P1 Parámtros principales op-amp (2015-1).doc

INSTITUTO TECNOLOGICO DE HERMOSILLO

CURSO: Amplificadores Operacionales

PRACTICA 1

Medición de los parámetros principales del Op- amp LM741CN

PRACTICA 2

Amplificador Inversor y no Inversor

MAESTRO: Jesús Manuel Tarín Fontes

Instituto Tecnológico de Hermosillo

Práctica de Amplificadores operacionales Ing. Electrónica

Hermosillo Sonora, Febrero de 2015INDICE DE CIRCUITOS

2Amplificadores Operacionales



PRACTICA 1

OBJETIVO

Conocer la técnica para determinar los parámetros principales del amplificador operacional LM741CN con los cálculos adecuados para obtener sus valores y comparar con los datos de fabricante.

MATERIAL Y EQUIPOCantidad Descripción

6 Resistencias de 10 k, ¼ de W1 Resistencia de 99 k, ¼ de W2 Resistencias de 1 k, ¼ de W2 Resistencias de 470 k, ¼ W1 Resistencia de 2.2 k, ¼ W2 Resistencias de 1M, ¼ de W4 Resistencias de 100 , ¼ W3 Resistencias de 100 k, ¼ W.2 Resistencias de 10 k, ½ W2 Resistencias de 100 k, ½ W1 Minipot de precisión de 10 k1 Pot de 1 M1 Condensador de 470 pF, 60 V1 Condensador de 10 nF, 60 V2 Condensasdor de 100 nF2 Dip-switch2 Condensadores de 10nF, 63 V

EQUIPO1 Multímetro1 Osciloscopio de dos canales1 Fuente de voltaje de ± 15 V cd1 Generador de funciones

SIMULACIÓN EN MULTISIM y CIRCUITOS ARMADOS (armar solo el primer circuito)




I. PRIMERA PARTE

1. Corrección de offset. Se armó el circuito mostrado en la fig. 1 y se simuló teniendo los siguientes resultados:

Voltaje Offset % de error ObservacionesReal SimuladoVo = 1.000 mV En la simulación el op-amp no respondió a

las variaciones del POT.Fig. 1 Corrección de offset

2. Determinación de Ao, Ro, y Ri. Se armó y simuló el siguiente circuito.

Procedimiento

2.1. Cerrar S1 y S2, abrir S3. Ajustar vi para 10 Vpp a una frecuencia de 4 Hz. Medir y anotar en la tabla los valores de vo y V1. Calcular Ao y anotarla en la tabla.

MARCO TEORICO. Estando S1 y S2 cerrados y S3 abierto, observamos que R1, R2, y R3

(ya que la impedancia de C es considerable frente a R2) forman un atenuador de aproximadamente 40 dB del voltaje vi, el cual es imprescindible para conseguir el pequeño voltaje diferencial de entrada necesario para el cálculo de Ao; esta pequeña señal es muy difícil de medir, por lo que tomaremos el voltaje V1 que es 100 veces mayor. En estas condiciones tenemos que,

Debe dar aprox. Este valor




Al sustituir los valores se obtuvo el resultado anterior para el circuito simulado, el cuál aparece en la tabla N° 1

Fig. 2 Circuito para determinar Ao, con S1 y S2 cerrado

2.2. Cerrar S3, medir el nuevo voltaje de salida v’o, anotarla en la tabla 1. Calcular y anotar en la misma tabla el valor de Ro.

MARCO TEORICO. Manteniendo S1 y S2 cerrados, si cerramos S3 el efecto de la carga RL hará disminuir el voltaje de salida, debido a la caída de voltaje interna en Ro. Llamando al nuevo voltaje de salida v’o, entonces se cumple que,




Fig. 3 Circuito para determinar Ro, con S1, S2 y S3 cerrado

De acuerdo a la Ec. dada, y los datos de la simulación del circuito anterior tenemos que

Por lo tanto debe dar esto aproximadamente

2.3. Abrir S1, S2 y S3. Medir nuevamente el voltaje de salida v’’o. Calcular y anotar en la tabla 1 el valor de Ri.

MARCO TEORICO. Si mantenemos abiertos S1, S2, y S3, lo que hacemos es intercalar dos resistencias en serie con la impedancia de entrada, razón por la que vid variará y, con ello, el voltaje de salida. El uso de dos resistencias es necesario para contrarrestar las caídas de voltaje debidas a las corrientes de polarización de las entradas y minimizar el efecto del ruido térmico de las resistencias. Llamando v’’o a el nuevo voltaje de salida, tenemos que,




Fig. 4 Circuito para determinar Ri. con S1, S2 y S3 abiertos

Sustituyendo valores en la ecuación anterior de acuerdo a los datos del circuito simulado tenemos que

Por lo tanto debe dar esto aproximadamente

RESUMEN

TABLA 1

CIRCUITOS vi vo Ao v’o Ro V’’o Ri % error

REAL

SIMULADO

II. SEGUNDA PARTE




1. Cálculo de IB+, IB-, IB e Iio. Armar el siguiente circuito, y simular.

Fig. 5 Circuito para el cálculo de IB+

2. Cerrar S1 y abrir S2. Medir vo y calcular el valor de IB+, y anotarlo en la tabla 2

MARCO TEORICO. Cada entrada requiere una pequeña corriente de polarización que generará en el circuito anterior un voltaje al circular por la resistencia respectiva. Este voltaje es igual al de salida y aprovechando este efecto podemos medir la cuantía de las intensidades de corriente. Para medir la corriente de cada entrada se ha de cerrar el interruptor correspondiente a la entrada contraria, siendo su valor el cociente entre el voltaje de salida y la resistencia por donde circule. Una vez calculadas ambas corrientes, podemos obtener la corriente de polarización IB como la media aritmética de estos valores. Si se abren simultáneamente los dos interruptores, el voltaje de salida que aparece es debida al efecto producido por la corriente offset de entrada, siendo entonces,




Fig. 6 Circuito para calcular la IB+

La fórmula para calcular IB+ es : por lo tanto si sustituimos valores tenemos:

Debe dar este valor aproximadamente

3. Abrir S1 y cerrar S2. Medir vo y calcular el valor de IB-. Con esta medida y la del punto

anterior, calcular el valor de IB. Anotar en la tabla 2.




Fig. 7 Circuito para calcular la IB-, con S1 abierto y S2 cerrado

Utilizando la fórmula anterior se tiene la IB-

Debe dar este valor aprox…

Con los resultados de IB+ y de IB- podemos calcular la IB la cuál es la media de las dos corrientes

Debe dar este valor aprox.

4. Abrir S1 y mantener S2 abierto. Medir vo y calcular el valor de Iio. Anotarlo en la tabla 2.




Fig. 8 Circuito para calcular la Iio.

Determinación matemática de Iio.

por lo tanto la Iio = -46 nA debe dar este valor aprox.

Por la fórmula dada

Debe dar este valor aprox…

5. Cálculo de CMRR. Arme el siguiente circuito




Fig. 9 Circuito para calcular el CMRR

6. Se ajustó el voltaje de entrada a 10 Vpp a una frecuencia de 1 kHz el voltaje de salida es el mostrado en el circuito.

MARCO TEORICO. El CMRR es la relación de la ganancia en modo diferencial a la ganancia en modo común. Como se puede comprobar vid es igual a cero, con lo que el voltaje de salida presente será producido por el voltaje en modo común, lo cuál nos permite calcular CMRR de acuerdo a la siguiente expresión.

o sea CMRR = 82.07 dB debe dar este valor aprox.

7. Cálculo del Slew Rate (SR). Armar el siguiente circuito.




Fig. 10 Circuito para determinar el Slew Rate.

8. Ajustar una vi de onda cuadrada de amplitud de 1 V y frecuencia de 20 kHz. Calcular el valor de SR y anotarlo en la tabla 2.

MARCO TEORICO. La velocidad de variación del voltaje de salida podía medirse mediante el parámetro SR, que nos indica la limitación del operacional ante entrada de alto nivel. Al ser SR una medida de la velocidad de la variación del voltaje de salida que,

y

Fig. 11 Señal de salida del circuito del SR


t

tt1 t2



y con la elección del valor más pequeño correspondiente a los tiempos de subida y de bajada de la señal de vo.

9. Cálculo de vio. Conectar el siguiente circuito pero eliminando el potenciómetro.

Fig. 12 Circuito para el cálculo de vio.

10. Quitar el potenciómetro de ajuste de offset, y medir el valor de vo. Con este dato calcular el valor de vio y anotarlo en la tabla 2.

MARCO TEORICO. La medida de los parámetros anteriores se realizaron bajo la premisa de anular el efecto producido por la vio sobre el voltaje vo. vio se define como el voltaje diferencia (vid) necesario para obtener un voltaje de salida nulo. En el circuito anterior se observa que el voltaje de salida es generado únicamente por esta vio, efecto que se aprovechará para valorar su cuantía, así

Por lo consiguiente Debe dar este valor aprox….

TABLA 2




CIRCUITOS IB+ IB

- IB Iio CMRR SR Vio % error

REAL

SIMULADO

PREGUNTAS

1. ¿Qué es un amplificador diferencial?

2. ¿Qué se conoce como Avol en un op-amp?

3. ¿Qué relación nos mide el parámetro CMRR?

4. Definir el offset de un op-amp

5. ¿Qué limitaciones impone en un op-amp el parámetro SR?

PRACTICA 2




Objetivo. Determinar la conexión de los circuitos amplificador inversor y amplificador no inversor y verificar su operación de inversión de voltaje y no inversión, así como la ganancia. Usar cualquier amplificador de la lista de materiales.

PROCEDIMIENTO

Será para realizarse en simulación y seleccionar alguno de los circuitos para implementarse en “hardware” el cuál será revisado (usar el mismo dispositivo en “hardware” como en simulación).

Consideraciones generales

Conviene, al iniciar la medición de cada circuito, efectuar la corrección del centrado del voltaje vio, como en la práctica anterior.

Recordar que la amplitud máxima de centrada está limitada por dos factores

el mismo voltaje de salida que puede proporcionar el op-amp., y

el SR para valores de frecuencias elevadas

Estos dos factores serán los que limiten en muchas aplicaciones la Av que puede proporcionar el circuito.

1. Ajustar el voltaje offset de entrada. Conectar el circuito de la figura siguiente

Fig. 13 Circuito Amplificador inversor con diferentes entradas

2. Ajustar vi para 0.2 V de cd, medir el voltaje de vo y anotarlo en la tabla 1.




3. Repetir el punto 2 para los distintos valores de vi indicados en la tabla 1.

TABLA 1

4. Añadir dos capacitores de 100 nF, como se muestra en la figura siguiente. Ajustar vi

para 0.2 Vpp y una f = 1 kHz. Repetir el punto para los valores pico a pico mostrados en la tabla 2.

Fig. 14 Circuito Amplificador inversor con capacitores a la entrada y salida

CIRCUITOS SIMULADO REALOBSERVACIONES

vi vo Av vo Av % Error

0.2 Vcd

0.5 Vcd

1 Vcd

-0.2 Vcd

-0.5 Vcd

- 1 Vcd




La siguiente muestra el defasamiento entre la señal de entrada y de salida.

Fig. 15 Formas de onda del amplificador Inversor

TABLA 2

5. Conectar el circuito de la Fig. siguiente. Ajustar vi para 0.1 Vcd. Variar P y verificar los valores de Av máximo y mínimo. Anotarlos en la tabla 3.

Fig. 16 Circuito amplificador de alta ganancia con POT P ajustado 0%, Ver voltaje de salida


vipp vopp Av vopp Av % Error

0.2

0.5

1

1.5

2




Fig. 17 Circuito amplificador de alta ganancia con POT P ajustado 100 %, Ver voltaje de salida

TABLA 3

Av

CIRCUITO MAX MIN % ERROR

SIMULADO

REAL




6. Añadir los capacitores del punto 4. Repetir el apartado anterior para vi = 0.1 Vpp y f = 1 kHz.

Fig. 18 Circuito de amplificador de alta ganancia con capacitores en la entrada y salida y POT P ajustado al 100 %

TABLA 3

Av

CIRCUITO MAX MIN % ERROR

SIMULADO

REAL




Fig. 19 Circuito de amplificador de alta ganancia con capacitores en la entrada y salida y POT P ajustado al %

Fig. 20 Formas de onda del circuito de alta ganancia para cuando el POT p está ajustado al 0%

7. Repetir los puntos 2 y 3 para los circuitos de las figuras siguientes




Fig. 21 Amplificador No inversor con diferentes valores de voltaje cd de entrada

TABLA 4

Tabla que muestra las ganancias del Amplificador No Inversor real y simulado


vi (Vcd) vo (Vcd) Av vo (Vcd) Av % Error

0.2 Error entre Av

0.5

1

-0.2

-0.5

-1




Fig. 22 Circuito seguidor de voltaje (Ganancia unitaria)

TABLA 5 (Seguidor de voltaje)

PREGUNTAS

1. ¿qué efecto produce la resistencia de realimentación en un op-amp?

2. ¿Qué se entiende por un cortocircuito virtual?

3. ¿Cuál es la impedancia de entrada en un amplificador No inversor? ¿y la de la salida?

4. Diseñar un amplificador de ganancia 100 con inversores, sabiendo que el ancho de banda será de 100 kHz, reportar el diseño.

Dado que el op-amp utilizado (LM 741CN) no respondía a ese ancho de banda se armó el circuito multiplicador de ganancias para aumentar el ancho de banda (normalmente de 1 MHz para un solo op-amp con ganancia unitaria). El ancho de banda a ganancia unitaria de B = 1 MHz


vi (Vcd) vo (mVcd) Av vo (Vcd) Av % Error

0.2 Error entre Av

0.5

1

-0.2

-0.5

-1




Por lo tanto se requieren dos etapas para cumplir con las condiciones.

a Bw = 100 kHz

CONCLUSIONES

De los valores encontrados en el funcionamiento de los circuitos reales, los valores encontrados comparados con los simulados, se parecen, más no son idénticos dado que estos últimos van a depender del diseño del “software” de aplicación.

En cuanto a los proporcionados por el fabricante, estos coincidieron aproximadamente, con un margen de error de alrededor de ± 3%.

Los datos proporcionados por el fabricante relacionados con las características eléctricas del op-amp utilizado son confiables para ser utilizados en el diseño de los circuitos con op-amp

Desde el punto de vista el objetivo del inicio, podemos considerar que se cumplió al poder corroborar que los parámetros encontrados son muy parecidos.


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