El Amplificador Operacional

I.- OBJETIVOS

• Determinar las características de un Amplificador Operacional.
• Familiarizarse con las características del amplificador operacional.

II.- FUNDAMENTO TEORICO

Es un circuito amplificador de alta ganancia de voltaje. Normalmente viene encapsulado en una forma modular o circuito integrado.

El amplificador operacional se caracteriza por tener cuatro etapas principales que son:

• Dos entradas desfasadas 180º (Amplificador diferencial con fuente de corriente constante)
• Una etapa amplificadora de alta ganancia. Generalmente otro amplificador diferencial.
• Un circuito desplazador de nivel tal como el amplificador cascodo.
• Una etapa amplificadora de pequeña potencia en configuración push-pull o simetría complementaria.

Codificación del Amplificador Operacional

 

 

El Amplificador Operacional 741

El código 741, es el más popular de los amplificadores operacionales y cuya característica principal se indica a continuación:

• Amplificación : 200,000 Veces típico
• Impedancia de Entrada : 2 MegaOhmios
• Impedancia de Salida : 75 Ohmios
• Disipación de Potencia : 50 mW a 85 mW
• Tensión de Alimentación : ±4 V a ±18 V

Aplicaciones del Amplificador Operacional

• Amplificador Inversor
• Amplificador No-Inversor
• Sumador
• Substractor
• Derivador
• Integrador
• Logarítmico
• Filtros Activos, etc.

III.- EQUIPO Y MATERIALES

• Un generador de Audio.
• Dos Fuentes de Voltaje de ±15V
• 8 Resistencias de 1/2 W: 2x100Ω, 1KΩ, 2x10KΩ, 100KΩ, 2x220KΩ.
• 2 ó 3 amplificadores Operacionales. 741C
• Dos condensadores de 0.47μF
• Un VOM (Multímetro)
• Un Osciloscopio.

IV.- PROCEDIMIENTO

Corriente de desvío (offset) y de polarización de entrada.

a.- El IC 741 tiene una IBI de 80 nA. Asumiendo que esa sea la corriente de base en cada resistencia de 220K, de la Fig. 1 Calcular los voltajes en las entradas no inversora e inversora, anotando en la Tabla 1 los resultados.

V1(-) = (80 nA)(220KΩ) = 17.4 mV

V2(+) = (80 nA)(220KΩ) = 17.4 mV

b.- Arme el circuito de la Fig. 1.

c.-Mida el voltaje DC en la entrada No-inversora y anote su valoren la Tabla 1

d.- Mida y anote el voltaje en la entrada inversora.

e.- Repita los pasos 1 y 4 para los otros chips 741C.

f.- Con los datos medidos en la Tabla 1, calcule la corriente de base y con ello los valores de IIO y de IBI. Anotando sus respuestas en la Tabla 2

Para el IC1 :

IIO(-) = (8.7 mV)/(220K) = 39 nA

IIO(+) = (8.4 mV)/(220K) = 38 nA

IBI = (39 nA + 38 nA)/2 = 38.5 nA

Para el IC2 :

IIO(-) = (5.1 mV)/(220K) = 23 nA

IIO(+) = (4.9 mV)/(220K) = 22 nA

IBI = (23 nA + 22 nA)/2 = 22.5 nA

Voltaje de desvío de salida

a.- Arme el circuito de la Fig. 2 Note los condensadores de desvío usados en cada fuente de voltaje para prevenir oscilaciones, estos condensadores deben conectarse lo más cerca posible de IC.

b.- Mida el voltaje DC de salida anote este valor como VO(desvío) en la tabla 3

c.- Repita el paso anterior con los otros 741C.

d.- Con las resistencias que se muestran en la Fig. 2 el circuito tiene una ganancia de voltaje de desvío de 1000. Calcule el voltaje de desvío de entrada mediante.

VIO = VO(desvío) / 1000

Registre los resultados en la Tabla 3

Para el IC1 :

VIO = 1.36V / 1000 = 1.36 mV

Para el IC2 :

VIO = 1.88V / 1000 = 1.88 mV

Corriente Máxima de Salida

a.- Sobre el circuito que venimos trabajando desconectar el lado derecho de la resistencia de 100K, de la salida.

b.- Conectar el extremo que acabamos de desconectar de la resistencia de 100K, a la fuente de +15V. Esto aplicara aproximadamente 15mV a la entrada inversora más que suficiente para saturar el amplificador operacional.

c.- Reemplace la resistencia de carga de 10K, por un VOM usado como amperímetro. Ya que los amperímetros tienen una muy baja resistencia, el indica la corriente de salida de cortocircuito en forma bastante aproximada.

d.- Lea y anote Imax en la Tabla 3

e.- Con el circuito así modificado repita el paso para los otros 741C.

Rapidez de Respuesta.

a.- Arme el circuito 3 con una R2 de 100K.

b.- De ser posible use un Osciloscopio(tiempo base de 20uS/cm) para observar la salida del amplificador operacional, coloque el generador de audio en 5KHz. Ajuste el nivel de señal para obtener un alto recorte sobre ambos picos de la señal de salida (condición de sobre manejo).

c.- Mida el cambio de voltaje y el tiempo de cambio de la forma de onda, calcule y anote la velocidad de respuesta. (SR)

20 uS ------------ 1 cm

Δt ------------ 0.9 cm

Δt = (20uS)(0.9cm) / (1 cm)

Δt = 18 uS

El Osciloscopio estuvo calibrado:

1 Vpp --------------- 60 mm

ΔV --------------- 20 mm

ΔV = (1Vpp)(20 mm) / (60 mm)

ΔV = 0.33 V

Luego :

SR = ΔV / Δt = 0.33V / 18 uS = 0.018 V/uS

Repita el paso anterior para los otros 741C.

20 uS ------------ 1 cm

Δt ------------ 0.7 cm

Δt = (20uS)(0.7cm) / (1 cm)

Δt = 14 uS

El Osciloscopio estuvo calibrado:

1 Vpp --------------- 60 mm

ΔV --------------- 19 mm

ΔV = (1Vpp)(19 mm) / (60 mm)

ΔV = 0.32 V

Luego :

SR = ΔV / Δt = 0.32V / 14 uS = 0.023 V/uS

Ancho de banda de Potencia

Cambie R2 a 10K, coloque el generador de AC en 1KHz y ajuste el nivel de la señal para obtener 20 VPP en la salida de amplificador operacional.

Incremente la frecuencia de 1 a 20 KHz y observe la forma de onda. En alguna parte alrededor de 8KHz la distorsión de la rapidez de respuesta será evidente porque la forma de onda aparecerá triangular y la amplitud decrecerá.

Registre la frecuencia aproximada donde la distorsión de la rapidez de respuesta comienza en la Tabla (fmax)

Repita todo el proceso de este acápite para los otros 741C

Docilidad AC de Salida

Coloque el generador AC a 1KHz. Incremente el nivel de señal hasta justo el comienzo del recorte de ambos picos.

Registre el valor de pp(PP) para cada uno de os 741C en la Tabla 4

Determinación de Fallas

Mida los Voltajes DC y AC de salida para cada una de las fallas listadas en la Tabla 5.

Registre en la misma Tabla sus datos.

Diseño

Como se ha derivado en la parte teórica la ganancia de voltaje de un circuito como el circuito 1 es igual a R2/R1. Seleccione un valor de R2 para obtener una ganancia de voltaje de 68.

ΔV = R2/R1 , entonces :

R2 = ΔV .R1

R2 = 68 .1K

R2 = 68K

Reemplace R2 por el valor de su diseño y mida la ganancia de voltaje.

Registre sus valores de diseño y la ganancia de voltaje medida en la Tabla 6

D A T O S

TABLA 1: (Voltaje de Entrada)

 

TABLA 2: (Corriente de Entrada de Desvío y de Polarización)

 

TABLA 3 : (Voltaje de desvío de entrada y salida)

 

TABLA 4: (Rapidez de respuesta, ancho de banda de potencia y docilidad de salida AC)

 

TABLA 5 : (Determinación de Fallas)

 

TABLA 6 : (Diseño)

 

PREGUNTAS

1.- El voltaje DC calculado en la Tabla 1 es aproximadamente

• 1 mV
• 5.6 mV
• 12.3 mV
• 17.6 mV Rpta

2.- La corriente de polarización de entrada en la Tabla 2 es cercana a:

• 1 nA
• 80 nA
• 2 mA
• 25 mA Rpta

3. La corriente de cortocircuito de la Tabla 3 es cercana a:

• 1 nA
• 80 nA
• 2 mA
• 25 mA Rpta

4. Cuando la frecuencia de entrada fue mucho mayor que fmax de la Tabla 4. La salida se observó:

• Senoidal
• Triangular Rpta
• Cuadrada
• No distorsionada

5. La docilidad de salida AC en la Tabla 4 es cercana a:

• 5 mV Rpta
• 15 V
• 25 V
• 30 V

6.- Explique el significado de la corriente de desvío de entrada y la corriente de polarización de entrada.

El amplificador operacional en su parte interna esta constituido por un amplificador diferencial, y debido a que los dos transistores de un amplificador diferencial no son idénticos, las dos corrientes de base son diferentes. La corriente de desvío de entrada se define como la diferencia entre las dos corrientes de base. Dicha diferencia es una indicación de cuanto difieren los valores de βcd. Cuando un amplificador diferencial es perfecto, la corriente de desajuste de entrada es cero.

La corriente de polarización de la entrada se define como el promedio de las dos corrientes de base. Las hojas de datos especifican Ien(desajuste) e Ien(polarización).

7.- Explique el significado del voltaje de desvío de entrada.

El voltaje de desvío de entrada se define como la diferencia entre los dos voltajes de base. Esta diferencia de voltajes va a ser amplificado por la ganancia que tiene el amplificador operacional, por tal motivo se observa un voltaje en la salida aproximada de 1.36V.

8. Describa como midió la rapidez de respuesta en el experimento.

Teniendo el circuito ya instalado, se uso el Osciloscopio(tiempo base de 20uS/cm) para observar la salida del amplificador operacional, se colocó el generador de audio en 5KHz. Se Ajustó el nivel de señal para obtener un alto recorte sobre ambos picos de la señal de salida. Se midió el cambio de voltaje y el tiempo de cambio de la forma de onda, calculándose la velocidad de respuesta (SR)así:

SR = ΔV / Δt

9. ¿Qué valor usó para R2? Y ¿Porqué?

Se usó el valor de 68K debido a que:

ΔV = R2/R1 , entonces :

R2 = ΔV .R1

R2 = (68)(1K)

R2 = 68K