PRÁCTICA 11. AMPLIFICADOR OPERACIONAL I 1. Objetvo El objetvo de esta práctca es el estudo del funconamento del amplfcador operaconal, en partcular de dos de sus montajes típcos que son como amplfcador nversor e ntegrador. 2. Materal necesaro La práctca se realzará en un aula del Centro de Cálculo, donde se hará uso de McroCap 9 verson demo. 3. Conocmentos prevos El alumno debe conocer el funconamento básco del amplfcador operaconal y las funcones báscas de McroCap 9. 4. Introduccón Teórca El amplfcador operaconal ( op-amp ) puede defnrse como un amplfcador de tensón de elevada gananca, con entrada dferencal y salda únca (Fgura 1). En funconamento lneal, la tensón de salda es gual a la dferenca entre las tensones de entrada multplcada por la gananca. Al ser un dspostvo actvo dspone de dos termnales adconales para la almentacón del dspostvo. Debdo a la elevada gananca que tene este dspostvo, en gran parte de sus aplcacones aparece en montajes con realmentacón. Para smplfcar los análss se suele emplear un modelo smplfcado, denomnado amplfcador deal, cuyas característcas veremos a contnuacón: Fgura 1: amplfcador operaconal V = V V = R I + R L Vo = A V R L + R o Debdo a la elevada mpedanca de entrada, se puede consderar que por los termnales de entrada no crcula ntensdad. Aunque dsponen de una baja mpedanca de salda, sempre que dcha mpedanca sea mucho menor que la de carga ( Ro << RL), se puede consderar que la tensón de salda no depende de la carga. 1
Por últmo, debdo a la elevada gananca del dspostvo (cuando está funconando en zona lneal), se puede consderar que la tensón dferencal de entrada es nula. Los amplfcadores operaconales son de los prmeros crcutos donde todos sus componentes se encontraban mnaturzados en la msma pastlla de slco (crcuto monolítco), con sólo los termnales de acceso dsponbles exterormente. La prmera versón del op-amp 741 (objeto de nuestra práctca) lo fabrcó la empresa Farchld en 1968. Aunque exsten desarrollos mucho mejores, este componente se usó como referenca (exsten muchos dspostvos pn-compatble en el mercado) y sgue fabrcándose en la actualdad. Otra ventaja es que al dsponerse del esquema del msmo para su estudo, se le suele emplear mucho como punto de partda de dseño. A pesar de que el modelo deal anterormente comentado es de gran utldad, es necesaro puntualzar que exsten un conjunto de lmtacones que es necesaro conocer, entre las que destacamos: Saturacón: La tensón de salda está lmtada por las tensones de almentacón del dspostvo. En el caso de que el dspostvo alcance la saturacón, dejará de funconar lnealmente y la tensón dferencal de entrada dejará de ser nula. Rango de salda: A menudo la tensón de salda satura antes de llegar a las tensones de almentacón, por lo que el rango de tensones a la salda aparece reducdo. Exste un tpo especal de operaconales modernos que no tenen esta lmtacón, los ral-to-ral op-amps pueden alcanzar las tensones de almentacón, por lo que tenen el rango de salda completo. Slew-Rate: Las varacones de la tensón de salda están lmtadas, cualquer cambo a una tasa superor, aparecerá con la tasa límte en la salda. Esta 2
característca se debe a las capacdades nternas de compensacón del dspostvo y forma parte del comportamento no lneal del dspostvo (por lo que no se puede analzar en pequeña señal). Comportamento frecuencal lmtado: todos los dspostvos reales poseen lmtacones frecuencales, y los op-amps no son una excepcón. La mayor parte de los op-amps son crcutos de polo domnante, cuyo comportamento se puede descrbr medante: -Gananca estátca A O : Es la gananca a bajas frecuencas. -Frecuenca superor w o : límte superor de la gananca estátca -Frecuenca de gananca undad GBP : es la frecuenca a la que la gananca se hace 1 (0dB) Estas característcas son del amplfcador sn realmentar (bucle aberto), modfcándose cuando el amplfcador está realmentado. La frecuenca de gananca undad ( Gan Bandwdth Product) es un nvarante, que se mantene cuando el op-amp está realmentado. Impedanca de salda: como se ha comentado anterormente, s Ro << RL podemos suponer la tensón de salda ndependente de la carga. Debe tenerse en cuenta que la red de realmentacón actúa como carga, sendo posble que en ocasones no se verfque la hpótess anteror, debéndose consderarse la ntensdad y por tanto la R o en los análss. Offset de tensones: Au nque dealmente cuando la tensón dferencal de entrada V = 0 debería de haber tensón nula a la salda, esto no es así, debdo fundamentalmente a tolerancas de fabrcacón y asmetrías en el dseño. El fabrcante suele especfcar una tensón a aplcar a la entrada. En todo el desarrollo anteror hemos supuesto que dsponíamos de tensones de almentacón smétrcas (splt supply), sn embargo en la mayor parte de los sstemas actuales se trabaja con una únca almentacón (sngle supply). En caso de almentacón únca, la tensón de salda del op-amp varía entre 0 y la tensón de almentacón, convrténdose la tensón nula de los crcutos con almentacón smétrca en la tensón meda. 3
Para emplear almentacón únca se unen los termnales de almentacón del op-amp a 0 y a la tensón de almentacón. Para obtener la tensón meda, sólo es necesaro colocar un dvsor resstvo. 5. Realzacón de la práctca Para todos los apartados de la práctca se debe utlzar el amplfcador operaconal LM741 dsponble dentro de las lbrerías báscas de McroCap 9. 1. Smulacón del amplfcador operaconal en montaje amplfcador nversor En el montaje amplfcador nversor que nos ocupa, las ecuacones del dspostvo son: I R2 =(V n -V A )/R 1 =(V A -V out )/R 2 V out = - A d V A Fgura 3: Montaje amplfcador nversor Asumendo que el dspostvo funcone lnealmente, podemos consderar desprecable la tensón dferencal de entrada V A, y obtendríamos que un montaje cuya gananca depende del cocente de dos resstencas: V out = -R 2 /R 1 V n 4
1.A Almentar el crcuto con tensones smétrcas ±5V. Fjar el valor de la resstenca R 2 a 10kΩ y R 1 a 2kΩ. Comprobar el correcto funconamento del nversor ntroducendo una señal senodal de meda 0v y ampltud 500mVpp y frecuenca 5kHz. Representa los resultados Qué gananca se obtene? (1.5 PUNTOS) 1.B Modfca la ampltud de la señal de entrada a 2Vpp. Representa la salda y justfca el resultado (0.5 PUNTOS) 1.C Representar la respuesta en frecuenca (en magntud y en fase) del montaje hacendo un análss AC desde 100 Hz hasta 1 GHz. Con esa nformacón, comprobaremos s son coherentes los valores de ampltud y fase con una frecuenca de la señal de entrada de 1 MHz. Para ello, volver a hacer un análss transtoro del sstema y medr la ampltud de la señal de salda y el desfase de ésta frente a la señal de entrada. (2 PUNTOS) 1.D. Calcular el slew rate del LM741. Qué tpo de señal pensas que servría para observar la lmtacón de slew rate? Por qué? (0.5 PUNTOS). Smula el crcuto nversor con una señal de entrada a 1 KHz. Justfca el resultado. (0.5 PUNTOS). 1.E. Para la msma señal de entrada del apartado 1.A modfca el montaje nversor de modo que esté almentado entre 0 y 10V (0.5 PUNTOS). Representa la señal de salda de modo que se observe correctamente amplfcada (0.5 PUNTOS). Modfca la ampltud de la señal de entrada a 2Vpp. Compara los resultados con los del apartado 1.B (0.5 PUNTOS). 1.F. Empleando el crcuto de almentacón únca, modfca las resstencas por R 2 a 500Ω y R 1 a 100Ω y aplca la señal de ampltud 500mVpp. Qué dferencas observas con el apartado anteror (0.5 PUNTOS). Calcular las ntensdades sumnstradas por el op-amp en ambos casos (1 PUNTO). 5
2. Smulacón del amplfcador operaconal en montaje ntegrador El montaje a smular en McroCap 9 es el de amplfcador ntegrador, que se muestra en la Fgura 4, almentado a ±5V. Fgura 4: Montaje ntegrador La ecuacón que caracterza el comportamento de dcho montaje es: La señal de entrada debe ser una señal cuadrada de 100Hz de frecuenca y 300mV de ampltud. 2.A Smular con un análss transtoro el montaje ntegrador con C 1 =100nF y R 2 =10kΩ. Qué forma de onda se obtene a la salda? Por qué? Medr la pendente de la señal de salda. (1.5 PUNTOS) 2.B Smular con un análss transtoro cambando la forma de onda de la señal de entrada añadéndole un valor de DC de 0.3 voltos. Qué forma de onda se obtene a la salda? Por qué? (0.5 PUNTOS) 6. Bblografía http://en.wkpeda.org/wk/operatonal_amplfer A Sngle-Supply Op-Amp Crcut Collecton, Nota de aplcacón SLOA058 de Texas Instruments http://focus.t.com/docs/prod/folders/prnt/ua741.html Hoja de componentes y modelo SPICE del UA741, 6