Amplificadores Operacionales
En esta actividad actividad realizaremos mediciones en circuitos de Amplificadores Operacionales con sus distintas configuraciones basicas tales como el Inversor, el No inversor y el Buffer, y las compararemos con las realizadas analíticamente con los Amplificadores Operacionales ideales. Describiendo resumidamente, el amplificador operacional es un dispositivo activo, multiterminal, con una ganancia muy elevada. En su interior hay un conjunto de transistores y resistencias, seguido de los que se encuentran en el circuito externo, con los mismos se logra alcanzar ganancias de salida extremadamente altas.
En las siguientes figuras podemos apreciar los distintos tipos de amplificadores ideales utilizados en esta actividad:
-La configuración basica de los Amplificadores, Inversor:
-Amplificador No inversor:
-Finalmente, el Amplificador "Buffer", el cual se utiliza como adaptador de impedancia:
Luego de un breve repaso teórico nos dirigiremos a la resolución de la actividad, la cual esta dividida en distintas experiencias.
Experiencia 1: Amplificador Inversor.
Parte A: Comportamiento en Continua.
Comenzamos realizando mediciones sin la inclusión del puente J1.
Medimos con el multímetro en el punto medio del PRESET los valores máximos y mínimos de tensión que entrega el circuito. Luego, comparamos los valores medidos con los calculados:
Valor medido
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Valor calculado
|
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Va max
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1,63
|
1,7
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Va min
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-1,65
|
-1,7
|
Conectamos la entrada (Vs) a GND y verificamos como la tensión de salida se reduce a un valor muy cercano a los cero volts:
Vo = 5,2 mV
Conectamos nuevamente el puente J1 para continuar con nuevas mediciones.
En este paso, realizaremos 11 mediciones en el punto Va del circuito, verificando las tensiones máximas y mínimas obtenidas variando de un extremo al otro el cursor del Preset. Tomaremos 5 tensiones de entrada positivas, 5 tensiones negativas y la restante, será la obtenida al desconectar nuevamente el puente J1 y conectando Vs a tierra.
Verificamos nuevamente la tensión máxima y mínima obtenida en Va luego de haber conectado el puente J1 y apreciamos una mínima variación con respecto a la medida anteriormente, en la cual se encontraba desconectado el puente J1:
Va min = -1,39V
Va max = 1,37V
Plasmamos las mediciones realizadas en puntos regulares del rango capacitado del Preset en una tabla:
Vs [V]
|
Vo [V]
|
- 1,38
|
2,06
|
- 1,05
|
1,574
|
- 0,8
|
1,207
|
- 0,51
|
0,76
|
- 0,175
|
0,257
|
0,194
|
- 0,295
|
0,488
|
- 0,735
|
0,872
|
- 1,308
|
1,13
|
- 1,697
|
1,37
|
- 2,05
|
0
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- 0,0052
|
Observando las 11 mediciones realizadas podemos apreciar como al variar el Preset desde su punto mínimo hasta su punto máximo las tensiones de entrada y salida reciben sus valores máximos y mínimos también. Mientras que en los puntos medios del Preset, las mismas acercan sus valores al 0.
Luego de realizar las mediciones, aplicamos las mismas en un grafico realizado con el Excel para obtener así, la función transferencia del circuito, es decir, Vo en función de Vs.
Con el gráfico podemos apreciar como el circuito se comporta de manera lineal en todos sus valores, desde los mínimos hasta los máximos. Además, luego de las mediciones escritas en la tabla y el gráfico, podemos entender el porque de la designación de su nombre "Inversor", ya que cuando el circuito recibe una tensión negativa en su entrada, transmite una positiva a su salida, y viceversa.
- Para hacer más clara la experiencia realizada, se responderán una serie de preguntas necesarias para lograr apoyar las mediciones.
- La ganancia de tensión en veces, en la zona lineal del circuito, equivale a:
A su vez, su respectiva ganancia de tensión en dB es igual:
Vo (dB) = 20 log ( G veces ) = 3,52 dB
Vo (dB) = 20 log ( G veces ) = 3,52 dB
Parte B: Comportamiento en Alterna.
Le desconectamos el puente J1 y a su vez le inyectamos una señal senoidal de 1 KHz, menor a 400mV pico a pico, en la entrada del circuito (Vs) con un generador de funciones. Capturamos la imagen entregada por el osciloscopio en la cual se muestre la tensión de salida y de entrada en su forma pico a pico simultaneamente. Además, mostrar el valor del periodo utilizando cursores.
En la imagen se puede apreciar la tensión de entrada pico a pico en color Celeste. Su valor es de 260mV.
Por otro lado, la tensión de salida pico a pico en color Amarillo, con un valor de 352mV.
Finalmente, se muestra el periodo de tiempo de la señal en color Blanco. Este equivale a 990uS.
Llevamos la tensíon de entrada hasta el punto límite en el cual se observa un recorte en la señal, sin que se observe el mismo en la tensión de salida. Capturamos esa imagen con el osciloscopio.
En la imagen se puede apreciar la tensión de entrada pico a pico en color Celeste. Su valor es de 624mV.
Por otro lado, la tensión de salida pico a pico en color Amarillo, con un valor de 448mV.
Se muestra el periodo de tiempo de la señal en color Blanco. Este equivale a 992uS.
Finalmente, en color Rojo se encuentra marcado el recorte de la señal de entrada.
Al variar la tensión de alimentación, ya sea aumentandola o disminuyendola, siempre dentro de los rangos que permite el Amplificador, se podría observar el recorte de la señal en distintos puntos de la misma, ya sea en niveles más altos o más bajos de la señal de entrada.
Al variar la tensión de alimentación, ya sea aumentandola o disminuyendola, siempre dentro de los rangos que permite el Amplificador, se podría observar el recorte de la señal en distintos puntos de la misma, ya sea en niveles más altos o más bajos de la señal de entrada.
Con el objetivo de comparar la respuesta a distintos niveles de tensión de alimentación hicimos algunas mediciones como éstas:
- Con 7V de alimentación la salida se recorta a partir de 712mV de entrada.
- Con 10,9V de alimentación la salida se recorta a partir de 1,12V de entrada.
De acuerdo a lo registrado podemos
establecer que la tensión de alimentación modifica los valores máximos y
mínimos que puede adoptar la señal a la salida sin recortarse, pero no
modifica los valores de ésta dentro de esos límites.
Experiencia 2: Amplificador No Inversor y Buffer.
Vo = 3,08V
G = 15,4
400mV:
Vo = 9,92V
G = 16,53
1V:
Vo = 20V
G = 16,16
Para
comprobar el funcionamiento del circuito en configuración no inversor
aplicamos en la entrada una señal senoidal con una frecuencia de 1KHz y
los siguientes niveles de amplitud:
200mV:
Vo = 3,08V
G = 15,4
400mV:
Vo = 6,36V
G = 15,9
600mV:
G = 16,53
1V:
Vo = 16V
G = 16
1,2V:
G = 16,16
Este es el límite de recorte del circuito. Hasta este punto observamos el correcto funcionamiento del circuito, en el que la ganancia se mantiene cercana a los 16V (tomando en cuenta los errores de medición), que es el valor ideal de ganancia siendo que:
R1 = 6,8 K
R2 = 100 K
G = R2/R1 = 14,7 K
1,4V:
G = 15
En este punto la señal se muestra cortada y por lo tanto, la ganancia comienza a disminuir. A partir de aquí la señal aumentará su recorte, disminuyendo la ganancia de forma progresiva.
Con el objetivo de examinar al circuito en configuración de buffer, removimos la resistencia R1 y cambiamos la resistencia R2 por un cable (cortocircuito), de esta manera se establece la configuración buffer, que entrega una ganancia de 1 (0 dB), lo cual comprobamos mediante estas mediciones:
Esta configuración presenta una característica muy importante: posee una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida casi nula. Esto permite conectar 2 circuitos sin que el segundo resulte carga para el primero, a esto se lo llama "adapatar impedancias".
Este circuito es utilizado,por ejemplo, para medir tensiones de manera muy exacta en un sensor sin afectar a la medición.
