PRACTICA Nº 1: APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

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1 PRACTICA Nº 1: APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL El objetivo de esta práctica es la medida en el laboratorio de distintos circuitos con el amplificador operacional 741. Analizaremos aplicaciones lineales y no lineales sin más que cambiar algunos elementos externos. Ésta práctica se desarrollará en dos sesiones de dos horas cada una: Sesión 1.1: Aplicaciones del amplificador operacional I: configuraciones amplificadoras y sumador Sesión 1.2: Aplicaciones del amplificador operacional II: derivador, integrador y amplificador logarítmico. El amplificador operacional 741 es un circuito integrador de bajo coste y de propósito general. Es un circuito que amplifica la diferencia entre su entrada no inversora, V +, y la no inversora V -, de acuerdo con el siguiente modelo: V + V - R i R o A v (V + -V - ) V o Figura 1.1: modelo amplificador operacional. Donde vamos a considerar que el amplificador operacional es ideal y, por tanto, R i, A V y R o 0. Además de los dos terminales de entrada y el de salida, el circuito tiene dos terminales adicionales para la alimentación. El circuito integrado que se va a utilizar consta de 8 pines de conexión, numerados en sentido opuesto a las agujas del reloj empezando por el extremo que queda a la izquierda de la marca del encapsulado tal y como se muestra en la figura siguiente: FTC.1

2 Vista superior Figura 1.2: patillaje Entrada inversora, V - : Pin 2. - Entrada no inversora, V + : Pin 3. - Salida, V o : Pin 6. - Alimentación positiva (+15 V):Pin 7. - Alimentación negativa ():Pin 4. - El resto de pines se dejan sin conectar. Muy importante: La tierra de las alimentaciones +15 V y 15 V debe estar cortocircuitada a la tierra de la señal de entrada y del osciloscopio (cuando se use éste). SESIÓN 1.1: Aplicaciones del amplificador operacional I Instrumental de laboratorio: Osciloscopio. Polímetro. Fuente de tensión continua. Generador de señal alterna. Componentes electrónicos: 1 amplificador operacional 3 resistencias Amplificador en configuración no inversora: Medida con el osciloscopio de la característica de transferencia del circuito, V o =f( ), calculando su ganancia y los puntos de saturación. FTC.2

3 R 2 R V - Vo + Figura 1.3: amplificador en configuración no inversora. Elegir los valores para que R 2 >R 1. Ganancia en la zona lineal: 1+ R 2 /R Poner en la entrada una señal sinusoidal con el generador de señal a 1 khz de frecuencia y una amplitud grande (>10 V). 2. Colocar la sonda del CH1 del osciloscopio a la entrada y la CH2 a la salida y poner el osciloscopio en modo de medida X-Y (en la base tiempos). 3. En esa gráfica que representa V o en función de, medir la pendiente que será la ganancia del circuito (-R 2 /R 1 ) y los puntos exactos donde la respuesta es plana por saturación. 4. Representar gráficamente estos datos comparándolos con la teoría Amplificador en configuración inversora: Medida con el osciloscopio de la característica de transferencia del circuito, V o =f( ), calculando su ganancia y los puntos de saturación. FTC.3

4 R 2 R V - Vo + Figura 1.4: amplificador en configuración inversora. Elegir los valores para que R 2 >R 1. Ganancia en la zona lineal: -R 2 /R 1. Idéntico al apartado anterior Amplificador sumador inversor: Medida con el osciloscopio de la característica de transferencia del circuito, V o =f( ), calculando su ganancia. R 3 R 2 V 2 V 1 R V V o Figura 1.5: amplificador sumador inversor. FTC.4

5 Elegir los valores para que R 3 =R 1 <R 2. V Ganancia en la zona lineal: 1 V2 R 2 +. R1 R3 Tomar para V 1 una señal sinusoidal y para V 2 una tensión continua de la fuente ajustable. Medir en el osciloscopio algunos puntos de la tensión de salida en la zona lineal para poder comprobar que la ecuación de la ganancia se cumple: 1. Poner el osciloscopio en el modo normal (amplitud frente a tiempo) y visualizar la entrada V 1 y la salida V o. 2. Medir con los cursores la amplitud de ambas señales en varios puntos: (máximo y mínimo por ejemplo de las ondas) y verificar la expresión de la ganancia. 3. Cambiar la tensión de entrada V 2 de la fuente ajustable y volver a medir. Comprobar que incrementando esta entrada se entra en saturación y se recorta la señal de salida. FTC.5

6 SESIÓN 1.2: Aplicaciones del amplificador operacional II. Instrumental de laboratorio: Osciloscopio. Polímetro. Fuente de tensión continua. Generador de señal alterna. Componentes electrónicos: 1 amplificador operacional 2 resistencias. 1 condensador 1 transistor bipolar Circuito derivador. Comprobar en el dominio del tiempo la respuesta del circuito derivador con amplificador operacional. R C V V o Figura 1.6: circuito derivador. Tomar R C= 10-4 (por ejemplo C = 100 nf y R = 1 kω) Este circuito, tal y como se ha demostrado en clase, tiene la siguiente tensión de salida: dvi ( t) vo ( t) = R C (1.1) dt FTC.6

7 1. Introducir a la entrada una señal sinusoidal de amplitud 10V y f = 1 khz. 2. Calcular teóricamente el resultado de la ecuación 1 con esa señal de entrada. 3. Comprobar con el osciloscopio el punto anterior: midiendo la amplitud de la señal de salida y compararla con la dada por la ecuación 1. Dibuje lo observado. 4. Introducir una señal triangular, medir y representar la señal de salida obtenida. Justifíquela Circuito integrador (filtro paso baja). Comprobar en el dominio del tiempo y de la frecuencia la respuesta del circuito integrador con amplificador operacional. C R 2 R V Vo + - Figura 1.7: circuito integrador (filtro paso baja). Tome R 2 C=10-4 y R 1 = R 2 1. Comprobar con el osciloscopio que la salida es proporcional a la integral de la entrada cuando la señal de entrada es una seno y una señal cuadrada. Dibujar lo observado en la pantalla. 2. Obtener y representar gráficamente el diagrama de Bode en amplitud de este circuito, es decir, medir la tensión de salida pico a pico, la tensión de entrada FTC.7

8 pico a pico (señal senoidal de 10 V pico a pico), para cada frecuencia en el rango de 500 Hz a 100 khz y representar el 20 logaritmo de su cociente frente al logaritmo de la frecuencia (repasar los guiones de prácticas de la asignatura de fundamentos físicos). 3. Qué ocurre si se elimina R 2?. Dibuje lo que ocurre y explíquelo Amplificador logarítmico. Comprobar la respuesta del amplificador logarítmico. T 1 R V Vo Figura 1.8: amplificador logarítmico. En ese circuito, la tensión de salida viene dada por: V o = -V T ln(k /R 1 ) (1.2) donde V T y K son constantes dependientes de la temperatura y del transistor usado. Use R 1 = 1 kω y el transistor bipolar suministrado. 1. Introducir a la entrada la fuente continua ajustable entre 0 y +15 V. En el rango de entrada de 0 a 1 V en pasos de 0.1 V y hasta 15 V en pasos de 1 V. FTC.8

9 2. Mida con el polímetro la tensión de salida en función de la entrada en el rango señalado. Represente gráficamente la tensión de salida V o, en función de ln( ) obteniendo el ajuste por mínimos cuadrados de la curva obtenida. 3. Introduzca más puntos de donde la salida varíe más rápidamente. FTC.9