Laboratorio Nº4. Procesamiento de señales con Amplificadores Operacionales

Transcripción

1 Laboratorio Nº4 Procesamiento de señales con Amplificadores Operacionales Objetios Estudiar y entender la operación interna de amplificadores operacionales reales con el fin de identificar los principales parámetros que lo caracterizan, y comprender como éstos afectan montajes de circuitos prácticos. Analizar y comprender el funcionamiento de circuitos no lineales basados en amplificadores operacionales operando en lazo abierto. Diseñar y ealuar diferentes tipos de amplificadores lineales realimentados basados en amplificadores operacionales con entradas múltiples. Diseñar y ealuar la respuesta en frecuencia de circuitos realimentados y filtros actios basados en amplificadores operacionales. Actiidades Proponer los circuitos y el set-up de instrumentos requeridos para la medición y compensación del oltaje offset de entrada ( io ) de un amplificador operacional real. Fundamente. Implementar un comparador simple sin histéresis basado en un amplificador operacional que erifique las siguientes condiciones: i < 4 [] LED ON, i 4 [] LED OFF. Considere 0 [] y - 0 []. Mida y tabule la tensión DC de salida en cada caso. Comente. Considerando 2 [] y - -2 [], diseñar los siguientes amplificadores lineales: - Amplificador inersor: A -4 ( in 00[m]/[kHz]). - Amplificador no inersor: A 5 ( in 00[m]/[kHz]). - Amplificador diferencial: A (2 entradas DC). isualice las formas de onda en cada componente y compruebe el correcto funcionamiento de cada circuito. Mida y tabule las señales de entrada y salida. Comente. Diseñar e implementar un filtro actio pasabajo C con una ganancia de oltaje DC A -0 y una frecuencia de corte de 5 [khz]. Considere 2 [] y - -2 []. erifique la ganancia DC. Ealuar la respuesta en frecuencia del circuito para una señal sinusoidal de 500 [m] de entrada. Mida y tabule las distintas señales de entrada y salida. epita las mediciones para una señal cuadrada. Comente. Diseñar y montar un filtro actio pasabanda angosta de 2 polos sintonizado en [khz], con una ganancia de oltaje A -0 y un factor de calidad 5, para una banda B 200 [Hz]. Considere 2 [] y - -2 []. Ealuar la respuesta en frecuencia del circuito para una señal sinusoidal de 00 [m] de entrada. Mida y tabule las distintas señales de entrada y salida. Comente. Nota: Utilice el amplificador operacional LM 74 en el desarrollo de cada una de las actiidades. ué es la relación de rechazo en modo común (CM) y el slew rate (S) en un Amp. Op. real?

2 Marco Teórico Un Amplificador Operacional es un circuito electrónico integrado compuesto de una serie de transistores, resistencias y condensadores, que forman un amplificador diferencial con eleada ganancia de oltaje, muy alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Los amplificadores operacionales presentan 2 entradas, denominadas inersora ( - ) y no inersora ( ), y una única salida ( ). Normalmente se alimentan utilizando fuentes de poder dual (, - ) en el rango de ±5 [] a ±25 [], y ya que no presentan acoplamiento capacitio entre sus distintas etapas internas, permiten amplificar señales continuas y alternas en un amplio rango de frecuencias (hasta arios khz). La mayoría de los amplificadores operacionales se diseñan y construyen utilizando 4 etapas básicas conectadas en cascada: Amplificador Diferencial, Etapa de Ganancia de oltaje, Desplazamiento de Niel y Etapa de Potencia de Salida. El amplificador diferencial de entrada y la etapa de ganancia de oltaje son las únicas etapas encargadas de brindar la ganancia de oltaje al amplificador operacional. La etapa de desplazamiento de niel se requiere para asegurar que el amplificador operacional no presente oltaje offset DC de salida. La etapa de potencia de salida se requiere para lograr una alta ganancia de corriente cuando se conectan bajas impedancias de salida. Un amplificador operacional ideal se caracteriza por presentar los siguientes parámetros: - esistencia de entrada infinita ( in ). - esistencia de salida nula ( o 0) - Ganancia de oltaje en lazo abierto infinita (G ). El modelo equialente de un amplificador operacional ideal con estos parámetros se muestra en Fig.3. En este modelo, la salida del amplificador operacional no depende de las magnitudes de los dos oltajes de entrada, sino sólo de la diferencia entre ellos ( d ) y la ganancia de oltaje en lazo abierto del amplificador (G). Entrada Inersora Entrada No Inersora - Salida Offset Null - NC Offset Null a) b) Fig. Amplificadores Operacionales: a) Símbolo Electrónico, b) Diagrama de conexiones amplificador operacional LM74 encapsulado DIP-8. Fig. 2 Diagrama de bloques configuración interna típica de amplificadores operacionales.

3 Los parámetros de amplificadores operacionales ideales suelen ser buenas aproximaciones de los parámetros que presentan los amplificadores operacionales reales. Los parámetros típicos de los amplificadores operacionales reales son: - esistencia de entrada in del orden de [MΩ]. - esistencia de salida o del orden de 00 [Ω] o menos. - Ganancia de oltaje en lazo abierto G, típicamente de 0 5 a bajas frecuencias. Por esto, el modelo equialente de los amplificadores operacionales ideales es una aliosa herramienta que permite simplificar el diseño y análisis de circuitos basados en amplificadores operacionales reales. Además, cuando se utilizan amplificadores operacionales reales en amplificadores lineales, dado que la ganancia de oltaje en lazo abierto del amplificador operacional es muy grande y las tensiones de alimentación son finitas, es posible asumir la existencia de un cortocircuito irtual entre los terminales de entrada (). Al mismo tiempo, dado que la impedancia de entrada de los amplificadores operacionales es muy alta (infinita en el caso ideal), también se recomienda considerar en el análisis de estos circuitos que la corriente en cada entrada es nula (2). Sin embargo, debemos tener presente que estas aproximaciones dejan de ser álidas en aplicaciones no lineales que utilicen amplificadores operacionales. 0 () G i i 0 (2) d in G d o d ( ) Fig. 3 Modelo equialente de un amplificador operacional ideal. 2 ref < LED ON LED OFF in ref in ref Fig. 4 Comparador Simple sin Histéresis basado en amplificador operacional.

4 f a A f o in a) a f a A o in b) f a o c) Fig. 5 Amplificadores lineales basados en amplificador operacional: a) Amplificador Inersor, b) Amplificador No-Inersor, c) Amplificador Diferenciador.

5 C 2 2 F. de T. : H( s) Cs 2 2 Ganancia de oltaje DC: A DC Frecuencia de Corte: ωc 2π fc 2C a) C C 3 2 esistencia de Entrada: esistencia de Atenuación: esistencia de ealimentación: 2 ( G π f C) (( 2 G) 2π f C) ( π f C ) Ganancia de oltaje Pasabanda: G Frecuencia Sintonización: f 2 π C 2 3 b) Fig.6 Filtros Actios basados en amplificador operacional: a) Filtro actio de primer orden C, b) Filtro actio Pasabanda Angosta de 2 orden.