UNIVERSIDAD DEL VALLE ESCUELA DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELÉCTRONICA CÁTEDRA DE PERCEPCIÓN Y SISTEMAS INTELIGENTES LABORATORIO N° 3 Fundamentos de Electrónica

APLICACIONES LINEALES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL I. OBJETIVOS. • • •

Familiarizar al estudiante con las diversas aplicaciones lineales de un amplificador operacional. Identificar las diferentes configuraciones de los circuitos lineales con amplificadores operacionales. Analizar el funcionamiento de circuitos lineales tales como el amplificador no inversor, inversor, sumador, restador, amplificador de instrumentación.

II. INTRODUCCIÓN El amplificador operacional es un amplificador diferencial de alta ganancia que utiliza realimentación para lograr niveles de amplificación precisos y estables. Sin realimentación el amplificador operacional se caracteriza por una gran amplificación de voltaje, impedancia de entrada alta y baja impedancia de salida. Tiene gran variedad de aplicaciones como sumadores, restadores, filtros activos, osciladores y otros circuitos para instrumentación y control. Las características generales de los amplificadores operacionales, tales como entrada diferencial (es decir, dos entradas en configuración diferencial) de alta impedancia, baja impedancia de salida, valores muy elevados de RRMC, la ganancia de voltaje dependen fundamentalmente de los componentes externos. La entrada positiva o no inversora, produce una salida que está en fase a la señal aplicada, y en cambio una entrada en la terminal negativa o inversora, da como resultado una salida de polaridad opuesta. El voltaje diferencial de entrada está dado por: 𝑉𝐷 = 𝑉2 − 𝑉1

Fig. 1 símbolo del amplificador operacional.

Relación de rechazo de modo común (RRMC) Bajo estas siglas se esconde una de las propiedades que mejor definen la calidad de un amplificador operacional, La capacidad para rechazar o, mejor aun, la capacidad para no tratar las señales presentes es sus entradas de modo común. Que es el modo común?, se ha dicho que la principal característica de los amplificadores operacionales es amplificar la diferencia entre entradas, pues, bien, que debemos esperar que haga si le aplicamos a las dos entradas el mismo potencial?. Lógicamente su respuesta deberá ser nula, esto en la práctica no es así, por lo que para discernir la calidad se emplea el RRMC, que no es más que el cociente entre su ganancia diferencial y la ganancia en modo común. Resumiendo, cuanto mayor sea este cociente mejor será el amplificador operacional. III. MATERIALES Y EQUIPO • 2 LF 353 • 4 Resistencia de 1 KΩ • 5 Resistencia de 10 KΩ • 4 Resistencia de 100 KΩ • 1 Multímetro. • Cables de conexión. • Protoboard. • Osciloscopio y puntas de medición. • Generador de funciones y punta de conexión. • Fuente de DC y puntas de conexión.

AMPLIFICADOR INVERSOR

8

V3

3 R1 2

+

U3A

12Vdc

1

-

1k VOFF = 0 VAMPL = 50m FREQ = 2k

4

V4 R1

V1

LF353

12Vdc

0

1k

10k

0

0

R2

Fig. 2 Amplificador Inversor En un circuito básico de un amplificador inversor, el voltaje de salida se obtiene a partir de la expresión.

𝑉𝑜 = − �

𝑅2 � ∗ 𝑉𝐼𝑁 𝑅1

La impedancia de entrada es aproximadamente igual a 𝑅1 . La ganancia de voltaje del circuito es independiente de la ganancia A del amplificador operacional y solo depende de las dos resistencia 𝑅1 𝑦 𝑅2 . Lo anterior permite, ajustar con facilidad niveles de amplificación e impedancia de entrada en una amplia gama de posibilidades. • • •

Realice el montaje del circuito de la figura 2 Aplique a la entrada una señal sinusoidal de 100mVpp con una frecuencia de 2KHz, Determine la ganancia del amplificador y verifique las formas de onda de las señales de entrada y salida en forma simultánea. Incremente la frecuencia de la señal sinusoidal. ¿Qué cambios observa a la salida?. A que de debe?

AMPLIFICADOR NO INVERSOR

V3

8

U3A

3 2 V1

+

12Vdc

1

V4

4

VOFF = 0 VAMPL = 50m FREQ = 2k

R2 LF353

12Vdc

0

10k R1

0

1k

0

Fig. 3 Amplificador no Inversor

En este circuito se aplica un voltaje de entrada 𝑉𝐼𝑁 directamente a la terminal no inversora del amplificador operacional. La realimentación negativa se forma mediante el divisor de voltaje 𝑅1 𝑦 𝑅2 , que aplica una fracción fija de 𝑉𝑜 a la terminal inversora y es la responsable de la amplificación del circuito, dada por: 𝑉𝑜 = �

𝑅2 + 1� ∗ 𝑉𝐼𝑁 𝑅1

Cuando 𝑅1 se hace muy grande o se omite, el voltaje de salida se hace igual al de entrada, esta configuración suele llamarse seguidor de voltaje o buffer.

• •

Realice el montaje del circuito de la figura 3 Aplique a la entrada una señal s sinusoidal de 100mVpp con una frecuencia de 2KHz, Determine la ganancia del amplificador y verifique las formas de onda de las señales de entrada y salida en forma simultánea.

CIRCUITO SUMADOR V3

8

R1 3 1k

V1 VOFF = 0 VAMPL = 50m FREQ = 2k

U3A

2

+

12Vdc

1

V4

4

R2

0

RF LF353

12Vdc

0

10k

V2

100k

VOFF = 0 VAMPL = 50m FREQ = 2k

R3 1k

0 0

Fig. 4 Amplificador sumador Otra ventaja de los amplificadores operacionales es su capacidad de amplificar más de una señal a la vez. Debido a la tierra virtual, ambas resistencia tienen un terminal a tierra y se puede aplicar el principio de superposición, que puede tener un número de entradas; la conexión de realimentación 𝑅𝑓 asegura al operación del amplificador lineal con 𝑉+ = 𝑉− . La corriente de entrada a través de 𝑅1 es: Y a través de 𝑅2 tenemos

𝑖1 =

𝑉1 𝑅1

𝑖2 =

𝑉2 𝑅2

Esta corriente circula por la resistencia de realimentación por lo tanto la tensión de salida será: 𝑉𝑜 = −𝐼 ∗ 𝑅𝑓 = (𝑖1 + 𝑖2 ) ∗ 𝑅𝑓

𝑅𝑓 𝑅𝑓 𝑉𝑜 = − �� � ∗ 𝑉1 + � � ∗ 𝑉2� 𝑅1 𝑅2

Si todas las resistencias son iguales, cada entrada tendrá una ganancia unitaria: 𝑉𝑜 = −(𝑉1 + 𝑉2)

• • • •

Monte circuito de la figura 4 Aplique V1=100mVpp y V2=0, determine la ganancia del amplificador. Verifique las formas de onda de entrada y salida en forma simultánea. Aplique V1=0 y V2=100mVpp, determine la ganancia del amplificador. Verifique las formas de onda de entrada y salida en forma simultánea. Aplique V1=100mVpp y V2=100mVpp, determine la ganancia del amplificador. Verifique las formas de onda de entrada y salida en forma simultánea.

CIRCUITO RESTADOR O DIFERENCIAL

V3

8

12Vdc

U1A 3

2

V+

1

R3

+

10k

V2 VOFF = 0 VAMPL = 50m FREQ = 2k

1 V1

R1

OUT 2

2

10k

-

4

LF353/NS

VOFF = 0 VAMPL = 50m FREQ = 2k R4

V-

2

V4

0

12Vdc 1

10k

0

1

R2

2

100k

1

0

0

Fig. 5 Amplificador Restador Los amplificadores inversores y no inversores, pueden ser combinados en uno solo circuito, cuya salida representa la diferencia amplificada entre las dos señales de entrada El voltaje de salida se puede deducir aplicando superposición. Así, Cuando V2=0 𝑅

𝑉𝑜1 = − � 2 � ∗ 𝑉1 𝑅1

Y cuando V1=0

𝑉𝑜2 = �1 +

𝑅2 𝑅4 �� � ∗ 𝑉2 𝑅1 𝑅3 + 𝑅4

El voltaje de salida cuando ambas entradas estén presentes será: Vo = �1 +

R2 R4 R2 �� � ∗ V2 − � � ∗ V1 R1 R 3 + R 4 R1

 Caso 1 si R1 = R 3 = R

y R2 = R4 = Rf

Rf Vo = � � (V2 − V1 ) R

 Caso 2 si R1 = R 2 = R 3 = R 4 = R • • • •

entonces:

entonces

Vo = (V2 − V1 )

Monte circuito de la figura 5 Aplique V1=100mVpp y V2=0, determine la ganancia del amplificador. Verifique las formas de onda de entrada y salida en forma simultánea. Aplique V1=0 y V2=100mVpp determine la ganancia del amplificador. Verifique las formas de onda de entrada y salida en forma simultánea. Aplique V1=100mVpp y V2=100mVpp, determine la ganancia del amplificador. Verifique las formas de onda de entrada y salida en forma simultánea.

8

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

OUT 2

-

4

1

2

V-

LF353/NS

Vb

1

R6 100k

R1

LF353/NS 2 -

2

OUT

R5 10k

3

1

4

U1B

R3

2

10k

V+

1

R4

2

10k

0

1

V-

+ 8

1 R6 100k

OUT 5

+ 8 U2A

2

V1

2

10k

1

LF353/NS 6 -

R2

1

2

10k

4

+

V-

3

V+

U1A

V2

7

Va

V+

Fig. 6 Amplificador de instrumentación.  Del circuito restador se obtiene: Vo = �1 +

R2 R4 R2 �� � ∗ Va − � � ∗ Vb R1 R 3 + R 4 R1

Como R1 = R 2 = R 3 = R 4 = R entonces

Vo = Va − Vb

1

Vo

 De los primeros amplificadores se obtiene:

Va − Vb = �

Como 𝑅6 = 𝑅𝑌 𝑦 𝑅5 = 𝑅𝑥

𝑉1 − 𝑉2 � (2𝑅6 + 𝑅5 ) 𝑅5

Va − Vb = (V1 − V2 ) �

El voltaje de salida es:

Vo = (V1 − V2 ) �

2𝑅𝑌 + 1� Rx

2𝑅𝑌 + 1� Rx

Las principales características de este amplificador son: alta impedancia de entrada, muy alta RRMC, baja impedancia de salida. • •

Monte circuito de la figura 6 Aplique V2=100mVpp y V1=0, determine la ganancia del amplificador. Verifique las formas de onda de entrada y salida en forma simultánea.

V. BIBLIOGRAFÍA. - FLEEMAN S. R. ELECTRONIC DEVICES, Discrete and Integrated. Prentice – Hall International Editions. 1990. - MILLMAN J. HALKIAS C. Electrónica Integrada, Circuitos y sistemas Análogos y digitales. Prentice Hall. 1984. - WEDLOCK Bnice, ROBERGE James. Componentes electrónicos y mediciones. Prentice Hall. -Amplificador Operacional y Circuitos Integrados Lineales, COUGHLIN and DRISCOLL, 6 edición 2001, Prentice Hall.