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Universidad Tecnológica de Aguascalientes
Mecatrónica
Electrónica Analógica
Practicas Unidad VI
2°C
Pérez Rodríguez Martin Alejandro Vazquez de la Cruz Jovani Flores Gutierrez Jose Luis
Víctor Manuel Mora Romo
13/04/15
Resumen
En esta serie de prácticas nosotros vimos la importancia de los
amplificadores operacionales a la hora de construir un circuito, ya que
estos nos ayudan a amplificar señales que le entran a cada tipo de
amplificador.
Dependiendo de la configuración que tiene cada amplificador a la hora de
conectarlo es la función que van a realizar, existen muchos tipos de
configuración, nosotros vimos 6 configuraciones diferentes, no todas las
usamos en estas prácticas, pero con las que utilizamos ya nos dimos una
idea muy general de cómo es que funcionan y para qué sirven los
amplificadores operacionales en la electrónica.
Marco Teórico
Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de dos señales en sus entradas es
mayor. (Se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para
que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-
Vsat).
Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima). La ganancia real de
un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 –
V2)
Dónde:
- Vout = tensión de salida
- AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más)
- V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan)
Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación
negativa o positiva. (Normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menores que el valor de
la fuente (V+ o V-)
Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos
entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G)
(ganancia):
Vout = G· (V+ − V−) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.
El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964),
diseñado por Bob Wilder. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Wilder, y que constituyó un
gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Full agar,
y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.
Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación,
división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.
El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también
infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia
de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.
Objetivos
En estas prácticas nosotros nos planteamos algunos objetivos, entre los cuales está el de entender bien el funcionamiento de un amplificador operacional. Saber las aplicaciones de estos componentes electrónicos y para qué sirve. Diseñar algunos circuitos en los que el uso de los amplificadores sea indispensable
Universidad Tecnológica de Aguascalientes
Mecatrónica
Electrónica Analógica
PRÁCTICA 1: Uso del Amplificador Operacional (AO) como comparador
2°C
Marco Aldair Cuevas Sánchez Edgar Macias Nungaray
Víctor Manuel Mora Romo
13/04/15
Objetivo: El alumno al final de la práctica:
Implementará el AO en la modalidad de comparador para detectar diferentes niveles de voltaje,
en diversas configuraciones: cruce por cero, nivel positivo y nivel negativo, tanto inversor como
no inversor.
Comprenderá el concepto de voltaje de saturación positiva (+Vsat) y negativa (-Vsat).
Marco teórico:
Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de dos señales en sus entradas es
mayor. (Se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para
que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-
Vsat).
Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima). La ganancia real de
un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 –
V2)
Dónde:
- Vout = tensión de salida
- AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más)
- V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan)
Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación
negativa o positiva. (Normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menores que el valor de
la fuente (V+ o V-)
Material y equipo:
1 LM741
1 Fotorresistencia
2 Potenciómetros de 10KΩ
1 R 1KΩ, 47KΩ
1 foco de 12V
1 Transistor TIP41 o equivalente
1 diodo 1N4001
1 Protoboard
1 Multímetro
4 Caimanes
1 Fuente de voltaje
1 Extensión
DESARROLLO
(TODAS LAS MEDICIONES SON CON RESPECTO A TIERRA)
Arme los siguientes circuitos, ajuste el voltaje del potenciómetro Vent según lo indicado y mida con el
multímetro el voltaje de salida de cada uno.
DETECTOR DE CRUCE POR CERO NO INVERSOR
DETECTOR DE CRUCE POR CERO INVERSOR
(Del circuito anterior simplemente invierta las dos entradas y vuelva a repetir)
Observando los resultados: ¿Por qué es detector de cruce por cero? Porque en el 0 es donde se
cruza
Vent Vsal
-10v -13.20
-5v -13.20
-2v -13.20
-1v -13.20
+1v 14.75
+2v 14.75
+5v 14.75
+10v 14.75V
Vent Vsal
-10v 14.67
-5v 14.67
-2v 14.33
-1v 14.33
+1v -13.25
+2v -13.26
+5v -13.27
+10v -13.29
¿Por qué es no inversor o inversor? Porque depende de si es inversor o no, se invierte el signo del voltaje
DETECTOR DE NIVEL NO INVERSOR
(Ajuste primero Vnivel al voltaje que se indica)
NIVEL POSITIVO NIVEL NEGATIVO
DETECTOR DE NIVEL INVERSOR
Vnivel Vent Vsal
+3v
-10v -13.24
-5v -13.26
-2v -13.25
-1v -13.26
+1v -13.29
+2v -13.29
+5v 15.21
+10v 15.21
Vnivel Vent Vsal
-3v
-10v -13.22
-5v -13.23
-2v 15.21
-1v 15.21
+1v 15.22
+2v 15.22
+5v 15.22
+10v 15.22
(Del circuito anterior simplemente invierta las dos entradas y vuelva a repetir)
NIVEL POSITIVO NIVEL NEGATIVO
Observando los resultados: ¿Por qué es detector de nivel? Porque nosotros
determinamos el nivel con un pot
¿Por qué es positivo o negativo? Depende del nivel que
nosotros determinemos con el pot
¿Por qué es no inversor e inversor? Porque dependiendo del
signo del voltaje que pongamos en el pot es inversor o no inversor
APLICACIÓN PRÀCTICA DEL COMPARADOR
Mida la resistencia de la fotorresistencia a la máxima luz ambiental posible: Rmin: 300Ω
Mida la resistencia de la fotorresistencia a la mínima luz tapándolo totalmente: Rmáx: 18.6KΩ
Nota: Estos datos solo es para comprender la configuración del comparador usado.
Arme el siguiente circuito. (Nota: El transistor se usa a modo de interruptor electrónico)
Vnivel Vent Vsal
+3v
-10v 15.22
-5v 15.22
-2v 15.22
-1v 15.22
+1v 15.22
+2v 15.22
+5v -13.32
+10v -13.32
Vnivel Vent Vsal
-3v
-10v 15.22
-5v 15.22
-2v -13.26
-1v -13.27
+1v -13.27
+2v -13.27
+5v -13.27
+10v -13.27
Ajuste Vx a +6v y mida con el multímetro el voltaje de la fotorresistencia mientras la bloquea.
Indique que pasa: Prende el foco
Ajuste Vx a +10v y repita: No prende el foco
Ajuste Vx a +2v y repita: Prende el foco
Invierta las dos entradas del AO, fije Vx=+6V y pruebe nuevamente. Indique que diferencia tiene.
Baja el voltaje de la fotorresistencia
Universidad Tecnológica de Aguascalientes
Mecatrónica
Electrónica Analógica
PRÁCTICA 2: Uso del Amplificador Operacional (AO) como amplificador
2°C
Marco Aldair Cuevas Sánchez Edgar Macias Nungaray
Víctor Manuel Mora Romo
13/04/15
Objetivo: El alumno al final de la práctica:
Implementará el AO conectándolo como amplificador de voltaje inversor o no inversor.
Experimentará y comprobará que cuando hay retroalimentación negativa en un AO la ganancia
del amplificador inversor y no inversor se define por las resistencias externas que se le conecten
al exterior del AO, además que las comprobará por las ecuaciones correspondientes.
Marco teórico:
Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos
entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G)
(ganancia):
Vout = G· (V+ − V−) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.
El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964),
diseñado por Bob Wilder. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Wilder, y que constituyó un
gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Full agar,
y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.
Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación,
división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.
El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también
infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia
de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.
Material y equipo:
1 LM741 o LM358
1 R 100kΩ, 1kΩ
2 R 10kΩ
1 Potenciómetro 10kΩ
1 Protoboard
1 Fuente de voltaje
1 Osciloscopio
1 Generador de señales
1 Multímetro
4 Caimanes
DESARROLLO
Amplificador Inversor.
Arme el circuito del amplificador inversor y llene la siguiente tabla
Por cada combinación de resistencias ajuste el voltaje de entrada Vent a 1V y llene la tabla.
OJO: ¡Siempre revise Vent en cada medición!
Amplificador NO Inversor.
Arme el circuito del amplificador NO inversor y llene la siguiente tabla
Por cada combinación de resistencias ajuste el voltaje de entrada Vent a 1V y llene la tabla.
Ri Rf
Ganancia
calculada
Voltaje de
entrada
(CD)
Voltaje de
salida
(CD)
Ganancia A=Vsal/Vent
1 10kΩ 10kΩ 1 1v 1 1
2 10kΩ 100kΩ 10 1v 10 10
3 20kΩ 100kΩ 5 1v 5 5
4 100kΩ 10kΩ 1 1v 1 1
OJO: ¡Siempre revise Vent en cada medición!
Uso del Amplificador Seguidor
a) Conecte un divisor de voltaje y mida Vx b) Ahora conecte una carga de 1k en
(Este valor se simulara una señal de sensado) paralelo a Vx y vuelva a medir.
Vx= 7.5V Vx= 13.63V
Indique cual es el problema: Si se introduce una resistencia en paralelo el voltaje de salida
incrementa
c) Inserte el amplificador seguidor entre señal y carga.
Ri Rf
Ganancia
calculada
Voltaje de
entrada
(CD)
Voltaje de
salida
(CD)
Ganancia A=Vsal/Vent
1 10kΩ 10kΩ 1 1v 1 1
2 10kΩ 100kΩ 10 1v 10 10
3 20kΩ 100kΩ 5 1v 5 5
4 100kΩ 10kΩ .1 1v .1 .1
Cuestionario.
1. ¿En qué tanto difiere los cálculos teóricos contra los resultados prácticos?
Solo en el porcentaje de variación que tiene cada resistencia utilizada
2. De acuerdo a los resultados ¿Por qué a los amplificadores se les conoce como inversor y no
inversor?
Porque puede invertir el valor del voltaje que le entra
3. ¿Qué pasaría si Vx fuera un voltaje negativo para cada amplificador inversor y no inversor?
Al momento de que llega al voltaje de salida el signo sería diferente y con un valor distinto
dependiendo de la configuración
4. ¿Qué opina del amplificador seguidor?
Vuelva a medir:
Vx = 7.5V Ahora mida el voltaje en la carga:
Vsal = 13.63 Indique lo sucedido: En esta configuración nosotros no tenemos ninguna Rf por eso el voltaje no se amplifica
Pues en esta práctica fue como si se tratara de otro cable más ya que no contaba con una Rf para que si
pudiera amplificar, por lo pronto el voltaje de entrada fue
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Mecatrónica
Electrónica Analógica
PRÁCTICA 3: Uso del Amplificador Operacional (AO) como amplificador
2°C
Marco Aldair Cuevas Sánchez Edgar Macias Nungaray
Víctor Manuel Mora Romo
13/04/
Objetivo: El alumno al final de la práctica:
Implementará el AO conectándolo como amplificador de voltaje inversor o no inversor y que
servirá tanto para señales tanto CA como de CD.
Experimentará y comprobará que cuando hay retroalimentación negativa en un AO la ganancia
del amplificador inversor y no inversor se define por las resistencias externas que se le conecten
al exterior del AO, además que las comprobará por las ecuaciones correspondientes.
Marco teórico:
El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores
analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en
los años 40. El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc
(amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas
características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados.
Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes
operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas
sólo por estos elementos de realimentación. De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar
diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento
de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos.
Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de
vacío. El uso generalizado de los Años no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron a
aplicarse las técnicas de estado sólido al diseño de circuitos amplificadores operacionales, fabricándose
módulos que realizaban la circuitería interna del amplificador operacional mediante diseño discreto de
estado sólido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales
de circuito integrado.
Material y equipo:
1 LM741 o LM358
1 R 100kΩ, 1kΩ
2 R 10kΩ
1 Potenciómetro 10kΩ
1 Protoboard
1 Fuente de voltaje
1 Osciloscopio
1 Generador de señales
1 Multímetro
4 Caimanes
DESARROLLO
Amplificador Inversor.
Arme el circuito del amplificador inversor y llene la siguiente tabla además de dibujar las señales de
entrada contra la de salida. (Utilice la misma escala del osciloscopio para los dos canales)
MECATRÓNICA
(Las gráficas repórtelas con señal senoidal, pero haga pruebas usando las tres: senoidal, triangular y
cuadrada).
MECATRÓNICA
Incluya los cálculos teóricos y compare los resultados de ganancia
Prueba con voltajes en CD.
Quite el generador de señales y agregue ahora un potenciómetro de 10kΩ; por cada combinación de
resistencias ajuste el voltaje de entrada Vent a 1V y llene la tabla.
MECATRÓNICA
OJO: ¡Siempre revise Vent en cada medición!
Amplificador NO Inversor.
Arme el circuito del amplificador NO inversor y llene la siguiente tabla además de dibujar las señales de
entrada contra la de salida. (Utilice la misma escala del osciloscopio para los dos canales)
(Las gráficas hágalas con señal senoidal, pero compruebe la salida usando las tres: senoidal, triangular y
cuadrada).
MECATRÓNICA
Incluya los cálculos teóricos y compare los resultados de ganancia
Prueba con voltajes en CD.
Quite el generador de señales y agregue ahora un potenciómetro de 10kΩ; por cada combinación de
resistencias ajuste el voltaje de entrada Vent a 1V y llene la tabla.
MECATRÓNICA
OJO: ¡Siempre revise Vent en cada medición!
Uso del Amplificador Seguidor
a) Conecte un divisor de voltaje y mida Vx b) Ahora conecte una carga de 1k en
(Este valor se simulara una señal de sensado) paralelo a Vx y vuelva a medir.
Vx= 7.39V Vx= 1.2V
c) Inserte el amplificador seguidor entre señal y carga.
Cuestionario.
Vuelva a medir:
Vx = 8.4V
MECATRÓNICA
1. ¿En qué tanto difiere los cálculos teóricos contra los resultados prácticos en cuanto a
ganancia?
Cambian un poco dependiendo del objeto con el que se mide.
2. Como consecuencia de la pregunta 1 ¿Se tiene ventajas al usar un amplificador operacional
sobre un amplificador a base de transistor? ¿Por qué?
Si por que hace la función de miles de transistores.
3. De acuerdo a los resultados ¿Por qué a los amplificadores se les conoce como inversor y no
inversor?
Dependiendo de la configuración que se le da en las terminales inversora y no inversora.
4. ¿Puede un amplificador operacional amplificar un voltaje de CD? y ¿Uno a base de transistor?
Si
5. ¿Qué pasaría si Vx fuera un voltaje negativo para cada amplificador inversor y no inversor?
Para el inversor seria voltaje positivo y para el no inversor positivo.
6. ¿Qué opina del amplificador seguidor?
Pues que no sirve para casi nada por que pasa el voltaje tal cual lo recibe.
MECATRÓNICA
Universidad Tecnológica de Aguascalientes
Mecatrónica
Electrónica Analógica
MECATRÓNICA
PRÁCTICA 4: Amplificadores sumador inversor, restador y de instrumentación
2°C
Marco Aldair Cuevas Sánchez Edgar Macias Nungaray
Víctor Manuel Mora Romo
13/04/15 Objetivos: El alumno al terminar la práctica:
Implementará el AO conectándolo como amplificador de voltaje sumador y restador, además
como amplificador de instrumentación.
Comprobará las ecuaciones que rigen a cada una de las configuraciones que se armarán.
Marco teórico.
Con la posibilidad de producción en masa que las técnicas de fabricación de circuitos integrados
proporcionan, los amplificadores operacionales integrados estuvieron disponibles en grandes cantidades,
lo que, a su vez contribuyó a rebajar su coste. Hoy en día el precio de un amplificador operacional
integrado de propósito general, con una ganancia de 100 dB, una tensión offset de entrada de 1 mV, una
corriente de entrada de 100 nA. Y un ancho de banda de 1 MHz. es inferior a 1 euro. El amplificador, que
era un sistema formado antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para
convertirse en un componente discreto él mismo, una realidad que ha cambiado por completo el
panorama del diseño de circuitos lineales.
Con componentes de ganancia altamente sofisticados disponibles al precio de los componentes pasivos,
el diseño mediante componentes activos discretos se ha convertido en una pérdida de tiempo y de dinero
para la mayoría de las aplicaciones dc y de baja frecuencia. Claramente, el amplificador operacional
integrado ha redefinido las "reglas básicas" de los circuitos electrónicos acercando el diseño de circuitos
MECATRÓNICA
al de sistemas. Lo que ahora debemos de hacer es a conocer bien los AOs, cómo funciona, cuáles son
sus principios básicos y estudiar sus aplicaciones
Material.
1 LM741, 1 LM358
5R 10KΩ
3R 22KΩ
2 Potenciómetros
1 Protoboard
1 Multímetro
1 Fuente de voltaje
4 Caimanes
DESARROLLO.
Amplificador sumador.
Arme el circuito del siguiente sumador de dos voltajes:
1. Obtenga la ecuación del voltaje de salida.
2. Mueva los dos potenciómetros para ajustar los voltajes V1 y V2 y mida el voltaje Vsal.
Fórmula:
...3
32
21
1V
R
RfV
R
RfV
R
RfVsal
MECATRÓNICA
Amplificador restador
Arme el circuito del siguiente restador:
1. Obtenga la ecuación del voltaje de salida y la ganancia.
2. Mueva los dos potenciómetros para ajustar los voltajes V1 y V2 y mida el voltaje Vsal.
Fórmula: 12 VVRi
RfVsal
MECATRÓNICA
Amplificador de instrumentación
Arme el siguiente circuito del amplificador de instrumentación
1. Obtenga la ecuación del voltaje de salida y la ganancia.
2. Mueva los dos potenciómetros para ajustar los voltajes V1=1.5v y V2=4v y mida el voltaje Vsal.
MECATRÓNICA
Fórmulas: 12
Rg
RfA 121
2VV
Rg
RfVsal
MECATRÓNICA
Universidad Tecnológica de Aguascalientes
Mecatrónica
MECATRÓNICA
Electrónica Analógica
PRÁCTICA 5: Amplificadores Derivador e Integrador inversor
2°C
Marco Aldair Cuevas Sánchez Edgar Macias Nungaray
Víctor Manuel Mora Romo
13/04/15 Objetivos: El alumno al terminar la práctica:
Implementará el AO para realizar las operaciones de derivación e integración de señales de
voltaje.
Comprobará las ecuaciones que rigen a cada una de las configuraciones que se armarán.
Marco teórico.
El circuito derivador es exactamente lo opuesto al circuito integrador. Como con el circuito integrador, en
el circuito derivador hay una resistencia y un condensador formando una red RC a través del amplificador
operacional, pero en este caso, la reactancia, XC, está conectada a la entrada inversora del amplificador
operacional, mientras que la resistencia, RF, forma el elemento de realimentación negativa. La reactancia
del condensador juega un papel importante en el rendimiento de un circuito derivador.
Resumiendo, los componentes necesarios que hay que conectar a un amplificador operacional son los
siguientes:
Un condensador conectado a la entrada inversora.
Una resistencia de realimentación conectada entre la salida y la entrada inversora.
MECATRÓNICA
Material.
1 LM358
1R 10kΩ
2R 100kΩ
1 Protoboard
1 Multímetro
1 Fuente de voltaje
1 Osciloscopio
1 Generador de funciones
4 Caimanes
DESARROLLO.
Amplificador derivador inversor.
3. Arme el circuito del amplificador derivador inversor
4. Aplique las siguientes señales, grafique las salidas indicando su valor pico e indique qué tipo de
función se obtiene a la salida. (Todas las señales 5Vpico y 100 Hz).
MECATRÓNICA
Amplificador derivador integrador.
1. Arme el circuito del amplificador derivador integrador
MECATRÓNICA
2. Aplique las siguientes señales, grafique las salidas indicando su valor pico e indique qué tipo de
función se obtiene a la salida. (Todas las señales 5Vpico y 5kHz).
MECATRÓNICA
MECATRÓNICA
Resultados
Los resultados fueron presentados anteriormente por medio de imágenes y respuestas
a las preguntas planteadas por cada una de las prácticas
MECATRÓNICA
Conclusiones
Las conclusiones obtenidas concuerdan con el marco teórico y en cada aplicación que
utilizamos de los amplificadores operacionales, cuando calculábamos algún valor que
fuéramos a medir, a la hora de medirlo si era algo exacto, sólo variaba por el porcentaje
de variación de las resistencias, que en este caso en las que utilizamos fue de un 5%
según el color dorado en la última barra de cada una de las resistencias