Practica De Comparadores Opamp 4s1s22

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

GRUPO: A6A

AMPLIFICADORES OPERACIONALES “Práctica N° 1”

Presentan: Corzo Hernández Selena González Dejuki Jaime Francisco

Asesor: Ing. Raúl Rincón moreno Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México; 18 de octubre del 2017

Índice Introducción ............................................................................................................. 3 Objetivo de la práctica ............................................................................................. 4 Marco teórico............................................................................................................ 4 Amplificadores operacionales .......................................................................... 4 Fundamento del amplificador operacional ....................................................... 5 Amplificadores operacionales en un circuito integrado .................................... 5 Terminales de alimentación ............................................................................. 6 Terminal de salida ........................................................................................... 8 Terminal de entrada ........................................................................................ 8 Comparador de ventana .................................................................................. 8 Nivel de salida alto entre los límites ................................................................ 9 Nivel de salida bajo entre los límites ............................................................. 10 Material y equipo utilizado .................................................................................... 13 Desarrollo de la práctica ....................................................................................... 14 Comparador no inversor con referencia cero ................................................ 15 Comparador inversor con referencia cero ..................................................... 16 Comparador no inversor con referencia negativa .......................................... 18 Comparador inversor con referencia negativa ............................................... 20 Comparador inversor con referencia positiva ................................................ 21 Comparador no inversor con referencia positiva .......................................... 22 Conclusiones.......................................................................................................... 23 Referencias bibliográficas..................................................................................... 23 Anexos .................................................................................................................... 24

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Introducción En el siguiente informe explicaremos detalladamente la práctica de laboratorio, en la cual realizamos diferentes montajes, los cuales son las diferentes configuraciones que pueden adoptar los amplificadores operacionales, llamados comúnmente OP-AMP. De de la materia de “amplificadores operacionales” también se muestra como se realizó el analices practico de los comparadores, utilizando diversos materiales en este caso empleando el amplificador operacional el OP-AMP LM- 471 el cual nos proporcionara mediante todo el experimentos amplificaciones de señales sinusoidales, las cuales son suministradas mediante un generador. También observamos y reforzamos los conceptos obtenidos en las clases teóricas sobre los amplificadores operacionales. El

LM741 consiste básicamente en

interconectar directamente cada etapa mediante un cable.

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Objetivo de la práctica 

Montar comparadores con la ayuda del OPAMP 741 como comparador de tensión, además de otros componentes que integran la salida del comparador; para comprender y analizar el comportamiento de éstos componentes electrónicos. El análisis del circuito se realizará en base a la herramienta de simulación proteos y en una tablilla de protoboard con el circuito armado.

Marco teórico Amplificadores operacionales El amplificador operacional (OP AMP) es un circuito cuya popularidad y utilización ha crecido de una manera vertiginosa en los últimos años gracias a la gran cantidad de operaciones en las que puede ser utilizado, en electrónica analógica, prácticamente en todas, y en electrónica digital en bastantes. Gran parte de esta popularidad hay que agradecerla a la aparición de la integración de semiconductores, con la cual este circuito está hoy en día disponible en forma de pequeños circuitos integrados de bajo precio, considerándolo como un componente electrónico más. El término de amplificador operacional fue nombrado para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tales como suma, resta, multiplicación, integración, diferenciación..., importantes dentro de la computación analógica. La aparición y desarrollo de la tecnología integrada, que permitía fabricar sobre un único substrato monolítico de silicio gran cantidad de dispositivos, dio lugar al surgimiento de amplificadores operacionales integrados que desembocaron en una revolución dentro de las aplicaciones analógicas.

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Fundamento del amplificador operacional El amplificador operacional es un amplificador de muy alta ganancia que cuenta con una impedancia de entrada muy alta (por lo general de algunos megaohms) y con una impedancia de salida (menor a 100Ω). La figura 2.1a muestra el circuito básico que se construye mediante el empleo de un amplificador diferencial que tenga dos entradas (de signo positivo y de signo negativo) y al menos una salida. Conforme a lo establecido con anterioridad la entrada de signo positivo (+) produce una salida que se encuentra en fase con la señal aplicada, mientras que una entrada en la entrada de signo negativo (-) produce una salida con polaridad opuesta como se muestra en la Figura 2.1b (Boylestand & Nashelsky, 2003).

Figura 2.1 Señales de entrada del OP AMP Amplificadores operacionales en un circuito integrado Los circuitos operacionales son circuitos integrados (CI) con uno a cuatro amplificadores operacionales en un solo CI. La figura 2.2 muestra un CI 741, con una descripción de las señales terminales específicas (Bolyestand & Nashelsky, 1997).

Debido a que es muy barato y sencillo de usar, el CI 741 ha tenido un enorme éxito. Por ejemplo, Motorola produce el MC1741, National Semiconductor el LM741 y Texas Instruments el SN72741. Todos esos amplificadores operacionales monolíticos son equivalentes al 741, ya que tienen las mismas especificaciones en

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sus hojas de características. Para simplificar el nombre, la mayoría de la gente ha evitado los prefijos y a este amplificador operacional de gran uso se le llama simplemente 741.

Figura 2.2 Identificación de las terminales de un 741.

Por su gran importancia, se utilizará el 741 como dispositivo básico en las exposiciones siguientes. Una vez que se haya entendido el 741, se pueden investigar otros amplificadores operacionales. Referente a este modelo, hay que decir que el 741 tiene diferentes versiones numeradas: 741,741A, 741C, 741E, 741N y así sucesivamente. Difieren en su ganancia de tensión, rango de temperatura, nivel de ruido y otras características. El 741C (la C indica nivel comercial) es el más barato y el más utilizado. En la tabla 2.1 se proporciona una lista parcial de la hoja de especificaciones del CI 741. A continuación se analizan algunas de las características más importantes de un amplificador operacional. Terminales de alimentación Las terminales de un amplificador operacional marcadas +Vcc y –VEE proporcionan el voltaje a todo el circuito integrado. En la figura 2.3 se muestran las dos conexiones usuales.

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Figura 2.3 Conexiones de fuentes de alimentación En la figura 2.13a las fuentes de voltaje doble están conectadas de modo que la salida puede excursionar tan alto como +15v y tan bajo como -15v. La figura 2.13b muestra una conexión en la cual la salida puede tener una excursión +15v y tan bajo como 0v.

Tabla 2.1 Características del amplificador operacional 741 Parámetro Resistencia de entrada Relación de rechazo en modo común Ganancia de voltaje a gran señal

Mínimo

Típico

0.3

2.0

MΩ

70

90

dB

20 000

200 000

Resistencia de salida

75

Consumo de potencia

50

Límite de velocidad de

0.5

voltaje

7

Máximo

Unidades

Ω 85

mW V/µs

Terminal de salida La terminal de salida simple, que produce una salida simple, proporciona un voltaje cuyo valor máximo está limitado por el o por los voltajes de alimentación. El voltaje de salida proporciona una resistencia de salida que se muestra en la tabla 2.1 y es 𝑅𝑜 = 75Ω Terminal de entrada Se proporcionan dos terminales de entrada. Una señal aplicada a la entrada positiva con respecto a tierra provoca una salida en fase con la señal de entrada. Una señal aplicada a la entrada negativa con respecto a tierra genera una salida opuesta en fase con la señal de entrada. También se puede conectar una señal de entrada entre las terminales de + y – (una entrada diferencial) con la salida amplificada 𝑣𝑜 . La impedancia de entrada entre cualquier entrada y tierra por lo general es muy grande. Según la tabla 2.1, el valor de 𝑅𝑖 es 𝑅𝑖 = 2MΩ Comparador de ventana Un comparador de ventana permite saber si una señal o nivel de tensión está dentro o fuera de un límite aceptable de voltajes previamente definido.

Según la definición de Malvino “Un comparador de ventana indica el momento en que la tensión de entrada excede cierto límite o umbral. Un comparador de ventana (también llamado detector de limite doble) detecta cuando la tensión de entrada esta entre dos límites. Para construir un comparador de ventana se utilizan dos comparadores con umbrales distintos” (Malvino, 2000).

Frecuentemente se quiere comparar una tensión con otra para ver cuál es la mayor. En esta situación, un comparador puede ser la solución perfecta. Este circuito tiene dos terminales de entrada (inversor y no inversor) y un terminal de salida. Es diferente a los circuitos lineales con amplificadores operacionales, ya que existen

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dos estados en la salida, dependiendo de si la tensión es alta o baja. Por esta razón, los comparadores son comúnmente usados como conexión entre circuitos analógicos y digitales (Malvino, 2000). Nivel de salida alto entre los límites La figura 2.4 a muestra otro comparador de ventana. El circuito utiliza un LM339, comparador cuádruple que necesita de una resistencia externa de pull-up. Si la tensión de alimentación del pull-up es de +5V, la salida pude excitar circuitos TTL. La figura 2.4b muestra la función de transferencia. Se observa que la tensión de entrada está entre los dos límites. Para el análisis supondremos las mismas tensiones de referencia del ejemplo anterior. Cuando 𝑉𝑖𝑛 < 3V, el comparador inferior lleva la salida a cero. Cuando 𝑉𝑖𝑛 > 4V, el comparador superior lleva la salida a cero. Cuando 3V < 𝑉𝑖𝑛 < 4V, el transistor de salida de ambos comparadores está en corte, con lo que la salida sube a +5V (Malvino, 2000).

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Figura 2.4 Comparador de ventana no inversor

Nivel de salida bajo entre los límites La figura 2.5a muestra un comparador de ventana que produce un nivel bajo de tensión de salida cuando la tensión de entrada está entre unos límites inferior y superior. El circuito tiene un PCI y un PCS. La tensión de referencia se puede obtener de un divisor de tensión, unos diodos Zener o de otros circuitos. La Figura 2.5b muestra la función de transferencia de un comparador de ventana. Cuando 𝑉𝑖𝑛 , es menor que PCI o mayor que PCS, la salida está en nivel alto. Cuando 𝑉𝑖𝑛 , está entre PCI y PCS, la salida está a nivel bajo (Malvino, 2000).

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Figura 2.5 Comparador de ventana inversor

Con ayuda de un comparador (amplificador operacional) que controle el nivel de voltaje superior y otro comparador que controle el nivel de voltaje inferior, se puede implementar un comparador de ventana. En la figura 2.6 se muestra el diagrama del comparador de ventana de nivel de salida bajo entre los límites que se utilizará en el desarrollo de la práctica.

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Figura 2.6 Comparador de ventana (nivel bajo). La entrada 𝑉𝑖𝑛 es común para ambos operacionales; si el valor de la entrada se encuentra entre los márgenes establecidos, las salidas de ambos operacionales permanecerán a cero, por lo tanto el LED permanecerá apagado. Si la señal de entrada es inferior al margen inferior establecido, el operacional 2 pasará a saturación positiva y el LED se iluminará. Si por el contrario el margen superado es el superior, será el operacional 1 el que pase a saturación positiva iluminando el LED.

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Material y equipo utilizado Generador de señales

2

Multímetro digital.

Osciloscopio X1

Multímetro de mesa.

3

Osciloscopio digital.

Puntas

Conector

de

BNC-

Caimán

Cables de conexión. 1 Punta de prueba 3 Fuente de CD. Puntas

para generador

banana-

caimán.

1 Protoboard.

OPAMP LM741

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Desarrollo de la práctica Regularmente cuando se quiere anticipar y analizar el comportamiento de algún circuito electrónico es recomendable hacer una simulación, dado que esta herramienta permite la inclusión de algunas complicaciones del mundo real, además de que permite estudiar los efectos interactivos de los componentes individuales o en conjunto. En esta ocasión se utilizó el simulador de proteus para realizar la simulación. En las instrucciones siguientes se utilizan diferentes configuraciones de circuito y diferentes señales de entrada, encaminadas a determinar de forma práctica los valores reales de algunos parámetros del Amplificador Operacional. Leímos cuidadosamente la guía antes de realizarla para que tengamos plena seguridad de lo que va a hacer en el laboratorio.

Nota: Antes de aplicar las alimentaciones al amplificador operacional (LM 741) así como también las señales de entrada al dispositivo, debe verificar que los voltajes de alimentación del dispositivo se encuentran conectados correctamente. El voltaje V+ se conecta a la terminal 7 y el voltaje V- a la terminal 4. Observamos en la hoja de datos del dispositivo, la manera en que las terminales son identificadas.

Prueba del estado del Amp Op Montamos el circuito de la figura (seguidor de voltaje o buffer) y aplicamos en la entrada una señal sinodal de 1V pico y frecuencia de 1kHz (Vi). El voltaje de salida Vo debe sería igual a Vi si el Amp Op está bueno. El generador de señales posee una resistencia interna, por lo tanto las señales de entrada Vi deben ser medidas con el osciloscopio en el punto indicado.

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Comparador no inversor con referencia cero

Datos Generador de Funciones: Frecuencia de 10 Hz Voltaje p-p=1V

Nos generó una Señal de entrada y una de salida donde se representa la señal de entrada como la onda senoidal y la cuadrada como la salida.

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Comparador inversor con referencia cero

Datos Generador de Funciones: Frecuencia de 10 Hz Voltaje p-p=1v

En el osciloscopio Podemos observar Dos señales una de entrada y una salida tal como se expresan en la siguiente imagen.

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Comparador no inversor con referencia negativa

Datos: Generador de Funciones: Frecuencia=01.KHz Vp-p=1

Fuente de Voltaje= -2 V Voltaje de pata de alimentación positiva del Opam=12 V Voltaje de pata de alimentación negativa del Opam= -12 V

Las señales respectivas de entrada y salida han sido las siguientes como podemos observar que es mayor la señal de salida que la de entrada por dicha fuente de voltaje como referencia.

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Señal De Salida Señal de Entrada

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Comparador inversor con referencia negativa

Se alimentó el circuito con 12 V simétrico, se diseñó una conexión simétrica para alimentar al inversor con referencia negativa, en el osciloscopio se puede apreciar ambas señales tanto de la entrada como la salida

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Comparador inversor con referencia positiva

Los pasos que se realizo fue conectar una fuente de voltaje a la terminal no inversora del opam , se introdujo una frecuencia de 60.17hz a la terminal inversora del operacional, y se compararon tanto la señal de entrada con la de salida

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Comparador no inversor con referencia positiva

La señal se analizó desde la entrada no inversora del opam , mientras que la referencia positiva se aterrizó a al terminal inversora del opam

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Conclusiones Al término de la práctica obtuvimos los resultados que se esperaban ya que nuestro circuito logró comparar

las señales, por lo que pudimos observar físicamente el

funcionamiento de un Amplificador operacional. En el desarrollo de la práctica se comprende la importancia del análisis de circuitos en simulación, pero más aún en su forma física, que es donde se presentan los problemas e incongruencias, que deben resolverse para obtener el resultado final. Este análisis que se obtiene nos permite aplicar los conocimientos en futuros requerimientos de materias y/o necesidades de algún proyecto.

Referencias bibliográficas Title

Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales: teoría y aplicación

Author

James M. Fiore

Edition

5

Publisher

Ediciones Paraninfo. S.A., 2002

ISBN

8497320999, 9788497320993

Length

603 pages

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Anexos

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