PRÁCTICA 12. AMPLIFICADOR OPERACIONAL II

Transcripción

1 PRÁCTICA 12. AMPLIFICADOR OPERACIONAL II 1. Objetivo El objetivo de esta práctica es el estudio del funcionamiento del amplificador operacional (op-amp), en particular de tres de sus montajes típicos que son como amplificador inversor, integrador y sumador. 2. Material necesario La práctica se realizará en los laboratorios L2 de la Escuela Superior de Ingenieros. 3. Conocimientos previos El alumno debe conocer el funcionamiento básico del amplificador operacional. Además, debe haber realizado las simulaciones planteadas en la práctica 11 con el objeto de contrastar los resultados de simulación con los obtenidos experimentalmente. 4. Introducción El op-amp (Figura 1) es un dispositivo que funciona en modo diferencial. En funcionamiento lineal la tensión de salida es igual a la diferencia de las tensiones de entrada multiplicada por la ganancia, verificando: V out =A d (V + -V - )=A d V d Figura 1: amplificador operacional El amplificador operacional de propósito general se comercializa como circuito integrado con diferentes encapsulados. Antes de emplear este componente en un diseño electrónico como el de la placa de circuito impreso (PCB) de esta práctica, conviene conocer sus características fundamentales, desde la huella que emplearemos en el diseño CAD de la PCB, hasta los valores máximos de algunos parámetros fundamentales como la tensión de polarización. Esta información se encuentra en el datasheet del componente (ver referencias bibliográficas de la práctica 11). 1

2 Figura 2: Fotografía de la PCB y potenciómetro. En la figura 2 vemos una fotografía de la PCB que emplearemos en el laboratorio y un potenciómetro como el que monta dicha PCB y que utilizaremos para conseguir resistencias variables. La PCB es una placa a 1 cara fabricada manualmente en los laboratorios de la Escuela. Los pines de alimentación del op-amp se denominan Vcc+ y Vcc- y están situados a la izquierda. También a la izquierda se encuentran los pines de entrada de señal Vi y tierra GND. A la derecha se encuentra el pin de salida Vo del op-amp. También vemos un pin denominado Tva que emplearemos en el montaje sumador. Junto al condensador de 100n (componente azul) tenemos un jumper (ver símbolo JP1 en figura 3) que nos permitirá seleccionar entre el montaje integrador y el inversor/sumador. El op-amp es el chip que se encuentra en el centro a la derecha. Está montado sobre un zócalo que permite extraerlo y cambiarlo por otro op-amp que sea compatible pin a pin. En el centro de la foto a la izquierda, vemos un potenciómetro de 10kOhm (se puede ver en detalle en la imagen de la derecha, Figura 2). En esta práctica, el potenciómetro se usa en configuración de reóstato, cortocircuitando el terminal deslizante con uno de los extremos. De este modo podemos tener una resistencia variable entre 0 y 10 kohm. La PCB permite que polaricemos el op-amp sin emplear tensiones negativas, entre 0V y 10V por ejemplo. Para ello habrá que aplicar 10V al pin Vcc+, 0V en Vcc- y 5V en el pin denominado GND. Habrá que tener en cuenta que, tal y como se vio en la práctica 11, la tensión de entrada Vin debe tener un offset de 5V. 5. Realización de la práctica El circuito a probar en el laboratorio se encuentra implementado en una placa de circuito impreso tal y como se muestra en la Figura 3. 2

3 Figura 3: Circuito implementado en la placa 1. Montaje amplificador inversor El primer montaje a probar es el de amplificador inversor, que se muestra en la Figura 4, alimentado a ±10V. Para ello, colocar en la placa el jumper JP1 en la posición inferior. En el montaje amplificador inversor que nos ocupa, las ecuaciones del dispositivo son: I R2 =(V in -V A )/R 1 =(V A -V out )/R 2 V out = - A d V A Figura 4: Montaje amplificador inversor Asumiendo que el dispositivo funcione linealmente, podemos considerar despreciable la tensión diferencial de entrada V A, y obtendríamos que un montaje cuya ganancia depende del cociente de dos resistencias: V out = -R 2 /R 1 V in 3

4 1.A Comprobar el correcto funcionamiento del inversor introduciendo una señal senoidal de amplitud 500mVpp y frecuencia 5kHz. Fijar el valor de la resistencia variable (más la resistencia R1 en serie) a 2kΩ. Qué ganancia se obtiene? Comprobar dicho valor con el valor de ganancia obtenido en las simulaciones de este montaje de la práctica 11. (1.5 PUNTO) 1.B Repita el apartado anterior alimentando el op-amp entre 0 y 10V. Para ello, modifique las tensiones de polarización y aplique la tensión adecuada a la entrada no inversora del amplificador operacional utilizando un divisor de tensiones resistivo montado sobre una placa de pruebas. (1.5 PUNTOS) 1.C Medir el slew rate del amplificador operacional. Para ello, fije la resistencia de entrada a 10KΩ y se introduzca como entrada una onda cuadrada de 10 khz y 4 Vpp. Hay que medir la pendiente (en V/μs) de la onda de salida, lo que nos dará el valor del Slew Rate. (1 PUNTO) 2. Montaje integrador El montaje de amplificador integrador se muestra en la Figura 5, alimentado a ±10V. Coloque el jumper JP1 de la placa en la posición superior. Figura 5: Montaje integrador La ecuación que caracteriza el comportamiento de dicho montaje es: La señal de entrada debe ser una señal cuadrada de 100Hz de frecuencia y 300mV de amplitud. 2.A Girar el potenciómetro para que la resistencia del montaje tenga un valor de 10kΩ. Anotar la pendiente de la señal de salida. Comparar dicho valor con el valor obtenido 4

5 en simulación. Para simplificar la captura de esta medida, configure el osciloscopio en modo AC. Mida también el nivel de continua de la señal de salida. (1.5 PUNTO) 2.B Configure el osciloscopio nuevamente en modo DC. Cambie la forma de onda de la señal de entrada modificando muy ligeramente su offset. Qué forma de onda se obtiene a la salida? Por qué? (1.5 PUNTO) 3. Montaje sumador El montaje de amplificador sumador se muestra en la Figura 6, alimentado a ±10V. Vuelva a colocar el jumper JP1 en la posición inferior. Figura 6: Montaje sumador Para realizar el montaje, hay que conectar en una placa de prueba una resistencia entre la segunda entrada a sumar (V in2 ) y la entrada del operacional, como se muestra en la Figura 6. Se debe unir un extremo de la resistencia al pin que se denomina TVA, en la placa. Por el otro extremo se introducirá la otra señal que se va a sumar. Las señales que se van a sumar son formas de onda de 1kHz con las siguientes características: Señal Vin1: señal senoidal, Vpp=0.5V. Señal Vin2: señal cuadrada tipo TTL. 3.A La resistencia R 4 es de Realizar un barrido sobre la resistencia R 2 entre 1kΩ y 10kΩ con un salto de 3k. Qué formas de onda se obtienen a la salida? Mida la tensión de salida pico-pico para cada uno de los valores. Coincide con los resultados de simulación? (3 PUNTOS) 5