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

Transcripción

1 "#$%&'()*&+,-#.+#'(/$0%+*(%(&#%( *0*.%.,%"(&%#,.+#*"( %'(%(8%#.*&*9:'(&%#,.+#'(( Prácticas - PSPICE Práctica : Amplificadores Operacionales PRÁCTICA COMPLETA "#$%&'()*+,-.-*-##(

2 Práctica : Amplificadores Operacionales (Simulación con PSPICE) Índice:. Aplicaciones lineales del amplificador operacional.. Circuito amplificador inversor. Circuito sumador no inversor. Circuito derivador inversor Aplicaciones no lineales del amplificador operacional. Circuito comparador con histéresis. Circuito generador de onda rectangular. Circuito generador de onda triangular

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.. Aplicaciones lineales del amplificador operacional. 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 ua; se trata de un AO de uso general. La alimentación del mismo es simétrica, +Vcc = V; -Vcc = -V. Vref +Vcc Vin R ua U + - V+ V- OS OUT OS Vout -Vcc R Figura. 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 y R para que la ganancia en tensión que presente el circuito sea de 0 en valor absoluto. Vo = Av = R = 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 0.0V. 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 V. 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 V de amplitud, valor nulo y khz 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?

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. b) Considere ahora que la tensión de referencia que se ha conectado en el terminal V+ del amplificador no es nula, sino que tiene un valor de 0.V, Vref = 0.V. En estas condiciones, realice los siguientes apartados. i) Obtenga la respuesta teórica del circuito (tensión de salida en función de la tensión de entrada). Obtenga numéricamente la expresión de la tensión de salida para los valores de resistencias R y R obtenidos en el apartado a). Indique cual es a su juicio la aplicación del circuito. Vo teórica = Vo numérica = ii) En este apartado se pretende obtener, mediante simulación, la función de transferencia del circuito. 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 0.0V. Represente la función de transferencia y a partir de ella obtenga los siguientes parámetros: Tensión de entrada para saturación positiva Tensión de entrada para saturación negativa Vin = Vin = Comente las diferencias respecto al caso en el que la tensión de referencia es nula.

6 iii) Considere la tensión de entrada como una tensión de continua de V. Simule el circuito y obtenga la tensión de salida. Cambie la tensión de entrada a -V y obtenga de nuevo la tensión de salida. Vin = V Vin = -V Vout = Vout = Compruebe si se cumple la expresión teórica de la tensión de salida. Justifique las posibles diferencias. iv) Conecte como tensión de entrada una fuente de tensión senoidal de V de amplitud, valor medio nulo y khz de frecuencia. Simule el circuito y represente la tensión de entrada y de salida en la misma gráfica. Justifique las formas de onda obtenidas. v) Modifique la amplitud de la señal senoidal de entrada para que sea de V. Represente la tensión de entrada y de salida en una misma gráfica. Justifique las formas de onda obtenidas y obtenga los valores de la tensión de entrada para los cuales la tensión de salida satura. Saturación positiva: Vin = Saturación negativa: Vin =

7 . 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=V y Vcc=-V. R +Vcc Vin Vref R ua U + - V+ V- OS OUT OS Vout -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 = R. Justifique el nombre del circuito. Expresión general Expresión para R = R Vout = Vout = a) Suponga todas las resistencias del circuito iguales y de valor k. La tensión de entrada, Vin, es una senoidal de V de amplitud, valor medio nulo y una frecuencia de khz. 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.V ii) Vref = V iii) Vref = -V Justifique los resultados obtenidos en cada uno de los puntos anteriores. A la vista de estos resultados indique las aplicaciones de este circuito.

8 b) Suponga en este caso que la señal de entrada es una senoidal de V de amplitud y frecuencia khz. Obtenga los valores de las resistencias y de la tensión de referencia del circuito para que a la salida tengamos una señal senoidal positiva con un valor medio de V y un valor pico a pico de 0V. R = R A = Vref = R = R B = Simule el circuito y represente en una misma gráfica la tensión de entrada y la de salida.

9 . Circuito derivador inversor Considere en este apartado el circuito derivador inversor mostrado en la figura, siendo la alimentación simétrica con valores +Vcc=V y Vcc=-V.. +Vcc 0 ua U + - V+ V- OS OUT OS Vout -Vcc Vin C R Figura. Circuito derivador inversor. Asigne al condensador un valor de 0nF y a la resistencia un valor de 0k. La señal de entrada es una senoidal con V de amplitud, valor medio nulo y khz de frecuencia. Simule el circuito y represente en la misma gráfica la tensión de entrada y la de salida. Ajuste adecuadamente el tiempo de simulación para evitar el transitorio del circuito. Compruebe que la salida del circuito es la derivada cambiada de signo de la tensión senoidal de entrada. Considere en este caso que la tensión de entrada del circuito derivador es una señal triangular de V de amplitud, valor medio nulo y frecuencia 00Hz. Ajuste adecuadamente los parámetros de la función VPULSE para obtener este tipo de señal. Represente la tensión de entrada y salida en una misma gráfica. Ajuste el tiempo de simulación para que se muestre en la gráfica cinco periodos de la señal de entrada. Comente los resultados obtenidos. Para reducir la respuesta transitoria del circuito se debe disminuir el tiempo de respuesta del mismo, que para un circuito RC es " = RC. Cambie el valor de capacidad del condensador por nf y repita la simulación. Represente la tensión de entrada y salida. Comente los resultados y justifique la operación del circuito. Indique qué añadiría a este circuito para obtener una tensión a la salida más parecida a la derivada teórica de la señal de entrada. Acompañe esta respuesta del circuito que proponga y de las simulaciones necesarias para justificar su solución. 8

10 . Aplicaciones no lineales del amplificador operacional. 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, 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=V y Vcc=-V. Vref R R +Vcc ua U + V+ OS OUT Vout Vin - V- OS -Vcc Figura. 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 = 9

11 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 y R del circuito de forma que el ciclo de histéresis sea de 0V. R = 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 -0V y 0V con un incremento de 0.0V. 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 +0V y el valor final de -0V. 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 0V de amplitud, valor medio nulo y frecuencia khz. 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 = 0

12 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 00mV, valor medio nulo y frecuencia 0kHz. 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. c) Modifique ahora el valor de la tensión de referencia y asígnele a la fuente correspondiente una tensión de V. i) Conecte a la entrada una fuente de tensión de continua y obtenga de nuevo la función de transferencia del circuito realizando dos barridos sobre esta fuente de tensión. Represente para cada uno de estos barridos la tensión de salida y obtenga los parámetros característicos del circuito: V HL = V HL = V H = Justifique los resultados obtenidos y las posibles diferencias respecto de los valores de diseño teóricos. Cuál es el efecto de añadir una tensión de referencia? ii) Reemplace la fuente de tensión de entrada por una senoidal de V de amplitud, valor medio nulo y frecuencia khz. Simule el circuito y represente en la misma gráfica la tensión de entrada y la de salida. Calcule con la ayuda de los cursores los valores de tensión de entrada que provocan la conmutación en la tensión de salida. V LH = V HL = Comente las principales diferencias que detecte entre los resultados de este apartado y los obtenidos en el homólogo del apartado b).

13 . 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 R +Vcc 0 ua U + V+ OS OUT Vout - V- OS -Vcc C R Figura. Circuito generador de onda rectangular. La alimentación del operacional es simétrica con valores +Vcc=V y Vcc=-V. 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 V, IC = V. Tome los siguientes valores para los componentes del circuito: R=0k; R =k; R =k y C=00nF. 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 + R $ # & " % R Tomando como fijos los valores de la resistencia R y del condensador C, diseñe el valor de las resistencias R y R para obtener a la salida del circuito una señal cuadrada de frecuencia 00Hz. 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.

14 . Circuito generador de onda triangular Considere el circuito que se muestra en la figura. Se trata de una circuito generador de onda triangular, cuya amplitud y frecuencia se puede controlar con los valores de los distintos componentes. El circuito consiste en la unión de dos subcircuitos: un comparador con histéresis, que genera una señal cuadrada, y un circuito derivador que nos ofrece la señal triangular a la salida. Tal y como se estudió en la teoría de la asignatura, la amplitud y periodo de la señal triangular de salida siguen las siguientes expresiones, considerando que la alimentación es simétrica: V p = R R Vsat T = CR R R R R ua U + - +Vcc V+ V- OS OUT OS R 0 U + - ua +Vcc V+ V- -Vcc OS OUT OS Vout 0 -Vcc C Figura. Circuito generador de onda triangular. La alimentación del circuito es simétrica con valores +Vcc=V y Vcc=-V. Para el arranque del circuito se necesita una carga inicial en el condensador. Para ello, entre en las propiedades de este componente y añada una tensión inicial de V, IC=V. Tome los siguientes valores para los componentes del circuito: R =k; R =.k; R =0k y C=nF. Simule el circuito y represente la tensión de salida del mismo. Compruebe que se trata de una señal triangular y, con la ayuda de los cursores, calcule la amplitud y frecuencia de la misma. Compruebe si se cumplen las expresiones vistas en teoría para la amplitud y periodo de la señal. Justifique las posibles diferencias entre los valores experimentales y teóricos obtenidos.

15 Diseñe el valor de los componentes del circuito generador de onda triangular para que a la salida del mismo se obtenga una señal con una amplitud de V y una frecuencia de 00Hz. Simule el circuito y represente la señal de salida. Obtenga con los cursores la amplitud y frecuencia de la misma. Indique el grado de cumplimento de las expresiones de diseño del circuito y justifique las posibles discrepancias.