Amplificador Operacional

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.

Amplificador Operacional

Codificación del Amplificador Operacional

Amp. Op. C O D I G O
Uno LM741, CA741, SN72741, uA741, etc.
Doble LM747, CA747 SN72741, uA747, CA1458, MC1458, etc.
Cuádruple LM324, CA342, LM3900, etc.

 

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

Amplificador Operacional

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.

Amplificador Operacional

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.

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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.

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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)

  Calculado   Medido  
Amp.Oper. V1(-) V2(+) V1(-) V2(+)
IC1 17.4 mV 17.4 mV 8.7 mV 8.4 mV
IC2 17.4 mV 17.4 mV 5.1 mV 4.9 mV

 

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

Amp.Oper. IIO- IIO+ IBI
IC1 39 nA 38 nA 38.5 nA
IC2 23 nA 22 nA 22.5 nA

 

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

Amp.Oper. VO(desvío) VOI Imax
IC1 1.36 V 1.36 mV 31 mA
IC2 1.88 V 1.88 mV 30 mA

 

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

Amp.Oper. SR Imax PP
IC1 0.018 V/uS 11 KHz 0.33 V
IC2 0.023 V/uS 14 KHz 0.33 V

 

TABLA 5 : (Determinación de Fallas)

Falla Voltaje de Salida DC Voltaje de Salida AC
No +15V -4 V 4 V
No -15V 14 V La señal desaparece
Pin 2 cortocircuito a tierra 14 V 14 V

 

TABLA 6 : (Diseño)

R2 68 K
A 68

 

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

Diccionario electrónico

¿Qué es Buffer?

En electrónica, un "buffer" (también conocido como amplificador de buffer) es un tipo de circuito o dispositivo utilizado para aislar o separar una fuente de señal de una carga o destino, mientras mantiene la integridad de la señal original. Los buffers son utilizados en una variedad de aplicaciones para evitar la degradación de la señal, reducir la carga en la fuente y mejorar la eficiencia de la transmisión de señales.

Aquí hay una descripción detallada de los aspectos clave de un buffer:

  1. Aislamiento de Señales: El buffer actúa como un "puente" entre la fuente de la señal y el dispositivo de carga. Proporciona aislamiento eléctrico entre ambos, lo que significa que cualquier variación en la carga (como la impedancia) no afecta directamente a la fuente. Esto es especialmente útil cuando la fuente y la carga tienen características eléctricas diferentes que podrían afectar la calidad de la señal.

  2. Amplificación de Corriente o Tensión: En muchos casos, los buffers también pueden amplificar la señal de entrada, ya sea en términos de corriente o tensión, dependiendo de las necesidades específicas del circuito. El buffer puede ser diseñado para proporcionar ganancia (amplificación) o simplemente para mantener la señal constante a medida que pasa a través de él.

  3. Alta Impedancia de Entrada y Baja Impedancia de Salida: Los buffers suelen tener una alta impedancia de entrada, lo que significa que no afectan significativamente la fuente de la señal, y una baja impedancia de salida, lo que les permite entregar la señal con eficacia a la carga. Esto minimiza la degradación de la señal y asegura que se transmita de manera eficiente.

  4. Reducción de Carga en la Fuente: En algunos casos, la carga conectada a la fuente podría requerir mucha corriente o tener una impedancia muy baja, lo que podría afectar negativamente la señal original. El buffer actúa como una carga virtual que consume la corriente necesaria y protege la fuente de una sobrecarga que podría afectar su rendimiento.

  5. Prevención de Retroalimentación: En sistemas electrónicos más complejos, como sistemas de control o sistemas de audio, los buffers también pueden utilizarse para evitar la retroalimentación no deseada que podría generar oscilaciones o ruidos en el sistema. Al proporcionar aislamiento y controlar la transmisión de señales, los buffers contribuyen a una operación más estable y confiable.

Los buffers se utilizan en una variedad de aplicaciones, como circuitos de audio, sistemas de medición, transmisión de señales a larga distancia, sistemas de control, y en muchas otras áreas de la electrónica donde es crucial mantener la integridad de la señal mientras se transmiten a diferentes componentes o sistemas.

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