base y el emisor de la etapa de entrada de amplificador diferencial de un amplificador operacional.

Como se especifica en la hoja de datos de un amplificador operacional, el desequilibrio de voltaje de entrada, VOS, es el voltaje de cd diferencial requerido entre las entradas para forzar la salida a cero volts.

La variación del desequilibrio de voltaje de entrada es un parámetro relacionado con VOS que especifica cuánto cambia el desequilibrio de voltaje de entrada por cada cambio de la temperatura de 1 grado. En general, un amplificador operacional con un valor nominal más alto de desequilibrio de voltaje de entrada exhibe más variación.

Corriente de polarización de entrada

Se ha visto que las terminales de entrada de un amplificador diferencial bipolar son las bases del transistor y, por consiguiente, las corrientes de entrada son las corrientes en ellas.

La corriente de polarización de entrada es la corriente de cd requerida por las entradas del amplificador operacional para la operación apropiada de la primera etapa. Por definición, la corriente de polarización de entrada es el promedio de ambas corrientes de entrada.

Impedancia de entrada

Dos formas de especificar la impedancia de entrada son el modo diferencial y en el modo común. La impedancia de entrada diferencial es la resistencia total entre las entradas inversora y no inversora. La impedancia diferencial se mide determinando el cambio de la corriente de polarización con un cambio dado del voltaje de entrada diferencial. La impedancia de entrada en modo común es la resistencia entre cada entrada y tierra, y se mide determinando el cambio de la corriente de polarización con un cambio dado del voltaje de entrada en modo común.

Desequilibrio de corriente de entrada

Idealmente, las dos corrientes de polarización de entrada son iguales, y por tanto su diferencia es cero. En un amplificador operacional práctico, sin embargo, las corrientes de polarización no son exactamente iguales.

El desequilibrio de corriente de entrada, IOS es la diferencia de las corrientes de

polarización de entrada, expresada como un valor absoluto. IOS=|I 1−I 2|.En

muchas aplicaciones, el desequilibrio de corriente puede ser despreciado.

Impedancia de salida

La impedancia de salida es la resistencia vista desde la terminal de salida del amplificador operacional, como indica la figura.

Rapidez de variación de voltaje

La rapidez de variación de voltaje se mide con un amplificador operacional conectado. Esta conexión de amplificador operacional particular es una configuración no inversora de ganancia unitaria. Ésta da la rapidez de variación de voltaje. Se aplica un pulso a la entrada y el voltaje de salida ideal resultante.

El ancho del pulso de entrada debe ser suficiente para permitir que la salida “cambie” desde su límite inferior hasta su límite superior. Se requiere un cierto intervalo de tiempo, para que el voltaje de salida vaya desde su límite inferior, -Vmáx, hasta su límite superior, +Vmáx, una vez que se aplica el escalón de entrada. La rapidez de variación de voltaje se expresa como la variación del voltaje sobre el intervalo de tiempo. La unidad de la rapidez de variación de voltaje es volts por microsegundo.

Realimentación negativa:

La realimentación negativa es uno de los conceptos más útiles de la electrónica, sobre todo en aplicaciones de amplificadores operacionales. La realimentación negativa es el proceso mediante el cual una parte del voltaje de salida de un amplificador es alimentada de regreso a la entrada con un ángulo de fase que se opone a (o resta de) la señal de entrada.

Amplificadores operacionales con realimentación negativa:

Se puede conectar un amplificador operacional utilizando realimentación negativa para estabilizar la ganancia e incrementar la respuesta en frecuencia. La realimentación negativa toma una parte de la salida y la aplica de nuevo desfasada con respecto a la entrada para reducir efectivamente la ganancia. Esta ganancia en lazo cerrado normalmente es mucho menor que la ganancia en lazo abierto e independiente de ella.

Amplificador no inversor

En la figura 12-15 se muestra un amplificador operacional conectado en una configuración en lazo cerrado como amplificador no inversor con una cantidad controlada de ganancia de voltaje.

Se aplica la señal de entrada a la entrada no inversora (+). La salida se vuelve a aplicar a la entrada inversora (-) por conducto del circuito de realimentación (lazo cerrado) formado por el resistor de entrada Ri y el resistor de realimentación Rf. Esto crea realimentación negativa de la manera descrita a continuación. Los resistores Ri y Rf forman un circuito divisor de voltaje que reduce Vsal y conecta el voltaje reducido Vf a la entrada inversora. El voltaje de

realimentación se expresa como Vf=( RiR i+R f )V sal

Amplificador inversor

Un amplificador operacional conectado como amplificador inversor con una cantidad controlada de ganancia de voltaje se muestra en la figura 12-19. La señal de entrada se aplica a través de un resistor de entrada Ri conectado en

serie con la entrada inversora (-). Asimismo, la salida es realimentada a través de Rf a la misma entrada. La entrada no inversora (+) se conecta a tierra.

En este punto, los parámetros de amplificador operacional ideal mencionados con anterioridad son útiles porque simplifican el análisis de este circuito. En particular, el concepto de impedancia de entrada infinita es de gran valor. Una impedancia de entrada infinita implica corriente cero en la entrada inversora. Si existe corriente cero a través de la capacitancia de entrada, entonces no debe haber caída de voltaje entre las entradas inversora y no inversora. Esto significa que el voltaje en la entrada inversora (-) es cero porque la entrada no inversora (+) está conectada a tierra. Este voltaje cero en la terminal de entrada inversora se conoce como tierra virtual. Esta condición se ilustra en la figura 12-20(a).

Como no hay corriente en la entrada inversora, la corriente a través de Ri y la corriente a través de Rf son iguales, como muestra la figura. Ient = If

El voltaje a través de Ri es igual a Vent porque el resistor está conectado a una tierra virtual en la entrada inversora del amplificador operacional. Por consiguiente, Ient = Vent Ri

3. Cuestionario

a. ¿Qué es un amplificador operacional?

 

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; tiene además límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificación también definida por el fabricante).

 

b. ¿Qué caracteriza a estos?

 

Los amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB.

 

c. ¿De qué otra forma se le puede definir?

 

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).

 

d. ¿Cuál es el A.O. ideal?

 

El Amplificador Operacional ideal se caracteriza por:

Resistencia de entrada,(Ren), tiende a infinito. Resistencia de salida, (Ro), tiende a cero. Ganancia de tensión de lazo abierto, (A), tiende a infinito Ancho de banda (BW) tiende a infinito. vo = 0 cuando v+ = v-

 

e. Esquematice el A.O. ideal.

Fig. 1

f. Defina las propiedades del A.O. ideal.

Teniendo en mente estas funciones de la entrada y salida, tenemos que:

  1. La ganancia de tensión es infinita:

2. La resistencia de entrada es infinita:

3. La resistencia de salida es cero:

Ro = 0

4. El ancho de banda es infinito:

5. La tensión offset de entrada es cero:

V0 = 0 sí Vd = 0

 

g. ¿Cuáles son las configuraciones básicas del A.O.?

Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos amplificadores básicos: las configuraciones (1) inversora y (2) no inversora. Casi todos los demás circuitos con amplificadores operacionales están basados, de alguna forma, en estas dos configuraciones básicas. Además, existen variaciones estrechamente relacionadas de estos dos circuitos, más otro circuito básico que es una combinación de los dos primeros: (3) el amplificador diferencial.

h. Esquematice el A.O. en configuración inversor y explique su operación básica.

En este circuito, la entrada (+) está a masa, y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2.

Fig. 2

i.        Esquematice el A.O. No inversor y explique su operación básica.

FIg. 3

En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R1 - R2. Puesto que, no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vi. 

Así pues 

y como

Tendremos pues que:

que si lo expresamos en términos de ganancia:

que es la ecuación característica de ganancia para el amplificador no inversor ideal.

 

j.    Esquematice el A.O. diferencial y explique su operación básica.

Una tercera configuración del AO conocida como el amplificador diferencial, es una combinación de las dos configuraciones anteriores. Aunque está basado en los otros dos circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. Este circuito, mostrado en la figura 4, tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional.

Fig. 4

4. Conclusiones:

- Tiene una alta ganancia, que en general se alimenta de fuentes positivas y negativas.

- Según los datos hechos, verificamos que tiene una impedancia de salida casi nula, a la vez que genera poco ruido, siendo un gran generador de ganancia.

- Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, se mejoran algunas características del mismo como una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. 

- Hallamos que la impedancia de entrada tiende a ser infinita por ende, suponemos que la corriente de entrada es casi nula.