INTRODUCCIÓN A LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES. Objetivo general. Objetivos específicos. Materiales y equipo. Introducción Teórica

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1 Electrónica II. Guía 2 1 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Electrónica II. Lugar de ejecución: Fundamentos Generales, aula 3.21 (Edificio 3, 2da planta). INTRODUCCIÓN A LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES Objetivo general Familiarizar al estudiante con un amplificador operacional de usos generales (ua741), mediante la implementación de circuitos comparadores, para lograr que manipule el componente de forma segura y aplicando criterios técnicos correctos. Objetivos específicos Implementar un circuito básico que emplee amplificadores operacionales sin retroalimentación. Verificar el correcto funcionamiento del circuito tomando como base las lecturas del multímetro. Identificar las condiciones que inducen al amplificador operacional a entrar en estado de saturación y la manera de comprobar que realmente está en ese estado. Materiales y equipo 1 Unidad PU-2000 con PU Breadboard 1 Multímetro 1 Osciloscopio digital PicoScope 2204A. 1 Computadora con el software PicoScope 6 1 Cable USB tipo A/B 1 Amplificador operacional ua741 o equivalente 1 Resistencia de 1kΩ 6 Cables de conexión para el PU Puntas de osciloscopio 2 Puntas para multímetro 1 Pinza 1 Cortadora de alambre Alambre de telefonía Introducción Teórica Los amplificadores operacionales pueden ser utilizados para comparar dos señales y determinar cuál de ellas es mayor, una pequeña diferencia entre una señal y la otra provoca que a la salida del amplificador se tenga un voltaje máximo ya sea positivo (+Saturación) o negativo (-Saturación), esto es debido a que se trabaja en lazo abierto (sin retroalimentación) por lo que existe una ganancia máxima.

2 2 Electrónica II. Guía 2 La ganancia real de un amplificador operacional es de 200,000 o más, el voltaje de salida es igual a: Vsal = AOL (V1 V2) (1) Donde: Vsal = tensión de salida AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más) V1 y V2 = tensiones de entrada (ver Figura 1) Figura 1. Circuito comparador. Vsal no puede exceder el voltaje de saturación del amplificador operacional, ya sea este negativo o positivo. El voltaje de saturación es de aproximadamente 2 voltios menos que las fuentes de alimentación del amplificador operacional (+V y -V ), para el caso de amplificadores operacionales hechos a base de BJT, pero para los construidos en base a CMOS la salida pude acercarse mucho más a los valores de las fuentes de alimentación. Comparador No inversor En esta configuración el voltaje que se tendrá como referencia (que puede ser negativo o positivo) debe estar conectado a la entrada inversora del amplificador operacional y la señal a comparar en la entrada no inversora, tal como se muestra en la Figura 2. Figura 2. Comparador no inversor.

3 Electrónica II. Guía 2 3 Si el voltaje a comparar (Vc) es mayor que el de referencia (VRef) a la salida se tendrá un voltaje de saturación positivo (+Vsat) Si el voltaje a comparar (Vc) es menor que el de referencia (VRef) a la salida se tendrá un voltaje de saturación negativo (-Vsat) Comparador Inversor En esta configuración el voltaje que se tendrá como referencia (que puede ser negativo o positivo) debe estar conectado a la entrada no inversora del amplificador operacional y la señal a comparar en la entrada inversora, tal como se muestra en la figura 1.3 Figura 3. Comparador Inversor Si el voltaje a comparar (Vc) es mayor que el de referencia (VRef) a la salida se tendrá un voltaje de saturación negativo (-Vsat). Si el voltaje a comparar (Vc) es menor que el de referencia (VRef) a la salida se tendrá un voltaje de saturación positivo (+Vsat) Procedimiento PARTE I. COMPARADOR NO INVERSOR 1. Implemente un circuito comparador no inversor (Figura 2), con las siguientes especificaciones: Tensiones de alimentación del amplificador operacional: +12V y -12V, en sus respectivas entradas, tomándolas de las fuentes fijas que están junto a PS-1 y PS-2 Tensión de entrada para ser comparada: 7V, puede tomarlo de la fuente PS-1 Tensión de referencia: 0V, pueden tomarlo de algún punto GND, el PU2000 tiene varios disponibles. Resistencia de Carga: 1kΩ Figura 4. Pines del UA741.

4 4 Electrónica II. Guía 2 2. Mida la tensión y la intensidad de la corriente (magnitud y sentido) a la salida del amplificador operacional 3. Modifique la tensión de referencia a 5V. 4. Repita el paso 2 5. Reduzca la tensión a ser comparada hasta que sea menor que la tensión de referencia, pero siempre positiva (por ejemplo 3V) y repita el paso Cambie la tensión a ser comparada para que sea negativa, pero no inferior a la fuente de alimentación negativa que está usando en el amplificador operacional y repita el paso 2. PARTE II. COMPARADOR INVERSOR 7. Modifique el circuito para implementar un comparador inversor (Figura 3), usando las siguientes características: Tensiones de alimentación del amplificador operacional: +12V y -12V, en sus respectivas entradas, tomándolas de las fuentes fijas que están junto a PS-1 y PS-2. Tensión de entrada para ser comparada: 7V. Tensión de referencia: 0V. Resistencia de Carga: 1kΩ 8. Mida la tensión y la intensidad de la corriente (magnitud y sentido) a la salida del amplificador operacional 9. Modifique la tensión de referencia a 5V. 10. Repita el paso Reduzca la tensión a ser comparada hasta que sea menor que la tensión de referencia, pero siempre positiva (por ejemplo 3V) y repita el paso Cambie la tensión a ser comparada para que sea negativa, pero no inferior a la fuente de alimentación negativa que está usando en el amplificador operacional y repita el paso Mantenga las alimentación y la resistencia de carga en el circuito comparador inversor pero modifique lo siguiente: Tensión de entrada para ser comparada: Onda triangular de 7Vp, 1kHz y 0V offset. Tensión de referencia: 5V.

5 Electrónica II. Guía Observe y compare la señal triangular con la salida del circuito. Dibuje las formas de onda obtenidas, no olvide indicar la escala de voltaje de cada canal y la escala de tiempo. Canal A: V Canal B: V s/div: Figura 5. Tensión de entrada para ser comparada: onda triangular 7Vp, 1kHz y 0V offset y tensión de referencia: 5V. 15. Repita el paso anterior para las siguientes condiciones: Tensión de entrada para ser comparada: onda triangular 4Vp, 1kHz y 0V offset, tensión de referencia: 5V. Canal A: V Canal B: V s/div: Figura 6. Tensión de entrada para ser comparada: onda triangular 4Vp, 1kHz y 0V offset, tensión de referencia: 5V.

6 6 Electrónica II. Guía Repita el paso anterior para las siguientes condiciones: Tensión de entrada para ser comparada: onda triangular 7Vp, 1kHz y 0V offset, tensión de referencia: -5V. Canal A: V Canal B : V s/div: Figura 7. Tensión de entrada para ser comparada: onda triangular 7Vp, 1kHz y 0V offset, tensión de referencia: -5V. 17. Reconfigure el comparador inversor con las siguientes características: Tensiones de alimentación del amplificador operacional: +11V y -11V, en sus respectivas entradas, tómelas de PS-1 y PS-2. Tensión de entrada para ser comparada: 5V. Tensión de referencia: 0V, se puede tomar de algún punto GND del PU Resistencia de carga: 1kΩ 18. Mida las tensiones de saturación del amplificador operacional +Vsat = -Vsat = 19. Cambie la tensión de alimentación a +9V y -9V, repita el paso 18. +Vsat = -Vsat = 20. Cambie la tensión ahora a +6V y -6V y repita el paso número 18. +Vsat = -Vsat = 21. Apague y desconecte los equipos dejando limpio y ordenado su puesto de trabajo.

7 Electrónica II. Guía 2 7 Análisis de Resultados 1. Tanto en el comparador inversor como no inversor Considera que el amplificador operacional está funcionando muy similar al modelo ideal lineal? Si, no, Por qué? 2. Las oscilogramas obtenidos corresponden a la respuesta teórica esperada Si, no, Por qué? 3. Como pudo observar en el procedimiento al cambiar los valores de alimentación del amplificador operacional los valores de saturación cambiaban, cómo se podría predecir el valor concreto que se tendrá para un caso específico dado que la alimentación es variable? Investigación Complementaria Implemente el circuito que se le solicitó en el paso 13 en HSPICE utilizando el modelo del 741 y compárelo con la respuesta obtenida con el dispositivo real. Bibliografía Coughlin, R Driscoll, F, Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, quinta edición PRENTICE HALL, Floyd T, Dispositivos Electrónicos, octava edición, PEARSON, Boylestad, R - Nashelsky, L, Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos, décima edición, PRENTICE HALL, 2009.

8 8 Electrónica II. Guía 2 Hoja de cotejo: 2 Guía 2: Introducción a los Amplificadores Operacionales Alumno/a: Mesa No: Docente: GL: Fecha: EVALUACION CONOCIMIENTO APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO % Nota Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos aplicados en la práctica No realizó los pasos de la guía Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos aplicados en la práctica Necesitó la ayuda del docente de laboratorio Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos aplicados en la práctica Realizó los pasos de la guía y lleno todas las partes donde aplicaba 30 No realizó el análisis de resultados Necesitó la ayuda del docente de laboratorio Realizó el análisis de resultados ACTITUD 15 No tiene actitud proactiva Actitud propositiva, pero sus propuestas no son aplicables al desarrollo de la práctica. Tiene actitud proactiva y sus propuestas son concretas y factibles. TOTAL 100