Trabajo Práctico Nº4: "AmplificadoresOperacionales" "Trabajo en construccion"

Trabajo "en construcción"

Objetivos de esta experiencia

• Usar un amplificador operacional re-alimentado negativamente, en configuración inversor.
• Medir tensiones de entrada y salida con multímetro y osciloscopio. Con este último tomar muestras de las señales medidas.
• Medir el comportamiento del amplificador inversor con tensiones continuas y alternas en su entrada.
• Calcular la ganancia del amplificador dentro de la zona lineal. Expresar su valor en veces y en dB.
• Graficar la función transferencia (Vo en función de Vs).
• Reconocer las zonas de saturación y de amplificación lineal.
• Medir la tensión residual de salida (offset).
• Apreciar las limitaciones de la ganancia en función de la frecuencia para dos tipos distintos de amplificadores operacionales .

  Introducción teórica:

   Fundamento teórico:
  
  El amp. Operacional es un dispositivo activo, multiterminal, con una ganancia muy elevada. En su interior hay un conjunto de transistores y resistencias que hacen difícil el análisis del circuito interno. los estudios se centran en determinar su función de transferencia, la relación de voltaje de salida respecto al voltaje de entrada. Para nuestros análisis se utilizara el amp. A741, que viene encapsulado en un formato de 8 pines, que en determinadas circunstancias, puede comportarse como una fuente de tensión controlada con una ganancia muy elevada. En la cara superior del dispositivo hay un punto marcado que sirve de referencia para identificar el pin 1; el resto se nombran en sentido contrario a las agujas del reloj.
  
  Las funciones de cada una son:
  
  1. Ajuste a cero
  2. Entrada inversora(-)
  3. Entrada no inversora(+)
  4. Polarización negativa hasta -15V.
  5. Ajuste a cero
  6. Salida
  7. Polarización positiva hasta +15V.
  8. Sin conexiones.

  
  
  
  

   

  

    Dentro de las configuraciones básicas, tenemos la configuración inversora.

   Analizando el comportamiento del circuito anterior, se obtiene que.
  
  Vo = - (Vi * Rf)/Rin
  
  Siendo la ganancia del circuito:
  
  Vo/Vi = -( Rf / Rin)
  
  ,Y Vi, Vo, las tensiones de entrada y salida.
  
  En la figura siguiente se muestra la configuración de un AO como dispositivo lineal: el amplificador No inversor.

  

   Al analizar el comportamiento del circuito anterior, se obtiene que:
  
  Vo = (Vi / R1) * (R1 + R2)
  
  Siendo la ganacia del circuito:
  
  Vo / Vi = (R1 + R2) / (R1)
  , y Vi, Vo, las tensiones de entrada y salida.
  
  Aplicando los conocimientos obtenidos podemos encontrar otras configuraciones básicas que parten de la configuración inversora y no inversor, estas son las que se detallan a continuación.
  
  Configuración Amplificador seguidor de tensión o "BUFFER".
  Esta configuración parte de un amplificador No inversor con la siguiente relación de resistencias.
  
  R1 = infinita R2 = 0

  

  En este caso el valor de la tensión de salida:
  
  Vo = Vi * (1 + R2 /R1)
  
  Vo = Vi
  
  En la figura siguiente se muestra una figura con el Amp. Op. Utilizando como amplificador inversor sumador.

  
  
  

  Analizando las corrientes de entrada y de realimentacion tenemos:
  
  I1 = V1 / R1 I2 = V2 / R2
  
  In = Vn / Rn I4 = 0
  
  If = - Vo / Rf
  
  En esta configuracion, la relación entre la salida y la entrada esta dada por:
  
  I1 + I2 + ... + In = I4 + If
  
  Reemplazando el valor de cada corriente y despejando hallamos la tensión de salida:
  
  V1 / R1 + V2 / R2 + ... + Vn / Rn = (- Vo / Rf)
  
  Vo = - ( V1 * Rf/R1 + V2 * Rf/R2 + ... + Vn * Rf/R n)

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   Problemas a resolver:

  1. Amplificador inversor:
  1 - Armar prolijo el circuito del amplificador inversor, mostrado en la siguiente figura:

  
  

  2 - Dibujar el circuito esquemático en el PROTEL. En J1 ubicar un Jumper.

  

     Parte A - Comportamiento en continua

  3 - Retirar del circuito el puente J1 y medir con el multímetro en el punto medio del PRESET (Va) los valores máximos y mínimos que entrega el divisor resistivo construido. Registrar y verificar los valores hallados contrastando en una tabla tanto los valores medidos y como los calculados.
  
  Valor minimo =  -0,99
  Valor maximo =  0,99
  
  
  4 - Antes de realizar más mediciones, conectar el nodo marcado como Vs, a GND y verificar que la tensión de salida Vo es muy cercana a los cero volts. De no ser así volver a verificar el correcto conexionado. 
  
  5 - Conectar ahora el puente J1.
  
  

  6 - Con el fin de realizar un gráfico, realizar 11 mediciones, variando de un extremo a otro el cursor del preset, registrar nuevamente el valor máximo y mínimo medido en Va.

  
  

  7- Volcar los valores medidos en una tabla similar a la mostrada

  
  

  

  8- Usando un programa graficador (elegir cualquier: excel, mathcad, etc) dibujar la función transferencia del circuito (Vo en función de Vs). A partir de las mediciones realizadas,¿dentro de que rango de valores el circuito se comporta linealmente? ¿porque el circuito dice ser un inversor?

  
  
  

  Cinco de esas mediciones deben ser valores de tensión Vs positivas, las otras cinco negativas; la restante se debe desconectar nuevamente J1 y conectar la entrada Vs a tierra (GND). Para esta última medición leer cuidadosamente el valor de tensión de salida. . Tratar de tomar valores de tensión a intervalos regulares.
  
  
  

  
  

  
  

  
  
  
  

  Amplificador no inversor

  
  

  1 - Armar el siguiente circuito.
  

  
  

  

  
  

  
  

  2 - A partir de distintos ensayos capturar mediciones hechas con el osciloscopio infectándole en la entrada Vs distintas amplitudes de señal senoidal a 1KHz. A través de esas imágenes se debe verificar su comportamiento como amplificador no inversor. Llevarlo al límite del recorte y consignar ese valor. Hallar por cálculo la ganancia y compararla con las mediciones efectuadas.
  
  14 - Diseñar el PCB (No hacer) de tal manera que reuna dos requisitos: 1) sea de dimensiones inferiores a 60 mm x 60 mm y 2) que tanto las conexiones de alimentación como la entrada Vs y la salida Vo, coincidan perfectamente para su inserción en el protoboard mediante pines rectos.
  

  

  
  

  
  

  Señal senoidal del no inversor 

  
  

  

  
  

  

  
  

  Señal de RECORTE

  

  
  

  

  
  

  
  

  3 - Se dice que el amplificador no inversor a diferencia del anterior posee una impedancia de entrada (o resistencia de entrada) muchas veces superior. ¿Qué mediciones harían para refutar o aseverar lo dicho? Explicar el procedimiento realizado.

  
  4 - Si retiramos el resistor R1 y hacemos un cortocircuito entre los terminales del resistor R2 convertimos el mismo en un amplificador con ganancia unitaria o buffer. Verificar su funcionamiento tomando una medición con el osciloscopio, y contestar: ¿Para qué puede servir este circuito? Dar un ejemplo.

  
  

  5 - Diseñar el PCB (No hacer) de tal manera que reuna dos requisitos: 1) sea de dimensiones inferiores a 60 mm x 60 mm y 2) que tanto las conexiones de alimentación como la entrada Vs y la salida Vo, coincidan perfectamente para su inserción en el protoboard mediante pines rectos.
  
  

  

  
  
  Visualización en 3D
  
  

  

  
  

  

  
  6 - Redactar todo lo realizado, sin nombrar los números de los pasos hechos y publicar en el blog, obteniendo conclusiones de los experimentos. Incluir también la teoría que demuestra que la ganancia de tensión del circuito es función de los resistores R1 y R2.