PRÁCTICA 4: RESPUESTA EN FRECUENCIA Y COMPENSACION P P T T T. 1.-Objetivos.

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1 PRÁCTICA 4: RESPUESTA E FRECUECIA Y COMPESACIO 1.-Objetivos. P P P P Medir y conocer la respuesta en frecuencia de los amplificadores. Medir correctamente la ganancia de tensión de un amplificador, en función de la frecuencia, incluyendo módulo y fase. Comparar los anchos de banda de las distintas configuraciones de los amplificadores operacionales. Estabilizar la respuesta de un amplificador inestable, mediante una de entre las posibles técnicas de compensación. La práctica se encuentra dividida en dos partes; en la primera se construirán y medirán distintos circuitos construidos con el amplificador operacional LM741, compensado internamente; en la segunda, se tratará de estabilizar un circuito construido con el operacional LM308, que es un amplificador operacional no compensado. 2.-Material necesario. T T T Amplificadores operacionales LM741 o equivalente; mínimo: dos unidades. Amplificador operacional LM308 o equivalente; mínimo: una unidad. Resistores y condensadores adecuados para las ganancias y restricciones de la respuesta en frecuencia marcadas en la práctica. 3.-PRIMERA PARTE: Respuesta en Frecuencia. En esta primera parte, compararemos los distintos anchos de banda correspondientes a las configuraciones inversora y no-inversora de los amplificadores construidos con el operacional 741. En primer lugar, calcule los valores necesarios de R1 y R2 para los valores de ganancia de tensión marcados en la tabla 1. Recuerde que los resistores deben pertenecer a alguna de las Página 1

2 series normalizadas. A).- Amplificador no-inversor. B).- Amplificador inversor. O-IVERSOR Inversor G V R1 R2 Y Y Tabla Medidas sobre el amplificador O-IVERSOR. A).-Amplificador de Ganancia +9: Monte el amplificador de ganancia de tensión +9 y realice las siguientes medidas. L Anote el valor de la ganancia G VM en frecuencias medias. Esta banda en los amplificadores operacionales abarca desde frecuencias muy bajas (incluso tensiones continuas, de frecuencia cero) hasta la f CH, o frecuencia de corte superior del circuito. Modifique la frecuencia f del generador de señal hasta encontrar f CH. Esta frecuencia, como ya es sabido, se corresponderá con aquella a la que el módulo de la ganancia se reduce, respecto de G VM, en un factor igual a /2 : Página 2

3 Anote el valor completo de la ganancia de tensión, en módulo y fase, para la frecuencia de corte hallada, esto es G V (f CH ). Complete la tabla siguiente, en la cual deberá anotar el valor completo de la ganancia de tensión, en módulo y fase, para las frecuencias normalizadas 1 que se indican: f/f CH 0'05 0'1 0'2 0'4 0' *G V * n Tabla 2. Represente la función G V ( f ) en un diagrama de Bode. B).-Amplificador de Ganancia +3: Monte el amplificador de ganancia de tensión +3 y mida el valor de la frecuencia de corte superior del circuito. Emplee el mismo método que para el amplificador de ganancia +9, esto es, partiendo del valor real de la ganancia G VM en frecuencias medias. Anote el valor de la frecuencia de corte, f CH, y de la ganancia de tensión G V ( f CH ), en módulo y fase para este amplificador. C).-Amplificador de Ganancia Unidad (+1): Monte el amplificador de ganancia unidad y mida el valor de la frecuencia de corte superior del circuito. Emplee el mismo método que en casos anteriores. Anote el valor de la frecuencia de corte, f CH, y de la ganancia de tensión G V ( f CH ), en módulo y fase en este caso. 1 Por frecuencia normalizada se entiende el valor correspondiente al resultado de dividir la frecuencia real dada y el valor de una frecuencia de referencia conocida. En nuestro caso, esta frecuencia será la frecuencia de corte f CH. Página 3

4 3.2.-Medidas sobre el amplificador IVERSOR. Sobre el amplificador inversor sólo realizaremos la medida del ancho de banda y la ganancia obtendida en la frecuencia de corte. Monte los amplificadores de ganancias de tensión G V igual a -1, -3 y -9 y mida, en módulo y fase, el valor de la ganancia a la frecuencia de corte superior f CH. Anote los resultados en la Tabla 3. G V nominal G V real, en f. medias f CH *G V ( f CH )* n V ( f CH ) Tabla 3. Los parámetros de los dispositivos activos, tanto en continua como en señal variable, así como su patillaje pueden encontrarse en las hojas de características del Anexo SEGUDA PARTE: Compensación. En esta segunda parte trabajaremos con un amplificador operacional no-compensado como es el LM308. Los amplificadores de este tipo carecen de elementos de compensación en frecuencia internos (usualmente una capacidad) como los que se pueden encontrar en el interior de los amplificadores operacionales compensados, como era el caso del LM741. El amplificador operacional, debido a su gran ganancia y a la existencia y posición de los múltiples polos de su respuesta en alta frecuancia, es condicionalmente estable, esto es: existen valores de la $ de la red de realimentación tales que el amplificador realimentado se hace inestable. Durante el desarrollo de esta parte de la práctica comprobaremos cómo se manifiesta dicha inestabilidad y de qué manera el propio fabricante indica la mejor forma de estabilizar (compensar) la respuesta del amplificador. Página 4

5 4.1.-Amplificador no-inversor con el LM308: comprobación de su estabilidad. Monte un amplificador de ganancia G V = +3 usando como elemento activo el amplificador operacional LM308: Amplificador no-inversor de ganancia +3 con el LM308 Coloque una señal de entrada senoidal de una frecuencia aproximada de 1KHz (frecuencias medias) y de 1V de amplitud: Observe la señal de salida, V S (t), que entregue el amplificador. Anote y dibuje, con el máximo detalle, la forma de onda obtenida. Podemos decir que el amplificador está funcionando correctamente? Qué valor de $ es el que corresponde para el amplificador no-inversor de ganancia de tensión +3? 4.2.-Compensación del LM308. Circuito de compensación normal (standard) El método de compensación aconsejado por el fabricante es la introducción de una capacidad Cf entre los pines 1 y 8 del propio circuito. El valor de esa capacidad viene en función Página 5

6 de los valores de los resistores externos de ajuste de ganancia (la red $ en definitiva, esto es R1 y R2) y de un valor de capacidad Co dado por el propio fabricante. Este método de compensación, que es por polo dominante, es el mismo que el usado internamente por los amplificadores operacionales compensados (como el LM741). El alumno puede identificar esta similitud comparando los circuitos internos de ambos amplificadores en las hojas de características de sus catálogos. El fabricante indica también que el ancho de banda (BW) y el Slew-Rate (SR) del operacional son inversamente proporcionales a la capacidad Cf de compensación. L Elija dos valores de Cf que, ademas de satisfacer la condición de compensación dada por el fabricante, sean aproximadamente uno el doble o más que el otro. Excite de nuevo con la misma señal que en el punto <4.1>. Es ahora la salida la esperada para un amplificador de ganancia +3?. Mida y anote el ancho de banda obtenido para cada capacidad de compensación elegida y compare los resultados Observación del Slew-Rate. Vamos a comprobar ahora el efecto que las capacidades de compensación ejercen sobre el Slew-Rate del operacional. L Coloque en el generador una señal cuadrada (sin componente continua) de 1V de amplitud y 1KHz de frecuencia, aproximadamente. Anote y dibuje cuidadosamente la forma de onda obtenida con los dos valores de la capacidad de compensación Cf que obtuvo en el apartado anterior. Cual de los dos valores de Cf permite que el amplificador reaccione con más rapidez ante un cambio brusco en Ve? 4.4.-Otros modos de compensación (Lectura). El fabricante, en las hojas de características de este amplificador operacional, proporciona varios circuitos más de compensación los cuales permiten mejorar algunas características del amplificador construido con el LM308. Página 6

7 El alumno debe conocer la existencia de estas distintas alternativas de compensación. Dependiendo de la aplicación para la que se necesite el amplificador, será posible elegir aquella opción que me permita obtener mejores prestaciones en cada caso concreto. Por ejemplo, el siguiente método de compensación permite mejorar las características del amplificador frente a ruidos o variaciones en la fuente de alimentación: Circuito alternativo de compensación. Las distintas curvas de características suministradas por el fabricante para cada tipo de compensación, junto con las Application otes (notas de aplicación) que suelen proporcionar como información adicional, permiten que el diseñador pueda hacer la mejor elección en cada caso. Página 7

8 5.-Memoria de la práctica. La memoria de esta práctica deberá incluir todas las cuestiones, medidas y gráficas señaladas en los apartados anteriores. Habrá de estructurarse de la siguiente forma: 1.- Introducción, indicando el propósito de la práctica. 2.- Estudio de la respuesta en frecuencia del amplificador no-inversor Amplificador de ganancia +9: diagrama de Bode Dependencia de la frecuencia de corte con la ganancia. 3.- Estudio de la respuesta en frecuencia del amplificador inversor Dependencia de la frecuencia de corte con la ganancia. 4.- Comparación de las dos configuraciones: resultados y conclusiones. 5.- Estudio de un amplificador no compensado Comportamiento sin compensar Comportamiento tras la compensación: R. en Frec. y Slew-Rate. 6.- Conclusiones y/o respuestas a cuestiones diversas. El alumno incluirá en el apartado final, conclusiones, toda consecuencia que estime pertinente respecto a los circuito medidos y comprobados en esta práctica. Por ejemplo: la dependencia del ancho de banda y la configuración, la influencia del Slew-Rate sobre la respuesta de todo amplificador construido con operacionales, etc. Como ayuda a la representación gráfica del diagrama de Bode de la ganancia de tensión pedida, se incluye finalmente un cuadro semilogarítmico que puede usarse para representar dicho diagrama. Página 8

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