Componentes Electrónicos. Prácticas - PSPICE. Práctica 5: Amplificadores Operacionales

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2 Práctica 5: Amplificadores Operacionales (Simulación con PSPICE) APARTADOS OBLIGATORIOS DE LA PRÁCTICA Índice: 1. Aplicaciones lineales del amplificador operacional. 1.1 Circuito amplificador inversor Subapartado a) 1. Circuito sumador no inversor Subapartado a) Aplicaciones no lineales del amplificador operacional.1 Circuito comparador con histéresis Subapartado a) Subapartado b). Circuito generador de onda rectangular 1

3 En esta práctica se aborda el estudio de los amplificadores operacionales analizando con PSPICE los circuitos de aplicación más ampliamente utilizados. En el primer apartado se estudiarán las aplicaciones lineales del amplificador operacional, donde la salida del circuito tiene un comportamiento lineal respecto de la señal de entrada. Se estudiará con detalle los circuitos de amplificación inversora, la suma de señales y la derivada de la señal de entrada. En el segundo apartado se analizarán las aplicaciones no lineales del amplificador operacional. En particular se estudiará el circuito comparador con histéresis y los circuitos de generación de señal, tanto rectangular como triangular. 1. Aplicaciones lineales del amplificador operacional 1.1 Circuito amplificador inversor Una de las aplicaciones más utilizadas con amplificadores operacionales es la amplificación de tensión, tanto inversora como no inversora. Considere el circuito de la figura siguiente, donde se muestra un amplificador inversor. El amplificador operacional utilizado es el ua741; se trata de un AO de uso general. La alimentación del mismo es simétrica, +Vcc = 15V; -Vcc = -15V. Vref +Vcc Vin R1 3 ua741 U1 + - V+ 7 V- OS OUT OS Vout 4 -Vcc R Figura 1. Amplificador inversor a) Considere que la tensión de referencia que se ha conectado en el terminal V+ del amplificador es nula, es decir Vref=0V (equivalente a conectar el terminal a tierra). Realice los siguientes apartados.

4 i) Obtenga la respuesta teórica del circuito (tensión de salida en función de la tensión de entrada) y la ganancia de tensión. Diseñe las resistencias R 1 y R para que la ganancia en tensión que presente el circuito sea de 10 en valor absoluto. Vo = Av = R 1 = R = ii) Obtenga, mediante simulación, la función de transferencia del amplificador inversor con los valores de resistencias obtenidos en el apartado anterior. Para ello, conecte una fuente de tensión de continua como entrada del amplificador y realice un barrido de continua (DC Sweep) sobre esta fuente entre -V y V con un incremento de 0.01V. Represente la función de transferencia y a partir de ella obtenga los siguientes parámetros: +Vsat= Tensión de entrada para saturación positiva Tensión de entrada para saturación negativa -Vsat = Vin = Vin = Comente las posibles diferencias respecto al amplificador operacional ideal visto en clase. iii) Considere la tensión de entrada como una tensión de continua de 1V. Simule el circuito y obtenga la tensión e intensidad en cada uno de los terminales del amplificador operacional. Rellene la siguiente tabla. V+= I+ = Vout = V- = I- = Av = A la vista de los resultados, comente si se cumple la hipótesis de cortocircuito virtual que se ha utilizado en clase para el amplificador operacional ideal realimentado negativamente. Justifique las posibles diferencias. iv) Considere en este apartado que la señal de entrada es una tensión senoidal de 1V de amplitud, valor nulo y 1kHz de frecuencia. Simule el circuito y represente la tensión de entrada y de salida en la misma gráfica. Represente en otra gráfica las tensiones en los terminales V+ y V del AO. Se cumple la hipótesis de cortocircuito virtual? 3

5 v) Modifique la amplitud de la señal senoidal de entrada para que en este caso sea de V. Represente la tensión de entrada y de salida en una misma gráfica. Justifique las formas de onda obtenidas. Obtenga los valores de la tensión de entrada para los cuales la tensión de salida satura. Saturación positiva: Vin = Saturación negativa: Vin = Represente en otra gráfica aparte los valores de tensión de los terminales V+ y V- del operacional. Justifique los resultados e indique si se cumple la hipótesis de cortocircuito virtual. 4

6 1. Circuito sumador no inversor En este apartado trabajaremos con otro de los circuitos de aplicación más utilizados del amplificador operacional, el sumador no inversor. El circuito propuesto se muestra en la figura, donde la alimentación es simétrica con valores +Vcc=15V y Vcc=-15V. R1 +Vcc Vin Vref R 3 ua741 U1 + - V+ 7 V- OS OUT OS Vout 4 -Vcc RB RA 0 Figura. Circuito sumador no inversor. Obtenga la expresión teórica para la tensión de salida del circuito de la figura. Particularice la expresión para R 1 = R. Justifique el nombre del circuito. Expresión general Expresión para R 1 = R Vout = Vout = a) Suponga todas las resistencias del circuito iguales y de valor 1k. La tensión de entrada, Vin, es una senoidal de 1V de amplitud, valor medio nulo y una frecuencia de 1kHz. Simule el circuito y represente en una misma gráfica la tensión de entrada y salida del mismo para los siguientes valores de tensión de referencia: i) Vref = 0.5V ii) Vref = 1V iii) Vref = -1V Justifique los resultados obtenidos en cada uno de los puntos anteriores. A la vista de estos resultados indique las aplicaciones de este circuito. 5

7 . Aplicaciones no lineales del amplificador operacional.1 Circuito comparador con histéresis (báscula de Schmitt) El circuito comparador con histéresis es uno de los circuitos más utilizados dentro de las aplicaciones no lineales del amplificador operacional. La salida del circuito varía entre los valores positivo y negativo de saturación del operacional en función de los valores que adopta la señal de entrada, de forma que a la salida tenemos una señal cuadrada cuyo ciclo de trabajo y periodo depende de los valores de la señal de entrada y, evidentemente, del valor de los componentes del circuito. Considere el circuito de la figura 4, donde se muestra una báscula de Schmitt con tensión de referencia para el desplazamiento de los valores de conmutación del circuito. La alimentación es simétrica con valores +Vcc=15V y Vcc=-15V. Vref R R1 +Vcc 3 ua741 U1 + V+ 7 OS OUT 5 6 Vout Vin - V- 1 4 OS1 -Vcc Figura 4. Circuito comparador con histéresis. a) Obtenga de forma teórica la respuesta del circuito, es decir, determine el valor de la tensión de entrada que hace que la salida conmute entre +Vsat y Vsat (V HL ) y la tensión de entrada para la cual la salida conmuta entre los niveles bajo y alto (V LH ). Calcule igualmente la amplitud del ciclo de histéresis, V H. V HL = V HL = V H = 6

8 b) Suponga en este apartado que la señal de referencia es nula (0V), equivalente a conectar esta tensión a tierra. Diseñe el valor de las resistencia R 1 y R del circuito de forma que el ciclo de histéresis sea de 10V. R 1 = R = i) En este punto, se pretende obtener la función de transferencia del circuito. Para ello se realizará un barrido en DC de la tensión de entrada. Como la respuesta del circuito es distinta en función de si la tensión de entrada aumenta en valor o disminuye, tendrá que hacer dos barridos, uno incrementando la tensión de salida y el segundo disminuyéndola. - Conecte como tensión de entrada del circuito una fuente de continua y realice un barrido de esta tensión (DC Sweep) entre -10V y 10V con un incremento de 0.01V. Represente la tensión de salida y obtenga el valor de la tensión de entrada que hace que la salida conmute entre los valores +Vsat y Vsat. V HL = - Modifique los valores inicial y final del barrido de forma que en este caso el valor inicial sea de +10V y el valor final de -10V. Represente la tensión de salida y obtenga el valor de la tensión de entrada que provoca la conmutación entre los valores Vsat y +Vsat V LH = Calcule el ciclo de histéresis y los valores de saturación del operacional V H = +Vsat = -Vsat = Comente las diferencias que encuentre entre estos valores y los de diseño teóricos. Justifique estas discrepancias. ii) Sustituya la señal de entrada por una tensión senoidal de 10V de amplitud, valor medio nulo y frecuencia 1kHz. Represente en la misma gráfica la tensión de salida y la de entrada. Con los cursores obtenga el valor de V LH y V HL. Coincide con lo esperado? V LH = V HL = 7

9 iii) Una de las principales ventajas de este tipo de comparador es su inmunidad frente al ruido que pueda afectar a la señal de entrada. Para comprobarlo, vamos a superponer a la tensión de entrada senoidal del apartado anterior un ruido de alta frecuencia. Para ello, conecte en serie con la fuente senoidal anterior una nueva fuente senoidal de amplitud 500mV, valor medio nulo y frecuencia 50kHz. Simule el circuito y represente en la misma gráfica la tensión de entrada y la de salida. Observe la señal de salida e indique si afecta el ruido de la señal de entrada a la salida del circuito. 8

10 . Circuito generador de onda rectangular Considere el circuito de la siguiente figura. Se trata de un generador de onda rectangular que, sin necesidad de ningún tipo de señal externa, es capaz de proporcionar una señal cuadrada de frecuencia controlable a partir del valor de los componentes. R R1 +Vcc 0 3 ua741 U1 + V+ 7 OS OUT 5 6 Vout - V- OS Vcc C R Figura 5. Circuito generador de onda rectangular. La alimentación del operacional es simétrica con valores +Vcc=15V y Vcc=-15V. Para que el circuito funcione y arranque se necesita de una carga inicial en el condensador. Abra sus propiedades y añada una tensión inicial de 15V, IC = 15V. Tome los siguientes valores para los componentes del circuito: R=0k; R 1 =1k; R =1k y C=100nF. Simule el circuito y represente la tensión de salida del mismo. Compruebe que a la salida se obtiene una señal cuadrada cuyo periodo sigue la siguiente expresión (calcúlelo con los cursores): T = RC ln 1+ R $ # & " % R 1 Tomando como fijos los valores de la resistencia R y del condensador C, diseñe el valor de las resistencias R 1 y R para obtener a la salida del circuito una señal cuadrada de frecuencia 100Hz. Simule el circuito en estas condiciones, represente la señal de salida y compruebe que se cumple las condiciones de diseño. Justifique las posibles diferencias encontradas. 9