TCD Practicas 1-5 Manipulacion Señales

BUAP / FCCCIRCUITOS LINEALES CON OPAMPs JETL _______________________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________ 1

PRÁCTICACIRCUITOS LINEALES CON OPAMPs

PARTE I: SEGUIDOR DE VOLTAJE

OBJETIVOEl objetivo de la práctica es demostrar la operación de un seguidor de voltaje,usando un 741.

Figura 1. Seguidor de voltaje

TEORIA

El seguidor de voltaje, o seguidor de fuente, mostrado en la figura 1, es sólo unamplificador no inversor de ganancia unitaria. No hay entrada o resistencia deretroalimentación. El voltaje de salida es una exacta reproducción del voltaje deentrada.

Como el amplificador no inversor, tiene una alta impedancia de entrada, la cual,para propósitos prácticos, es igual a la impedancia intrínseca de entrada de losopamps, la impedancia de salida para el seguidor de voltaje es la impedancia desalida dividida por la ganancia de lazo abierto de los opamps.

La función del seguidor de voltaje es idéntica al cátodo, emisor, y seguidor defuente para los tubos de vacio, BJT, FET, respectivamente. Esto es, el circuito esutilizado como un buffer de una señal de entrada de su carga, desde suimpedancia de entrada es alta y su impedancia de salida es baja.


_______________________________________________________________________________________________ 2

Figura 2. Seguidor de voltaje, ganancia de voltaje igual a 1.

MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAROsciloscopioUA741

METODOLOGÍAi) Coloque el osciloscopio para los siguientes parámetros: Canal 1 y 2 : 0.5 volts/división Base de tiempo: 1ms/división Medición en AC

ii) Cheque las conexiones del circuito. Alimente el circuito con V+ y V- a los pines7 y 4 respectivamente. Aplique la señal de entrada y observe los trazos de laentrada con la salida en la pantalla del osciloscopio.

iii) Ajuste la salida del generador hasta que el voltaje pico a pico sea de 1.5 Volts,y la frecuencia del generador sea de 400Hz. ¿Cuál es la diferencia entre la señalde entrada y la salida?

No hay diferencia entre las dos señales, están en fase. El voltaje de salida esde 1.5 volts pico a pico. Por consiguiente, la ganancia de voltaje del seguidor es 1.

iv) Verifique que la ganancia de voltaje de un seguidor de voltaje sea siempre 1,pero también varíe el voltaje de entrada y verifique que sea igual al de la salida.


_______________________________________________________________________________________________ 3

PARTE II: AMPLIFICADOR NO INVERSOR.

OBJETIVOEl objetivo de la práctica es demostrar la operación de un amplificador no inversor,usando un 741.

Figura 3.- Amplificador no inversor.

TEORIAComo se muestra en la figura 3, el op-amp está conectado como un amplificadorno inversor. Esto es porque la señal de entrada está aplicada a la entrada noinversora del op-amp. El resistor R1 es llamado elemento de entrada, y el resistorR2 es llamado elemento de retroalimentación, desde que desvía o retroalimentaparte de el voltaje de salida a una de las entradas del op-amp. En este caso, partede la salida es regresada a la entrada inversora.

Para este amplificador no inversor, el voltaje de salida esta dado por:

|1

21 VRR

Vo

+=

La ganancia de voltaje o la relación del voltaje de salida con el voltaje deentrada es:

1

21deg

deg

RRananciaVoltaje

VVananciaVoltaje

i

o

+=

=

(Ec. 2)

Consecuentemente, la ganancia de voltaje de un amplificador no inversorsiempre será mayor que la unidad.

(Ec. 1)


_______________________________________________________________________________________________ 4

Desde que la señal de entrada es aplicada a la entrada no inversora del op-amp, el voltaje de salida estará siempre en fase con la entrada. Es decir, quecuando el voltaje de entrada sea positivo, el de salida será igual. La diferenciaentre los voltajes de entrada y los de salida es que el voltaje de salida será1+(R2/R1).

La ganancia de lazo abierto AOL, es una característica intrínseca de un op-amp cuando no hay retroalimentación. Cuando la retroalimentación es utilizada,ganancia de lazo cerrado AcL, es simplemente la ganancia de voltaje de estaconfiguración del op-amp, o

1

21RRACL += (Ec. 3)

para el amplificador no inversor. La ganancia de lazo AL es la reducción de laganancia en lazo abierto por la ganancia de lazo cerrado, que está definido de lasiguiente manera:

1

21RR

AA

AAA

OLL

CL

OLL

+=

=

(Ec. 4)

Para propósitos prácticos, la impedancia de entrada del amplificador noinversor es la impedancia de entrada intrínseca del mismo op-amp, el cual esbastante para minimizar la carga de entrada en el circuito. Por otro lado, laimpedancia de salida del circuito esta determinado por la fórmula:

+==

OOI

L

OIo A

RR

ZAZZ 1

21 (Ec. 5)

donde ZOI es la impedancia intrínseca de la salida del op-amp, tal como estádeterminada de un manual de hojas de especificaciones.

Para el circuito de la figura 4, la Ganancia de voltaje es:

Av = 1 + (RB / RA) (Ec. 6)


_______________________________________________________________________________________________ 5

Figura. 4. Amplificador no inversor

MATERIAL Y EUQIPO A UTILIZAROsciloscopioGeneradorUA741Resistores

METODOLOGÍA

i).- Coloca el osciloscopio en las siguientes escalas:Canal 1 y 2 : 0.5 volt/divisiónBase de tiempo: 1ms/divisiónAC

ii).- Aplicar voltaje en el circuito y ajuste la salida del generador de voltaje a 1 voltpico a pico y la frecuencia a 400Hz.

Coloque la señal de entrada al amplificador contra la señal de salida en lapantalla del osciloscopio, cual es la diferencia entre las dos señales?

La única diferencia entre las dos señales es que la señal de salida es másgrande que la señal de entrada, como se muestra en la figura 5. Ambas señalesestán en fase, desde que la señal de salida va positiva exactamente igual que laseñal de entrada


_______________________________________________________________________________________________ 6

Figura 5. Gráficas de entrada- salida del amplificador no inversor

iii).- Cuál es el voltaje de salida pico a pico?Debió haber medido 2 volts aproximadamente, ¿ Cuál es la ganancia de

voltaje?La ganancia de voltaje es 2.0.

iv) Conserve el nivel de entrada constante a 1 volt pico a pico, cambie elresistor RB, y completa la tabla 1.

¿Sus resultados obtenidos en la medición son parecidos a los de laecuación de diseño?

RB Vo medido (pico a pico) Ganancia de voltaje27KΩ 3.7 3.739KΩ 4.9 4.947KΩ 5.7 5.782KΩ 9.2 9.2

Tabla 1


_______________________________________________________________________________________________ 7

PARTE III: AMPLIFICADOR INVERSOR

OBJETIVOEl objetivo de esta práctica es demostrar la operación de un amplificador inversor,utilizando un 741.

Figura 6. Amplificador inversor

TEORIAComo se muestra en figura 6, el op-amp está conectado como un amplificadorinversor. Esto es porque la señal de entrada es aplicada a la entrada inversora delop-amp (-) en serie a R1, el cual es llamado elemento de entrada. El resistor R2 esel elemento de retroalimentación. Para el amplificador inversor, el voltaje de salidaestá dado por la ecuación

io VRRV

−=

1

2 (Ec. 7)

El signo menos (-) indica que cuando la señal de entrada es positiva, la señalde salida en negativa y viceversa. En otras palabras, la señal de salida es depolaridad opuesta a la señal de entrada, lo cual es lo mismo decir que la salidaestá defasada 180º con respecto a la de entrada.

La ganancia de voltaje o la ganancia de lazo cerrado, es:

1

2

RR

VVA

i

oCL −== (Ec. 8)

Consecuentemente, la ganancia de voltaje del amplificador inversor puedeser menor, igual o mayor que 1, el cual depende de los valores asignados de R2 yR1.


_______________________________________________________________________________________________ 8

La ganancia de lazo es la siguiente:

=

=

1

2

RRAA

AAA

OLL

CL

OLL

(Ec. 9)

Comparando con el amplificador no inversor, la impedancia de entrada de uncircuito amplificador inversor es solo evaluado con el elemento de entrada R1, yserá mucho menor que el de un circuito no inversor. La impedancia intrínseca desalida del circuito, como antes, es determinada por la impedancia de salida delcircuito y la ganancia de lazo del circuito, así como:

==

2

1

RARZ

AZZ

OLoi

L

oio (Ec. 10)

Figura 7. Amplificador inversor, con ganancia de voltaje = -(RB / RA )

MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAROsciloscopioGeneradorAU741Resistores

METODOLOGÍA

i).- Coloque el osciloscopio en las siguientes escalas:Canal 1 y 2 : 0.5 volt/divisiónBase de tiempo: 1ms/divisiónAC


_______________________________________________________________________________________________ 9

ii).- Aplicar voltaje al circuito y ajusta la salida del generador a 1 volt pico a pico yla frecuencia debe de estar hasta 5 ciclos completos para 10 divisioneshorizontales (500 Hz). Con el voltaje de entrada colocado al circuito sobre elvoltaje de salida en la pantalla del osciloscopio, cual es la diferencia entre las dosseñales?

La señal de salida es totalmente de forma opuesta o invertida, comparadacon la señal de entrada, como se muestra en la figura 8. La salida se puede decirque esta invertida o desfasada 180º con la entrada, desde el pico positivo de laseñal de salida ocurre cuando el voltaje de pico de entrada es negativo.

Figura 8.- Señales de entrada y salida del inversor.

Iii).- ¿Cuál es el voltaje de salida pico a pico?EL voltaje de salida pico a pico debería ser 1, el cual es exactamente como la

entrada. Por consiguiente, la ganancia de voltaje es –1.0, donde el signo menosindica que la salida está invertida con respecto a la entrada.

iv).- Colocar el nivel de la entrada constante a 1 volt pico a pico, cambiar elresistor RB y complete la tabla.

RB Vo medido (pico a pico) Ganancia de voltaje27KΩ 2.7 2.739KΩ 3.9 3.947KΩ 4.7 4.782KΩ 8.2 8.2

Tabla 2


_______________________________________________________________________________________________ 10

PARTE IV: sumador

OBJETIVOEl objetivo de esta práctica es demostrar la operación de un amplificador con dosentrada que se suman, usando un 741, ver figura 9.

Figura 9. Sumador

TEORIASi varios resistores de entrada son conectados simultáneamente a la entradainversora, como se muestra en la figura 9, se obtiene un amplificador sumador.Para este circuito, los voltajes de entrada en forma separada son sumados, asíque el voltaje de salida es:

++−=

++−=

3

3

2

2

1

13

32

21

1 RV

RV

RVRV

RRV

RRV

RRV F

FFFO Ec. 11

la cual es similar a la ecuación 6, excepto que ahora se tienen entradas múltiples.Si la resistencia de retroalimentación RF y la resistencia de entrada R1, R2 y R3son iguales, entonces el voltaje de salida será:

)( 321 VVVVO ++−= Ec. 12


_______________________________________________________________________________________________ 11

Figura 10. Sumador inversor

Por otra parte, se pueden tener ganancias por medio del valor mas grande de laresistencia de retroalimentación que las tres resistencia iguales de entrada. Laimpedancia de entrada para cada entrada es simplemente del valorcorrespondiente al resistor de entrada.

Una buena variación de estos circuitos es el promediador. Para una buenaselección de la relación de la resistencia de retroalimentación igual a lasresistencias de entrada, se puede obtener el valor promedio de la entrada devoltajes. Tomando el circuito de la figura 10 como ejemplo, el promedio de las tresentradas debe ser:

3)( 321 VVVV promedioo

++= (Ec. 13)

Si se hace que R1=R2=R3 = RF/3, se obtiene el promedio de esas tres señalesde entrada.

El voltaje de salida es:Vo = R3 [(V1/R1)+(V2/R2)] (Ec. 14)

METODOLOGÍA

i).- Colocar el osciloscopio en las siguientes escalas:Canal 1 y 2 : 0.5 volt/divisiónBase de tiempo: 1ms/divisiónAC

ii).- Aplicar voltaje al circuito y ajustar el generador a 1 volt pico a pico de salida deV1 y ajustar la frecuencia a 300Hz.

iii).- Mida el voltaje de salida y la del primer operacional (V2).¿Cuál es?


_______________________________________________________________________________________________ 12

Debería haber medido un volt pico a pico, desde esta porción de circuito estájusto un seguidor de voltaje, del cual su operación fue descrita en la parte I.

iv).- Mida el voltaje de salida del segundo operacional (Vo). ¿Cuál es?Debe haber medido un voltaje pico a pico de aproximadamente 2.¿Por qué?

Este segundo amplificador es un amplificador sumador, suma los dos voltajesde entrada. La salida es:

Vo = R3 [(V1/R1)+(V2/R2)]= -2.0 volts (Ec. 15)

El signo negativo ocurre porque se usa al op-amp como amplificador inversor,así que el voltaje está invertido con respecto a la suma de las dos entradas, lascuales están en fase.

Si se observan simultáneamente las tres señales en la pantalla delosciloscopio, los tres trazos se verían como en la figura 11.

Figura 11. Gráficas del sumador

v).- Hasta ahora, se ha presentado un simple caso de la suma de dos voltajesiguales. Para demostrar que la ecuación del paso 4 y la operación de unamplificador sumador puede trabajar con voltajes de entrada desiguales,desconecta todo y arma solo el primer op-amp como amplificador no inversor,como muestra la figura 12.

El segundo op-amp mantenlo igual armado.


_______________________________________________________________________________________________ 13

Figura 12. Circuito con Opamp.

vi).- Aplicar otra vez voltajes y señales . ¿Cuál es voltaje V2 ahora ( i. e. El voltajede salida de el nuevo circuito)?

Debe de haber medido aproximadamente 2 volts, desde que la ganancia devoltaje de este amplificador no inversor es 2.0 volts.

vii).- Ahora mida el voltaje de salida Vo ( el voltaje de salida del segundooperacional). El voltaje pico a pico debe ser de aproximadamente 3 volts. Sinosotros estuvimos observando simultáneamente los tres trazo de V1, V2 y Vo losvimos como la figura 2-28.

Figura 13 Señales de entrada salida

viii).- Otra vez desconecte la fuente de poder, ahora alambre el primer op-ampcomo un amplificador inversor de ganancia –1.0


_______________________________________________________________________________________________ 14

Figura 14.- Inversor

ix).- Aplicar voltaje y ahora mida Vo ¿Qué medición obtuvo?. No pudo habermedido voltaje de salida. ¿Por qué?.

Pensaría que probablemente el voltaje de salida Vo debería ser de 2 volts,desde V1 hasta V2 son ahora cada una de 1 volt. Cuando estas dos señales soniguales pero desfasadas una con otra , entonces estos se cancelan, por lo tanto elresultado es cero, esto puede ser observado en la figura 2-30.

Figura 15.- Señales de entrada Salida


_______________________________________________________________________________________________ 15

PARTE V: AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

OBJETIVOEl objetivo de esta práctica es demostrar el diseño y operación de un amplificadordiferencial, utilizando un op-amp 741.

Figura 16. Amplificador diferencial

TEORIAComo se muestra en la figura 16, el amplificador diferenciador tiene voltajes deentrada que son aplicados simultáneamente a las entradas inversora y noinversora del op-amp. Aunque este tipo de circuito se ve muy complejo, el análisises bastante simple usando lo que se ha visto en clase. Primero, asuma que elpunto V’2 es cortado por la tierra y V2 es cero. Ahora se tiene una configuraciónidéntica a la figura 2 o un simple amplificador inversor. El voltaje de salida es elsiguiente:

11

VRRV F

o

−= ( Ec. 16)

Figura 17.- Amplificador de entrada diferencial.


_______________________________________________________________________________________________ 16

Después, remueve el pequeño circuito a V’2 y después corta la señal deentrada V1 a tierra. Esencialmente se tiene un amplificador no inversor. El voltajeactual de la entrada no inversora del op-amp está dada por V’2, la cual se relacionacon el voltaje de entrada V2 por el divisor de voltaje:

232

3'2 V

RRRV

+

= (Ec. 17)

El voltaje de salida no inversora es el siguiente:

232

3

1

1 VRR

RRRV F

O

+

+= (Ec. 18)

Combinando la ecuación 17 con la 18, el voltaje de salida es dada por ladiferencia del amplificador como una función de los voltajes de entrada V1 y V2:

232

3

11

1

1 VRR

RRRV

RRV FF

O

+

++

−= (Ec. 19)

El primer término es invertido en la salida, mientras que el segundo términono está invertido.

Cuando el circuito de la figura 17 es utilizado como un amplificadordiferenciador, la ganancia de voltaje (G) es colocado por 4 resistores, asi que :

12

13

1

RRGRRGRRF

=

=

=

(Ecs 20, 21, 22)

Cuando los cuatro resistores son iguales entonces la ecuación 19 se reducea :

Vo = V2 – V1 (Ec. 23)

Así que el voltaje de salida es la diferencia de V2 y V1. Así es como el circuitoes después llamado substractor analógico de ganancia unitaria.

• Vo = (R2 / R1 ) (VB - VA)• Cuando R1 = R3 ; R2=R4


_______________________________________________________________________________________________ 17

Metodología

i).- Arma el circuito de acuerdo al diagrama.

ii).- Primero conecta en la entrada no inversora el resistor R3 al punto 1 y elresistor R1 a la inversora en el punto 2 es decir en el resistor divisor.

iii).- Con su voltímetro, mida los voltajes de entrada de dc V1 (VB) y V2 (VA),recuerda anotar tu resultados abajo:

V1 = VB = 3.97 voltsV2 = VA = 2.72 volts

Después tome la diferencia:VB – VA = 1.27 volts

iv).- Ahora con su voltímetro , mide el voltaje de salida Vo y anota tus resultados.

Vo = 2.8 volts.

v).- De la ecuación dada en la sección diseño básico, compare con el voltaje desalida medido en el paso anterior y el calculado. Ellos deberían seraproximadamente iguales.

De la ecuación de la sección de diseño, la ganancia de diferencia Ad es2.128, asi que el voltaje de salida es 2.128. Desde VB es mucho más grande queVA, la polaridad de la salida es positiva.

vi).- Ahora regresa la entrada, por lo tanto R1 es conectada al punto 1 y R3 esconectada al punto 2. Repite el paso 3 y 4, recuerda anotar tus resultados.

V1 = VB = 3.04 voltsV2 = VA = 1.77 volts

VB – VA = -1.27 voltsVo = -2.74 volts

vii).- Desconecte la fuente de poder y cambie los resistores R1 y R3 a 33KΩ. Laganancia de la diferencia es ahora igual a 3.3. Repite la práctica para unaganancia nueva.

BUAP / FCC

INTEGRADOR Y DIFERENCIADOR CON OPAMP ___________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________ 1

PRÁCTICA

INTEGRADOR Y DIFERENCIADOR CON OPAMPs

1.- INTRODUCCIÓNEn este práctica se presentan dos circuitos básicos con amplificadores

operacionales: el integrador y el diferenciador, que matemáticamente son inversosel uno con el otro.

2.- OBJETIVOSDiseñar los circuitos Diferencidor e Integrador con op-amps y predecir la

respuesta de de cada uno de ellos. Además de reconocer las limitaciones de estoscircuitos.

3.- TEORÍA

DERIVADORComo se muestra en la figura 1, el derivador con op-amp (no debe

confundirse con el amplificador restador) es similar al amplificador inversor,excepto que el elemento de entrada es un capacitor.

Figura 1.- Circuito derivador con Opamp

Para este circuito, el voltaje de salida esta dado por:

tViCRV Fo ∆

∆−=

donde la cantidad ∆Vi/∆t es el cambio en el voltaje de entrada sobre un intervalode tiempo específico. A tal cantidad se le conoce como la pendiente de la linea.Usando cálculo, la ecuación se reescribe como:

dtdVCRV i

Fo −=

Un problema con el circuito es que la reactancia del capacitor (1/2πfC) varíainversamente con la frecuencia. Consecuentemente, el voltaje de salida del

Ec. 2

Ec. 1

BUAP / FCC


__________________________________________________________________________________________ 2

derivador se incrementa con la frecuencia, haciéndolo susceptible a ruido de altafrecuencia.

Un circuito derivador más práctico se muestra en la figura 2, tiene unaresistencia puesta en serie con el capacitor de entrada para reducir la ganancia dealta-frecuencia a la relación RF/RS. El voltaje de salida como una función deltiempo sigue dada por la ecuación 2. Sin embargo, el circuito funciona comoderivador solo para frecuencias de entrada menores de:

CRf

Sc π2

1=

Figura 2.- Circuito derivador con una resistencia en serie.

Para frecuencias de entrada mayores que el de la ecuación 3, el circuito secomporta como un amplificador inversor con una ganancia de voltaje de

S

F

i

o

RR

VV

−=

En la ecuación 2, el producto RFC, llamado la constante de tiempo, debe seraproximadamente igual al período de la señal de entrada a ser diferenciada. En lapráctica, RS está entre 50-100 Ω.

Ejemplo

Diseñe un circuito que derive una señal de entrada de 500-Hz, con laganancia del circuito en alta frecuencia limitada a 10.

Como el período de la señal es de 1/500 Hz, o 2 mseg, entonces:

CRseg F=002.0

Escogiendo C = 1 µF, entonces RF debe ser de 2 kΩ. Como la ganancia dealta frecuencia está limitada a 10, RS debe ser de 200 Ω, dando el siguientecircuito final.

Ec. 3

Ec. 4

BUAP / FCC


__________________________________________________________________________________________ 3

Figura 3.- Circuito práctico

Para una onda senoidal,

)(1 tsenVV m ω=donde,

Vm = voltaje pico de la onda senoidal, ω = frecuencia de entrada, radianes/seg, igual a 2πf.

El voltaje de salida como una función del tiempo es:

( )

)cos(

)(

tVCR

tsenVdtdCRV

mF

mFo

ωω

ω

−=

−=

La salida es una onda coseno, que no es más que una onda senoidaldefasada 90°, como se muestra en la figura. De la ecuación 3-6 y de la figura, elvoltaje pico de salida es:

( ) mFpicoo VCRV ω=

Además del defasamiento de 90° (para una onda senoidal), la salida seinvierte ya que la señal de entrada es aplicada a la entrada inversora del op-amp.

Figura 4.- Formas de onda del derivador

Ec. 5

Ec. 6

Ec. 7

BUAP / FCC


__________________________________________________________________________________________ 4

Ejemplo¿Cuál será el voltaje pico de salida para un circuito derivador con RF= 200

kΩ, C = 0.01 µF, con un voltaje de entrada senoidal de 200 Hz y un volt pico?

Usando la ecuación 7 el voltaje de salida pico es:

( )

voltsVFkHz

VCRV mFpicoo

51.2)1)(01)(.200)(200)(28.6(

=Ω=

=

µ

ω

Para una señal de entrada triangular, la frecuencia de entrada puede serexpresada como:

21

1tt

f+

=

Figura 5.- Señal triangular

Durante el periodo de tiempo t1, la ecuación para la señal de entrada, quetiene la forma de una línea recta, se escribe como:

( ) ttVVV m

mt1

1 21

+−=

y para el periodo t2,

( ) ttVVV m

mt2

1 22

−=

Sustituyendo las ecuaciones 3-9 y 3-10 en la ecuación 3-2, los voltajes desalida para los 2 periodos de tiempo son:

( )

( )1

1

2

21

tVCR

ttVV

dtdCRV

mF

mmFto

−=

+−−=

y,( ) ( )22

2tVCRV mFto =

Ec. 8

Ec. 9

Ec. 10

Ec. 11

Ec. 12

BUAP / FCC


__________________________________________________________________________________________ 5

La forma de onda de salida será una onda cuadrada con un voltaje pico iguala:

( ) ( )2,12 tVCRV mFpicoo ±=

Durante el periodo de tiempo t1, la salida pico es negativa y durante t2, elvoltaje pico de salida es positivo, como se muestra en la figura 6.

Figura 6.- Voltaje pico

EjemploPara un derivador con RF = 200 kΩ y C = 0.01 µF. ¿Cuál es el voltaje pico de

salida para una onda triangular de entrada a 100 Hz cuyo voltaje pico es de 1 volt(2 volts pico-pico), y asuma que la onda triangular es simétrica (t1=t2)?

Como los periodos t1 y t2 son iguales, entonces:

Hztt

f 1001

21

=+

=

o,segtt 01.021 =+

por lo que,segtt 005.021 ==

Usando las ecuaciones 3-11 3-12,

( ) ( )

voltseg

VFktVCRV mFto

8.0)005(.

)1)(2)(01.0)(200(2 11

−=

Ω−=

−=

µ

y,

Ec. 13

BUAP / FCC


__________________________________________________________________________________________ 6

( ) ( )

voltseg

VFktVCRV mFto

8.0)005(.

)1)(2)(01.0)(200(2 22

+=

Ω+=

+=

µ

Figura 7.- Formas de onda del diferenciador.

INTEGRADOR

Intercambiando la posición de la resistencia y del capacitor del derivador, setiene un circuito integrador. Como se muestra en la figura 8, la resistencia R1 es elelemento de entrada y el capacitor C es el elemento de retroalimentación. Se diceque el circuito es lo inverso al circuito derivador, que es consistente con lasoperaciones matemáticas de diferenciación e integración. En la forma integral, elvoltaje de salida, como una función del tiempo, está dado por:

∫−=t

io dtVCR

V01

1

que representa “el área bajo la curva”.

Figura 8.- Circuito integrador

Sin embargo, un circuito integrador más práctico se muestra en la figura 9.La resistencia RS en paralelo con el capacitor de retroalimentación se llamaresistencia shunt y es usada para limitar la ganancia de baja frecuencia del

Ec. 14

BUAP / FCC


__________________________________________________________________________________________ 7

circuito. Si la ganancia de baja frecuencia no estuviera limitada, el offset de dc,aunque fuera pequeño, sería también integrado sobre el periodo de integración,saturando eventualmente al opamp. El voltaje dc de offset debido a la corriente depolarización de entrada es minimizado por la resistencia R2, que es igual alparalelo de las resistencias de entrada y shunt, o:

S

S

RRRRR+

=1

12

Ya que la resistencia shunt ayuda a limitar la ganancia de baja frecuencia delcircuito, la ecuación 14 es válida para frecuencias de entrada mayores a:

CRf

Sc π2

1=

Figura 9.- Circuito integrador mejorado

Para frecuencias de entrada menores a fc, el comportamiento del circuito escomo un amplificador inversor con una ganancia de voltaje de:

1RR

VV S

i

o −=

En la práctica, RS se hace aproximadamente 10 veces R1. Como en elcircuito derivador, la constante de tiempo R1C se hace aproximadamente igual alperiodo de la señal de entrada a ser integrada.

EjemploUsando una señal cuadrada como entrada a un integrador, determine RS,

R1, C, y el voltaje pico de salida.

Del ejemplo anterior, f = 100 Hz. Por lo que C = 0.01 µF,

Ec. 15

Ec. 16

Ec. 17

BUAP / FCC


__________________________________________________________________________________________ 8

CHz

1R1100 =

Consecuentemente, R1 = 1 MΩ y RS = 10 MΩ. De la ecuación 15, R2 debeser 910 kΩ.

Para el periodo de tiempo t1 (.005 seg), el voltaje de salida es:

volt

dt

dtVFM

dtVCR

V

segt

segt

t

io

4.0

)8.0)(100(

)8.0()01)(.1(

1

1

005.

0

005.

0

01

1

1

1

+=

−−=

−Ω

−=

−=

∫

∫

∫

=

=

µ

De forma similar, el voltaje de salida para el periodo t2 es –0.4 volt.

Figura 10.- Formas de onda del circuito integrador

METODOLOGÍA

Las siguientes prácticas son diseñados para demostrar la operación y eldiseño de un derivador y un integrador a varias frecuencias.

PROPÓSITO GENERALDemostrar el diseño y operación de un circuito derivador con op-amp.Demostrar el diseño y operación de un circuito integrador con op-amp.

BUAP / FCC


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CIRCUITO DERIVADOR

PropósitoEl propósito de este experimento es demostrar el diseño y operación de un

derivador con opamp usando un operacional del tipo 741.

Diseño

o Voltaje de salida: dtdVCRV i

Fo −=

o Respuesta a baja frecuencia:CR

fS

c π21

=

o Cuando: f < fc , el circuito actúa como derivador,f > fc , el circuito se acerca a un amplificador inversor con una

ganancia de voltaje de –RF/RS.

Paso 1Poner el osciloscopio con las siguientes condiciones:

o Canal 1: 0.5 volt/div.o Canal 2: 0.05 volt/div.o Base de tiempo: 0.5 mseg/div.o Acoplamiento en DC.

Paso 2 Alambre el circuito mostrado en la figura 11 y aplique voltaje al protoboard.

Figura 11.- Circuito Diferencial

Paso 3Ajuste el voltaje pico-pico de la onda triangular de entrada a 1 volt (0.5 volts

pico) y la frecuencia a 400 Hz (2 ciclos completos). Como se muestra en la figura,usted verá que la señal de salida es una onda cuadrada que está 180° defasadacon respecto a la entrada.

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Figura 12.- Formas de onda del diferenciador

Paso 4Desconecte temporalmente el canal 2 y coloque la línea en 0 volts. Vuelva a

conectar el canal en la salida del circuito como se muestra en el diagrama. Mida elvoltaje pico negativo de la onda cuadrada (con respecto a tierra), anotando suresultado abajo:

Voltaje pico negativo = _______ volts

Paso 5Ahora mida el periodo de tiempo para el cual el voltaje de la onda cuadrada

es negativo (t1). Si la frecuencia de entrada es exactamente 400 Hz y es simétrica,usted deberá medir aproximadamente 1.25 mseg.

Paso 6Para este voltaje de salida negativo, la ecuación para el voltaje pico negativo

de una onda cuadrada resultante de una onda triangular diferenciada está dadopor:

( )1

2tVCRV mF

picoo −=

¿Cómo se compara el valor determinado en el paso 4 con el valor calculado?

___________________________________________________________ -___________________________________________________________ -

Paso 7Cambie la base de tiempo a 0.2 mseg/div. y el canal 2 a 0.1 volt/div. Ahora

ajuste la frecuencia de entrada para que existan 2 ciclos completos (1 kHz). Repitalos pasos 4, 5 y 6. ¿Cómo se compara el resultado experimental con el valorcalculado?

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___________________________________________________________ -___________________________________________________________ -

Si la frecuencia de entrada es exactamente simétrica y a 1 kHz, entonces t1es 0.5 mseg, dando un valor calculado para el voltaje pico de salida de 0.205 volts.Su valor medido deberá estar cercano a este valor. A que frecuencia aproximadaeste circuito dejará de actuar como un derivador (esto es, se acerca a unamplificador inversor)?

De la fórmula de respuesta a baja frecuencia, el punto en el que la operacióndel derivador cambia a la de amplificador es aproximadamente a 15.4 kHz.

Paso 8Ahora cambie la base de tiempo a 10 µseg/div y el canal 2 a 2 volt/div. Ajuste

la frecuencia para que existan 3 ciclos completos en la pantalla del osciloscopio(30 kHz). ¿Cómo se ve la señal de salida?

La señal de salida deberá verse como la entrada pero invertida, tal como semuestra en la figura 13.

Figura 13.- Formas de onda

A esta frecuencia, el circuito funciona como un amplificador inversor.

Paso 9Mida el voltaje de salida pico-pico y determine la ganancia de voltaje. ¿Es

eso lo que usted esperaba?La ganancia de voltaje debe ser casi de 10.___________________________________________________________ -

___________________________________________________________ -

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INTEGRADOR

PropósitoEl propósito de este experimento es demostrar el diseño y operación de un

integrador con op-amp, usando un operacional tipo 741.

Diagrama del circuito

Figura 14. Circuito integradorDiseño

o Voltaje de salida: ∫−= 1

01

1 t

io dtVCR

V

o Respuesta a baja frecuencia:CR

fS

c π21

=

o Cuando: f < fc, el circuito funciona como un amplificadorinversor con una ganancia de voltaje de –RS/R1.

f > fc, el circuito actúa como un integrador.o Para un mínimo offset de salida debido a las corrientes de

polarización,

S

S

RRRRR+

=1

12

Paso 1Poner el osciloscopio con los siguientes condiciones:

o Canal 1: 0.5 volt/div.o Canal 2: 0.05 volt/div.o Base de tiempo: 20 µseg/div.o Acoplamiento en DC.

Paso 2 Alambre el circuito mostrado en la figura 14 y aplique voltaje al protoboard.

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Paso 3Ajuste el voltaje pico-pico de la onda cuadrada de entrada a 1 volt (0.5 volts

pico) y la frecuencia a 10 kHz (2 ciclos completos). Como se muestra en la figura,usted verá que la señal de salida es una onda triangular que está 180° defasadacon respecto a la entrada.

Figura 15.- Formas de onda

Paso 4Desconecte temporalmente el canal 2 y coloque la línea en 0 volts. Vuelva a

conectar el canal en la salida del circuito como se muestra en el diagrama. Mida elvoltaje pico-pico de la onda triangular, anotando su resultado abajo:

Voltaje pico-pico = _______ volts

Paso 5Ahora mida el periodo de tiempo que le toma a la onda cuadrada completar

medio ciclo (t). Si la frecuencia de entrada es exactamente 10 kHz y es simétrica,usted debió haber medido 50 µseg.

Paso 6Para una señal de entrada cuadrada, el voltaje pico-pico de salida de la onda

triangular es:

( )CRtVV m

ppo1

−=−

¿Cómo se compara el valor determinado en el paso 4 con el valor calculadocon la fórmula anterior?

___________________________________________________________ -

___________________________________________________________ -

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__________________________________________________________________________________________ 14

Paso 7Cambie la base de tiempo del osciloscopio a 50 µseg/div. y el canal 2 a 1

volt/div. Ahora ajuste la frecuencia de entrada para que existan 2 ciclos completos(4 kHz). Repita los pasos 4, 5 y 6. ¿Cómo se compara el resultado experimentalcon el valor calculado?

Cuando yo realicé este paso, medí un voltaje pico-pico de 2.70 volts sobre unperiodo de tiempo de 125 µseg. El valor calculado fue de 2.84 volts. A quefrecuencia aproximada este circuito dejará de actuar como un integrador (esto es,se acerca a un amplificador inversor)?

De la fórmula de respuesta a baja frecuencia, el punto en el que la operacióndel integrador cambia a la de amplificador es aproximadamente a 724 Hz.

Paso 8Ahora cambie la base de tiempo a 2 mseg/div y el canal 2 a 5 volt/div. Ajuste

la frecuencia para que existan 2 ciclos completos en la pantalla del osciloscopio(100 Hz). ¿Cómo se ve la señal de salida?

La salida se parece a la entrada, pero invertida, como se muestra en lafigura. A esta frecuencia, el circuito funciona como un amplificador inversor.

Figura 16.- Formas de onda del integrador

Paso 9Mida el voltaje pico-pico de salida y determine la ganancia de voltaje. ¿Era

eso lo que esperaba?

La ganancia de voltaje deberá ser aproximadamente de 10, dado que larelación de RS/R1 es de 10.

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CIRCUITOS DE CORRIENTE Y VOLTAJE _____________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________ 1

PRÁCTICA

CIRCUITOS DE CORRIENTE Y VOLTAJE1.- INTRODUCCIÓN

En estas prácticas se discute sobre algunos circuitos básicos de OpAmpsdonde la señal de entrada o salida es una corriente, y qué es útil en la formulaciónde fuentes de corriente y circuitos de medición. Además, las conversionescorriente - voltaje y voltaje - corriente son también posibles.

2.- OBJETIVOS

A la terminación de estas prácticas usted será capaz de diseñar y predecir elcomportamiento de:

Una fuente de corriente constanteUn convertidor de corriente a voltajeUn convertidor inversor de voltaje a corrienteUn convertidor no inversor de voltaje a corriente

3.- TEORÍA

Fuente de corriente constante

Usando el circuito de la figura 1, un opamp puede hacer la función de unafuente de corriente constante. Aquí, la entrada de voltaje, tal como una batería uotra referencia de voltaje estable, entrega una corriente constante a través delresistor R1, que a su vez también debe fluir a través de la resistencia deretroalimentación R2 (en un Opamp ideal la entrada de corriente es cero), o por lacarga.

Por la ley de Ohm, la corriente a través de R1, y consecuentemente en R2,debe ser:

I= (VREF/R1) 1

Si por alguna razón, la resistencia de carga cambia, la corriente que fluye através de la carga permanece igual, haciendo que VREF y R1 permanezcaconstante.

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Figura 1.- Opamp como fuente de corriente.

CONVERTIDOR CORRIENTE A VOLTAJEEl convertidor básico de corriente a voltaje presentado en la figura 2 es

esencialmente un amplificador inversor, pero sin resistencia de entrada. Lacorriente de entrada It es aplicada directamente a la entrada inversora del opamp.Desde esta entrada, la corriente también fluye a través de la resistencia de retro R(de forma similar que en la fuente de corriente constante), la salida de voltaje essimplemente:

Vo=ItR 2

Figura 2 Convertidor corriente a voltaje

Para tal circuito, la corriente de polarización (bias current Ib) es tambiénsumada a la corriente de entrada, por lo que la ecuación 2 se reescribe como:

Vo=(It+Ib)R 3

Hay que tener cuidado de que la corriente de polarización sea pequeñacomparada con la señal de entrada.

Ejemplo

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_____________________________________________________________________________________________________ 3

Un ejemplo del convertidor de corriente a voltaje es el circuito de fotoceldamostrado en la figura 3.

Figura 3,. Convertidor corriente a voltaje empleando una fotocelda

Suponiendo que bajo condiciones de luz la corriente de la fotocelda es de100 uA, y cuando no incide luz sobre esta su corriente es de 10 uA. Siendo sóloconsiderado con el cambio en la salida de voltaje, la corriente de entrada cambia90 uA. Entonces de acuerdo a la ecuación 2, el correspondiente cambio en lasalida de voltaje es:

∆Vo=∆ItR

=(90uA)(10KΩ)

=0.9 V.

CONVERTIDOR DE VOLTAJE A CORRIENTE

Para aplicaciones tales como manejar relés y metros analógicos, unconvertidor de voltaje a corriente, también llamado amplificador de transmitancia,es frecuentemente usado. Dependiendo en la aplicación particular, un convertidorde voltaje a corriente puede manejar cargas flotantes o aterrizadas.

Para cargas flotantes, los circuitos de las figuras 4 y 5 pueden ser usados.

La figura 4 muestra un convertidor inversor de voltaje a corriente, y es similaren forma al amplificador inversor, excepto que el elemento de retro (la carga) esahora la bobina de un relé, o posiblemente un amperímetro con una resistenciainterna de RL. También este circuito se parece a la fuente de corriente constantede la figura 1. la corriente que fluye a través de la carga flotante es entonces:

IL=(Vt/Rt) 4

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_____________________________________________________________________________________________________ 4

Figura 4.- Convertidor inversor de voltaje a corriente

Y esta corriente es independiente del valor de la resistencia de carga RL.

Figura 5.- Convertidor no inversor de voltaje a corriente

La figura 5 es un convertidor no inversor de voltaje a corriente. La corrientede carga para este circuito es la misma que fue dada en la ecuación 4.

Para cargas que son aterrizadas en un lado, el circuito de la figura 6 es elindicado. Controlado por el voltaje de entrada V1, la corriente de carga está dadapor:

IL = -(Vi/R3) 5

Donde

(R4/R3)=(R2/R1) 6

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_____________________________________________________________________________________________________ 5

fig 4-6 convertidor de voltaje a corriente con carga aterrizada

4.- METODOLOGÍA

Las siguientes prácticas están diseñadas para demostrar el uso del opampcomo fuentes de corriente, convertidor de voltaje a corriente y de corriente avoltaje. En todas estas prácticas es requerido un amperímetro, si es posible digital,dando más precisión que los resultados obtenidos por un analógico.

Las prácticas que se realizarán pueden ser resumidos como sigue:

No. De experimento Propósito1 Demostrar el diseño y operación de una

fuente de corriente constante, usando unafotocelda como carga variable.

2 Demostrar el diseño y operación de unconvertidor de corriente a voltaje midiendo lacorriente a través de la fotocelda.

3 Demostrar el diseño y operación de unconvertidor no inversor de voltaje a corriente.

4 Demostrar el diseño y operación de unconvertidor inversor de voltaje a corriente.

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Fuente de corriente constante

Propósito

El propósito de esta práctica es demostrar la operación de una fuente decorriente constante, usando una fotocelda como carga variable y un Op-amp 741.

Diagrama esquemático del circuito (Fig. 4-7)

Figura 7.- Diagrama esquemático del circuito.

Diseños básicos

• IL= (VREF/Ri), independiente de RL• Vo=-(RL/Ri)VREF

Paso 1Para el experimento se necesitará un amperímetro con escala llena leyendo

a partir de 1 mA. Un multímetro digital capaz de medir corriente es preferible paraprecisar resultados; sin embargo, un medidor analógica también puede ser usado,pero habrá que reducir precisión. La fotocelda es del tipo de uso general.Dependiendo del tipo exacto que se use, los valores del experimento puedenvariar ligeramente.

Paso 2Alambre el circuito enseñado en el diagrama de la figura 7. encienda la

fuente en el protoboard y observe la lectura del amperímetro. Si la polaridad de lacorriente indicada es negativa (o una aguja “pegada” hacia la izquierda en caso de

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_____________________________________________________________________________________________________ 7

usar amperímetro analógico), desconecte la fuente momentáneamente e inviertalas polaridades.

Paso 3Ahora mida VREF, el voltaje de referencia de la fuente de corriente constante,

usando un osciloscopio con las siguientes características:

• Canal 1: 0.2 v/div• Time base: 0.1 ms/div• Medición de CD

Además, mida IL y el voltaje de salida Vo, anotando sus resultados acontinuación:

VREF = _________ Volts

IL = ____________ mA(Vo)a luz llena =_________ Volts

Cuando se hagan las mediciones, especialmente cuando se mida Vo, sedebe ser cuidadoso de no obstruir la superficie detectora de la fotocelda, la cualgeneralmente es el tope de un cilindro. Los valores de arriba serán usados paracaracterizar los parámetros de operación bajo las condiciones del circuito bajo luzllena.

Cuando realicé este experimento, use una fuente de ± 15 volts,

VREF=

IL=

(Vo)a luz llena=

Paso 4Debido a que la fotocelda es una resistencia variable a la luz, este circuito es

idéntico a un amplificador inversor. De la ecuación de ese diseño:

Vo= - (RL/Ri) VREF

Determine la resistencia de la fotocelda (RL) a partir de las mediciones en elpaso 3 y anótelas a continuación:

(RL)a luz llena = ________Ω

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Cual es el valor de su resistencia:

Paso 5Ahora compare las mediciones de corriente en el paso 3 con los valores

calculados a partir de:

IL = VREF / Ri

=_______ mA

¿Son similares estos valores?

Dependiendo del valor exacto de Ri, esos dos valores deberían ser casiiguales.

En su caso, cel valor calculado fue de ____ mA, comparándolo con el valorque midio fue de _____ mA.

Paso 6Ahora verifique el amperímetro y el voltaje de salida en el osciloscopio

mientras usted pasa su mano sobre la fotocelda. ¿Qué sucede?

Usted debió de haber observado que la salida incrementaba cuando ustedestaba cubriendo la fotocelda. Sin embargo, la corriente permanece constante, yes el mismo valor que midió en el paso 3.

Paso 7Ahora ponga su dedo directamente en la superficie de la fotocelda. Mida Ii y

Vo, anote los resultados a continuación:

IL = _________ mA

(Vo)en oscuridad = ______V

Paso 8Como en el paso 4, determine la resistencia de la fotocelda para la situación

en la que su dedo cubre la superficie de la fotocelda, anotándolo a continuación:

(RL)en oscuridad=______Ω

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En el experimento, medió una salida de voltaje de _____volts, con unaresistencia “en oscuridad” de _____ KΩ.

La resistencia debe cambiar entre los pasos 4 y 7 (a menos que algo maloocurra con la fotocelda), aunque la corriente sea la misma. Esta es precisamentela función de una fuente de corriente constante:

La salida de corriente es independiente de la carga.

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CONVERTIDOR DE CORRIENTE A VOLTAJE

Propósito

El propósito de este experimento es demostrar la operación de un convertidorde corriente a voltaje, usando una fotocelda y un opamp 741.

Figura 8.- Diagrama esquemático del circuito.

Diseños básicos

• Vo=-IR

Paso 1Arregla tu osciloscopio como sigue:

• Canal 1: 1volt/div• Time base: 0.1 ms/div• DC

Paso 2Alambrea el circuito enseñado en el diagrama esquemático, figura 8.

Enciende la fuente. Si su amperímetro indica un valor negativo, desconectamomentáneamente la fuente e invierte las polaridades.

Paso 3Ajusta el potenciómetro de 50 kΩ hasta que el osciloscopio lea un valor

conveniente para la salida de voltaje. Vo el cual debe ser menor que el voltaje dela fuente. Para su arreglo, coloqué la salida de voltaje a +7.0 volts, usando unafuente de 15 volts. Mire la lectura del amperímetro y anote su valor junto con Vo acontinuación:

Ii=__________mA

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(Vo)I=_______volts

estos serán los valores de operación del circuito bajo las condiciones de luz llena.

Paso 4Ahora cubra la superficie de la fotocelda con su mano y otra vez mida la

corriente y voltaje de salida, anotando sus resultados s continuación:

I2= _______mA

(Vo)2=________volts

estos serán los valores de operación del circuito bajo oscuridad.

Paso 5Sustraiga I2 de II, y (Vo)2 de (Vo)I

∆I = II - I2 =_________ mA

∆Vo = (Vo)I - (Vo)2 =__________ volts

y divida ∆Vo entre ∆I, por lo que:

(∆Vo /∆I) = R

=________Ω

¿Cómo se compara el valor de esta resistencia con el valor para R en el circuito(por ejemplo, los 4.7kΩ de la resistencia de retro)?

Dependiendo del valor exacto del resistor que usted use, estos dos valores debenser aproximadamente iguales. En su arreglo, sus resultados fueron:

(Vo)I (Vo)2 II I2

∆Vo= volts ∆I= mA

Consecuentemente, R = ____kΩ.

La resistencia R, se transforma entonces de una entrada de corriente a una salidade voltaje teniendo de nombre: convertidor de corriente a voltaje.

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Paso 6 (opcional)

Cambie R a 1 KΩ y repita este experimento.

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Propósito.El propósito de esta parte es demostrar la operación de un convertidor no inversorde voltaje a corriente, usando un opamp 741..

FIGURA 9.- Diagrama esquemático del circuito.

Diseños básicos.

IL=VI/RI (independiente de RL)

Paso 1.Arregle su osciloscopio como sigue:

• Canal 1: 0.5 volt/div• Time base: 0.1 ms/div• DC

Paso 2.

Alambre el circuito mostrado en el diagrama esquemático de la figura 9.inicialmente, reemplaza la resistencia de carga RL con un pequeño circuitoconectando un alambre, cruzándolo. Aplique energía y ajuste el potenciómetropara que VI equivalga a +0.5 volts. Si la lectura del amperímetro es negativa,desconecta momentáneamente la fuente e invierte la polaridad.

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Paso 3.Con VI=+0.5 volts, mida I y anote su resultado a continuación:

VI=_+____ volts

II=_______mA

De la ecuación del diseño, calcule el valor esperado para IL.¿Es el mismo valorque el medido?

Estos valores deben ser aproximadamente lol mismo, el cual es ___ mA.

Paso 4.Ahora remueva la unión de alambre que cruza la resistencia de 1 kΩ.

¿Cambie la corriente IL?

Usted no debió de haber medido ningún cambio en la corriente de carga.

Paso 5Con las siguientes combinaciones de voltajes de entrada (VI) y resistencias

de carga (RL), complete la siguiente tabla:

VI RL IL (medido) IL (calculado)1 KΩ10 KΩ22 KΩ27 KΩ

0.5 V

33 KΩ470 Ω1 KΩ3.3 KΩ5.6 KΩ10 KΩ

1.0 V

12 KΩ470 Ω1 KΩ3.3 KΩ

3.0 V

3.9 KΩ

Paso 6De los valores experimentales del paso 5, ¿Qué puede concluir respecto de

la operación del convertidor de voltaje a corriente?

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Usted debe concluir que la corriente producida es independiente de laresistencia de carga, siendo dependiente solamente en el voltaje de entrada y laentrada del resistor RI.

Paso 7

¿Observó las diferencias de las lecturas del amperímetro para le resistenciadel valor final para cada entrada de voltaje (ejemplo VI=0.5 V, RL =33 KΩ, VI=1 V,RL = 12 KΩ, etc. ) comparado con los otros valores de las resistencias de carga encada grupo ¿

En muchos casos, usted debe observar que la corriente de carga es menorque para una resistencia más baja para la misma entrada de voltaje. Aunque lacorriente es básicamente independiente de la resistencia de carga, no obstantehay un valor máxima de RI, que puede ser usado.

Usted también puede notar que este circuito es idéntico a un amplificador noinversor, así que el voltaje de salida es:

Vo=(1+(RL+RI))VI

Para la condición, VI = 0.5 volt, y RL = 33 KΩ, se encuentra que el voltaje desalida es:

V0=(1+(33 KΩ/1 KΩ))(0.5 volts)

= (34)(0.5 volt)

= 17.0 volts

el cual es mayor que la alimentación del op-amp. Usando una fuente de ± 15 volts,la salida de voltaje del op-amp será saturada aproximadamente a 13 volts, asíreduciendo la corriente máxima que puede se aplicada a la carga. También, estoes imposible para el op-amp ya que es más grande que su alimentación.

Por el otro lado, si una fuente de ± 6 volts es usada, usted podrá encontrarque la máxima resistencia de carga será incluso menor, siguiendo el mismorazonamiento anterior.

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Propósito

El propósito de este experimento es demostrar la operación de un convertidorinversor de voltaje a corriente, usando un op-amp 741. este experimento es similaral experimento No. 3.

Figura 10.- Diagrama esquemático del circuito convertidor de voltaje a corriente

Diseños básicos

• IL=VI/R1 (independiente de RL)

Paso 1

Arregla tu osciloscopio como sigue:

• Canal 1: 0.5 volt/div• Time base: 0.1 ms/div• DC

Paso 2

Alambra el circuito enseñado en el diagrama esquemático de la figura 10,inicialmente, reemplaza la resistencia de carga RL con un alambre cruzado. Aplicaalimentación y ajusta el potenciómetro hasta que VI sea igual a +0.5 volts. Si la

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lectura del amperímetro es negativa, desconecta momentáneamente la fuente einvierte la polaridad.

Paso 3

Con VI = +0.5 volt, mida IL, y anote sus resultados:

VI = +0.5 v

IL=_______mA

De la ecuación del diseño, calcule el valor esperado para IL. ¿Es este elmismo valor que el medido?

Estos dos valores deben ser aproximadamente iguales, los cuales son de 0.5mA.

Paso 4

Ahora, removiendo a unión de alambre que cruza la resistencia de 1 kΩ.¿Cambia la corriente de carga IL?

Usted no debe medir ningún cambio en la corriente de carga.

Paso 5

Con las siguientes combinaciones de entradas de voltaje (VI) y resitencias decarga (RL), complete la tabla de la otra hoja.

Paso 6

De los valores experimentales en el paso 5, ¿Qué concluye usted acerca dela operación de un convertidor de voltaje a corriente?

Usted debe concluir que la corriente producida es independiente de laresistencia de carga, siendo dependiente solamente en la entrada de voltaje y laentrada del resistor RI.

Paso 7

¿Observó diferencias con las lecturas del amperímetro para las resistenciasde valor final para cada entrada de voltaje, comparadas con los otros valores delas resistencias de carga en cada grupo?

En muchos casos, usted puede observas que la corriente de carga es menospara una resistencia más pequeña del mismo valor de voltaje. Sin embargo la

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corriente es básicamente independiente del valor de la resistencia de carga, noobstante el valor de RI, que puede ser usado. Además, usted debe notar que estecircuito es idéntico a un amplificador inversor, y los razonamientos aplicador, comoen el caso del experimento anterior

VI RL IL (medido) IL (calculado)1 KΩ10 KΩ22 KΩ27 KΩ

0.5 V

33 KΩ470 Ω1 KΩ10 KΩ12 KΩ

1.0 V

15 KΩ470 Ω1 KΩ3.3 KΩ3.9 KΩ

3.0 V

4.7 KΩ

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SEÑALES NO LINEALES ______________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________ 1

PRÁCTICA

OPAMPS CON SEÑALES NO LINEALES

1.- INTRODUCCIÓN

En esta práctica se presentan circuitos no lineales usando op-amps, loscuales incluyen aquellas situaciones para los cuales la salida es no esencialmenteuna onda seno, o aquellas cuando las salidas de los opamps implican su máximaexcursión positiva o negativa.

2.- OBJETIVOS

En la realización de estás prácticas, será capaz de hacer lo siguiente:

• Diseñar y predecir el desarrollo de:o Un comparador,o Un detector de picoo Un rectificador de precisión de media ondao Un rectificador de precisión de onda completao Un amplificador logarítmico.o Explicar como multiplicar y dividir dos señales.

3.- TEORÍA

EL COMPARADORUn comparador es un circuito que compara un voltaje de entrada con uno de

referencia. La salida del comparador entonces indica si la señal de entrada estápor debajo o por encima del voltaje de referencia. Como se muestra en el circuitobásico de la figura 1. El voltaje de salida proporciona un voltaje positivo cuando laseñal de entrada es ligeramente más grande que el voltaje de referencia, VREF,Cuando la entrada es ligeramente menor que la referencia, la salida de losopamps proporcionan voltaje negativo.

Consecuentemente, el principio exacto es dominado por la entrada devoltaje de offset de los opamps, el cual deberá ser anulado a la salida.

Vs

V ref

V i Vo

-Vs

Figura 1. El comparador

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___________________________________________________________________________________________________ 2

Si la salida de voltaje del comparador es mas larga que la requerida para unaaplicación dada como una interfaz o conexión con circuitos integrados TTl con 5volts, la salida puede ser limitada por un diodo zener apropiado, mostrado en lafigura 2 .

1 K Ω

1N 751(5.1 v)

Figura 2.- Comparador limitado con diodo zener

Cuando se usan op-amps como comparadores, El opamp usado deberátener un rápido cambio desde un switch desde un estado a otro. Ya que lacompensación externa reduce el opamp, esto es mejor usar un descompensadortal como el tipo 318, teniendo un cambio de 70 v/µsec.

El circuito de la figura 1 es un comparador no inversor, así que la salida devoltaje tiene la misma polaridad como su entrada. Pero invirtiendo las entradas,mostradas en la figura 3 se tiene un comparador inversor.

Vi

V ref

Figura 3.- Comparador inversor

Una aplicación precisa para el comparador es que se pueda convertir unaonda seno a una cuadrada, usando el circuito de la figura 4 así que la entrada noinversora está aterrizada (i.e., VREF=0).

Figura 4.- Convertidor de onda senoidal a cuadrada.

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___________________________________________________________________________________________________ 3

Combinando ambas tenemos un no inversor y un comparador inversor,ambos con diferentes voltajes de referencia. Podremos manejar un comparador deventana, el cual detecta si o no un voltaje de entrada Vi está entre los límites VLVH (VENTANA). Como se muestra en la figura 5.La salida de los comparadoresestá lógicamente combinada por los dos diodos. Cuando la entrada de voltaje estáentre VL y VH , la salida de voltaje es cero; en otro caso esto es igual a +VSAT .

Figura 5.- Comparador de ventana

Con los circuitos discutidos en esta sección, nosotros podemos usar el LEDcircuito de la Figura 6 que indica que la salida del comparador es positiva onegativa. Cuando el LED está encendido la salida es positiva.

Figura 6.- Circuito comparador con led indicador

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___________________________________________________________________________________________________ 4

DETECTOR DE PICO

El detector de pico es un circuito que “recuerda” el valor pico de una señal.Como se muestra en la Figura 7 ¿cuando un voltaje positivo es alimentado a laentrada no inversora después el capacitor ha sido ha sido momentáneamentecortocircuitado (reset), en la salida de voltaje del opamp influye el diodo y elcapacitor se carga.

Esta carga dura hasta que las entradas inversora y no inversora están almismo voltaje, el cual es igual a la entrada de voltaje. Cuando el voltaje de entradade la no inversora excede el voltaje de la entrada inversora, el cual es también elvoltaje a través del capacitor, el capacitor se cargará a un nuevo valor pico.Consecuentemente el voltaje del capacitor siempre será igual al más grande valorpositivo de voltaje aplicado a la entrada no inversora.

Una vez cargado, el tiempo que el detector de pico “recuerda” este valor depico está típicamente algunos minutos y depende sobre la impedancia de la cargaque está conectada al circuito. Consecuentemente el voltaje del capacitor siemprese descargará lentamente hacia cero. Al minimizar este ritmo de descarga, unseguidor de voltaje puede ser usado como buffer, la salida del detector desdealguna carga externa, como se muestra en la figura 8. Momentáneamente elcapacitor se cortocircuita a tierra e inmediatamente se coloca la salida a cero.

Figura 8.- Detector de pico con buffer

Figura 7.- Detector de pico

Vo

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RECTIFICADORES DE PRECISIÓN.

Cuando un diodo es usado como un rectificador a variar en una señal ac o apulsar en una señal de dc, el diodo no comienza a conducir hasta que el voltajedesciende a través del diodo que es más grande que 0.3 volt (de tipo germanio) o0.7 volt (de tipo silicio). Consecuentemente los diodos por si solos no sonadecuados para señales de rectificación muy pequeña.

El rectificador de media onda, mostrado en la figura 9, rectifica señales deentrada pequeña. Cuando la señal de entrada es positiva, toda la corriente en laretroalimentación (feedback) fluye a través de D1 y el voltaje de salida del circuitoserá cero. Cuando la señal de entrada es negativa la corriente en el feedback fluyea través de los diodo D1 y D2 así que el voltaje de entrada, el cual apareceinvertido a través de R2, también es el voltaje de salida. Desde que el op-amptiene una alta ganancia, una pequeña entrada negativa es suficiente para que D2conduzca.Por esta razón este circuito es referido como un rectificador deprecisión de media onda.

Figura 9.- Rectificador de media onda.

Un rectificador de precisión de onda completa es formado por la suma de losvoltajes de entrada y salida de voltajes del rectificador de media onda, como semuestra en la figura 10.

Figura 10.- Rectificador de onda completa

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AMPLIFICADORES LOGARITMICOS

Un amplificador logarítmico tiene un voltaje de salida que es proporcional allogarítmico de la entrada o:

V0 ∝ log V1 Eq. -1

Para un amplificador logarítmico a función propiamente, sus elementos nolineales, tales como un diodo o transistor, deben tener función logarítmica.

Para un diodo, el voltaje cae a través de este(VD ) como una función de lacorriente que fluye a través de este, está esencialmente dado por la relación:

VD=Alog ( I ) (Eq. 2)

Donde la constante A está basada en las propiedades semiconductoras deldiodo. Para una construcción práctica de amplificadores logarítmicos, lostransistores son preferidos por encima de los diodos como se muestra elamplificador logarítmico de transdiodo en la figura 11 usando la base aterrizadadel transistor npn en el lazo feedback cuando la entrada es positiva.

Figura 11.- Amplificador logarítmico

El amplificador transdiodo logarítmico usa la ecuación 2 como base donde elvoltaje de diodo cae es en la unión base-emisor del transistor y la corriente es lacorriente de colector del transistor que:

VBE= Alog (Ic) (Eq. 3)

De el circuito de la figura 11, se desarrolla el circuito más practico, figura 12.El capacitor a través del transistor npn es usado para reducirla ganancia de ac,

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mientras el diodo protege al transistor contraexcesivos voltajes inversos de base-emisor. En general el resistor R1 es determinado por la inecuación par:

R1 ≤ (v1 ) max (Eq 4) (IC )max

y

R1 ≤ (V1 )min ________________________ Corriente de entrada del op-amp

Figura 12.- Amplificador logarítmico mejorado

EJEMPLO.

Diseñe Un amplificador logarítmico, usando el circuito de la figura 12teniendo una entrada de voltaje variable desde 1mv a 10 volts. Asumiendo que laentrada de corriente del op-amp(e.g. a 741) es 80 Cha, y la máxima corriente decolector seqa 1mA.

Con una entrada máxima de 10Volts, usando la e ecuación 4, nosotrosobtenemos un valor mínimo para R1 así que :

R1 ≥10V/1mA ≥10KΩ

Usando la ecuación 5-5 determinaremos el máximo valor de R1, así que.R1 ≤mv/80Na

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≤12.5KΩ

Ahí, R1 estará entre 10 KΩ y 12.5KΩ.

Los amplificadores deben tener provisto la cancelación de pequeños voltajesde offset subsecuentemente esto será convertido logarítmicamente. Si tú usas unop-amp. Como un 709 que no proporciona un offset externo como el 741, elcircuito de la figura 13 puede ser usado para el ejemplo previo.

Figura 13.- Amplificador logarítmico con circuito offset

Por intercambio de posición de la entrada y de los elementos feedback de delcircuito básico logarítmico de la figura 12 tenemos un amplificador antilogarítmicoo amplificador inverso-log, como se muestra en la figura 14. Usando ambos ellogarítmico y el antilogarítmico, podemos multiplicar o dividir entrada de voltajes.

Figura 14.- Amplificador antilogarítmico

Recalcando desde álgebra, las 2 relaciones básicas de los logaritmos son

Log (AB)= Log (AB) +log B (Eq. 6)

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Y log(A/B)= logA –logB (Eq 7)

Por suma de los logaritmos de las dos entradas de voltaje A y B, y usando uncircuito antilogarítmico, nosotros podemos obtener el producto de A y B como semuestra en la figura 15. En lugar de usar un amplificador sumador, un diferencial(substractor analógico) puede ser usado así que el circuito de la figura 16 esusado para tomar el cociente de A y B.

Figura 15.- Multiplicación de dos señales

Los circuitos de esta sección todos usan un transistor que proporcionan lascaracterísticas logarítmicas requeridas. Sin embargo todos los transistores, no danunas características logarítmicas adecuadas, y la respuesta está también sujeta alas variaciones de la temperatura ambiente.

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4.- METODOLOGÍA

Los siguientes prácticas están diseñados para demostrar el diseño yoperación de algunos op-amp. Aquellas son aplicaciones para los cuales lassalidas de los op-amp no es una onda seno, o cuando la salida implica un máximopositivo y/o una excursión negativa.

Las prácticas a desarrollar pueden ser resumidos como siguen:

COMPARADOR INVERSOREl propósito de este experimento es demostrar la operación de un simple

comparador no inversor, usando un 741 y un indicador LED.

Figura 17PASO 1

En tu osciloscopio será independiente de la fuente de voltaje. Si utilizasuna fuente a ±15 volt coloca tu osciloscopio a:

*channel 1: 1volt/división*time base:1msec/division*DC

Si usas una fuente de ±6 volt deberás usas una sensibilidad alta para elcanal 1, tal como 0.5 volt/división.

PASO 2

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Alambre el circuito mostrado en el esquema figura 17, entonces asegúrateque tienes un transistor npn alambrado correctamente, y el 1n914 que es undiodo conectado correctamente. Cuando estés satisfecho entonces aplica energíaa tu práctica.

PASO 3

Dependiendo la colocación del potenciómetro, el led puede o no prendersecuando conectas la energía, vuelve le pot hasta el punto donde el led estabaapagado.

PASO 4

Prueba con el osciloscopio la medida del voltaje en la unión de los resistoresde 10 kΩ y 1 KΩ al pin 2 del 741y recuerda tu resultado anterior:

VREF = volts

Este valor es el voltaje de referencia del comprador, y será dependiente de lafuente de voltaje que estés usando. Para los ±15 volts de la fuente, esta serácerca de los 1.4 volts. Si se usa una de ±6 volt VREF será cerca de 0.5 volt.

PASO 5

Ahora conecta la punta de prueba del osciloscopio al pin 3 (entrada noinversora) del 741. Mientras observas el LED, varía el voltaje hasta que el ledencienda. Mide el voltaje en el pin 3 y recuerda tu resultado anterior

(V1 )LED ON = volts

PASO 6 Desconecta la energía del proto. Verifica la operación del comparador no

inversor por variación de resistor R1 repite los pasos 3 y 5 de acuerdo a lasiguiente tabla.

R1 Medida VREF Medida (V1)LED

ON

1kΩ2.2kΩ5.6kΩ

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CONVERTIDOR DE SENO A COSENO

El propósito de este experimento es demostrar la operación de un op-ampcomo un convertidor de onda seno cuadrada usando un 741-

Figura 18

PASO 1

Coloca En tu osciloscopio lo sig:

*channel 1: 1volt/división*time base:1msec/division*DC

PASO 2

Alambra el circuito mostrado en la figura 18. Aplica energía al protoboard yajusta el voltaje de entrada pico a pico a 3 volts, también ajusta la frecuencia deentradahasta que halla 3 ciclos completos (300 Hz)

Que es la polaridad del voltaje de salida cuando la señal de entradava apositivo? ¿Cuándo la entrada va a negativo?

PASO 3

Desconecte le energía del protoboard coloque las conexiones de entrada alinverso en el op-amp, así la señal de entrada de la onda senoes ahora aplicada ala entrada no inversora mientras que la inversora es aterrizada.

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PASO 4

Reaplique energía al protoboard. La entrada pico a pico del voltaje está aúna 3 volts y a frecuencia de 300Hz, Que es la diferencia entre la operación de estecomparador y la que tu usaste en el paso 1 y 2?

Para este comparador la onda cuadrada de salida tiene la misma polaridadque la de salida.

El circuito es llamado entonces un comparador no inversor. Este circuitosigue la definición de un amplificador no inversor, excepto que la salida es ahoraonda cuadrada.

Figura 19

Figura 20

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PASO 5

De nuevo conecta la energía al protoboardahora adhiere el circuito mostradoen la figura 21 la salida del comparador no inversor. Este tipo de interfaz es usadacuando la salida de voltaje del comparador es mas larga que el requerido para unaaplicación dada. Con este diodo Zener (5.1 volts) nosotros seremos capaces deunir este comparador con +5 volts para circuitos integrados TTL.

PASO 6

Aplica energía al protoboard y coloca lo siguiente en el osciloscopio.

*canal 1: 0.5 volt/división*canal 2 :5 volts división*tiempo base: 0.2 msec/división*DC

Ajuste el voltaje de entrada de la onda seno a 1 volt pico a pico a unafrecuencia cerca de 1500Hz( 3 ciclos completos. Tu notaras que la onda cuadradade salida tiene un voltaje pico a pico de aproximadamente 5 volts el cual esproporcional al del zener usado. Para usar un diodo zener apropiado seremoscapaces de limitar el voltaje de salida del comparador hasta algún valorconveniente, como se muestra en la figura 22 para un zener de 5.1 volt.

.

.

.

.

Figura 22

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COMPARADOR DE VENTANA

El propósito de este experimento es demostrar el diseño y operación de uncomparador ventana, usando 2 op-amps 741.

PASO 1

En tu osciloscopio será independiente de la fuente de voltaje. Si utiliza unafuente a ±15 volt coloca tu osciloscopio a:

*channel 1: 5 volt/división*time base:1msec/division*DC

PASO 2

Alambre el circuito mostrado en la figura 23. Entonces aplique energía alprotoboard.

PASO 3

Con el voltímetro (de preferencia digital) conectado al pin 2 del primer op-amp, mida el voltaje VH el voltaje superior de referencia de la ventana, y recuerdatu resultado anterior:

VH = volts

Figura 23

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___________________________________________________________________________________________________ 16

Naturalmente, este valor será dependiente en la fuente de voltaje. Usandouna fuente de ±15 volt, esta referencia será cerca de 3.4 volts.

PASO 4

Ahora mida el voltaje en el pin 3 del 2º. Op-amp, VL el voltaje de referenciamas bajo de la ventana y recuerda tu resultado anterior.

VL= volts

PASO 5

Ahora conecte +prueba (punta) del voltímetro a la unión del pin 3 y 2 del 1er.Y 2º. Op-amps respectivamente. Varíe el pot. de 50KΩ hasta que el voltaje deentrada este en su valor mínimo (0 volts). Cual es la salida de voltaje delcomparador ventana (V0)?

PASO 6

Ahora lentamente varia el potenciómetro, incrementando la entrada devoltaje V1 hasta que la salida de voltaje sea vista en el osciloscopio de repentecae a cero. Recuerda el voltaje de entrada anterior:

V1 (V0=0)= volts

¿Cómo compara este valor con el voltaje que determinaste en el paso 4.

PASO 7

Lentamente incrementa el voltaje de entrada más allá hasta que el voltaje desalida sea otra vez Vsat. En este punto mide el voltaje de salida.

V1(V0=+Vsat) = volts

¿como compara este valor con el que determinaste en el paso 3?

PASO 8

Verifica la operación del comparador de ventana por diferente colocación devoltaje de referencia. Por ejemplo cambia el resistor de 3.3 KΩ a 1KΩ y de 10 KΩa 4.7 KΩ.

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___________________________________________________________________________________________________ 17

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA.

El propósito de este experimento es demostrar el diseño y operación de unrectificador de media onda de precisión usando un op-amp 741.

PASO 1

Coloca tu osciloscopio con lo siguiente:

*canales 1 y 2 con 2 volts/división*tiempo base: 1msec/división*DC

Figura 24

PASO 2

Alambre el circuito mostrado en el esquemático 24. Aplique energía alprotoboard y ajuste la entrada de voltaje a 4 volts pico a pico, y la frecuenciahasta que existan 3 ciclos completos (300Hz).

PASO 3

En el osciloscopio, canal 2, vera una forma de onda de quien la salida escero cuando la señal de entrada va a positivo, pero igual u opuesta en polaridaddela entrada cuando la señal de entrada va a negativo

Desde que la relación R2/R1 es igual a 1 el voltaje de salida pico a pico espor lo tanto igual a la entrada de voltaje (no pico a pico)como se muestra en 25.

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PASO 4Cambie R1 A 5 kΩ colocando 2 de 10KΩ en paralelo. ¿Qué cambios ve ahora

en la salida del voltaje del circuito?¿Porqué?.

El voltaje pico de salida será ahora igual a 4 volts o el doble del voltaje picode entrada entonces la relación R2/R1 será igual a 2.

Figura 25

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___________________________________________________________________________________________________ 19

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

El propósito de este experimento es demostrar el diseño y operación de unrectificador de onda completa de precisión usando 2 op-amp 741. El rectificador deonda completa está formado por una sección de media onda del experimentoanterior.

PASO 1*canales 1 y 2 con 2 volts/división*tiempo base: 1msec/división*DC

PASO 2Alambre el circuito mostrado en la figura 26. Aplique energía al protoboard.

Ajuste la entrada de voltaje a 4 volts pico a pico, y la frecuencia hasta que existan3 ciclos completos(300Hz).

Figura 25

Figura 26

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PASO 3

En el display del osciloscopio, del canal 2, verá una onda de quien la formaexhibe un encorvamiento cada vez que la entrada va a positivo o negativo conrespecto a tierra. Si nosotros estuvimos simultáneamente desplegando la entrada,las señales de media onda y onda completala observamos en la figura 27.

Cuando la entrada de señal va a positivo, la salida del rectificador de mediaonda va a cero. Cuando en este punto, ambas las señales de entrada y mediaonda son sumadas juntas por un amplificador sumador, la salida del 2º. Op-ampes igual que el encorvamiento positivo de la entrada, pero de polaridad negativa.

Cuando la señal de entrada va a negativo, la salida del rectificador de mediaonda tiene un encorvamiento positivo. Cuando este encorvamiento es sumado alciclo negativo de la entrada, la salida tiene un encorvamiento similar al anteriormedio ciclo. La señal de entrada es amplificada por factor de 1 mientras la señalde media onda es amplificada por factor de 2.

Como resultado de esta rectificación de onda completa, la frecuencia desalida es el doble que la de entrada.

Figura 27

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GENERADORES DE ONDAS _______________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________ 1

PRÁCTICA

GENERADORES DE ONDAS

1.- INTRODUCCIÓN

En esta práctica se discuten la aplicación de los opamps para generarformas de onda simples, sin embargo, se debe tener presente que ahora sepresentaran circuitos integrados que realicen tal función.

2.- OBJETIVOSEn la realización de está práctica, usted podrá hacer:

- Diseño y construcción con op amps para generar:- Ondas seno y coseno- Ondas triangulares- Ondas cuadradas- Onda escalón

3.- ONDA SENOEl oscilador de onda seno, mostrado en la figura 1, es llamado oscilador

puente de Wien. El resistor-capacitor R1C1 y R2C2, provee una señal sostenidapositiva alrededor del op amp, mientras el resistor R3 y la lámpara L1 provee unaseñal sostenida negativa. Esta es la aplicación para una señal positiva sostenida,la causa de que el circuito oscile, con una salida de onda seno, y una frecuenciaque es dada por:

Fo = 1 / (2R1C1)Donde:R1 = R2C1 = C2

La lámpara ayuda al regulador a sumar una señal sostenida negativa, queestabiliza la amplitud de la onda seno de salida. Los resistores R3 y R4 se usanpara calcular las tolerancias de la lámpara para que las combinaciones de serie,sean aproximadamente de 750 ohms. Esto es discutido en el CI Op Amp CookBook, por Walter Jung, el valor de R1 depende del tipo de op amp usado, el cualse resume en la tabla 1 de abajo.

Figura 1 Oscilador de onda seno Wien Bridge

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Tabla 1 Valores de R1 y operaciones de frecuencia para varios op-amp

Otra forma normalmente usada es el oscilador de onda seno es el Twin- T, oel oscilador doble integrador mostrado en la figura 2. La frecuencia de oscilaciónde este circuito esta dada por:

Fo = 1 / (2RC)

Y el resistor variable R/2 se ajusta para que el circuito oscile. Paraasegurarse que el circuito comience inmediatamente cuando la energía esaplicada, R2 es el doble de R, y R1 es hecha aproximadamente 10 veces de R2.

Figura 2 Twin-T oscilador onda seno

Ejemplo: Diseña un oscilador onda seno a 500 Hz. Usando el circuito de lafigura 2, por ejemplo si C = .047 microfaradios, entonces la ecuación 2 es:

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________________________________________________________________________________ 3

Los capacitores C, son de .047 microfaradios conectados en paralelo. Ya queel resistor R/2 es aproximadamente de 3.4 Kohms, se puede usar unpotenciómetro de 5Kohms.

Para completar el diagrama, el resistor R2 es el doble de R, o 13.6 Kohms,o 2 resistores de 6.8Kohms conectados para ser usados en serie. Además elresistor R1 es hecho aproximadamente 10 veces de R2 ó 136 Kohms, para que elresistor de 130 Kohm pueda ser usado. El circuito completo del oscilador Twin-T,es mostrado en la figura 3.

Figura 3.- Circuito oscilador semoidal a 500 Hz.

OSCILADOR SENO/COSENO

Si nosotros integramos o diferenciamos la onda seno, tal como se discutióen la práctica del diferenciador- integrador, podemos generar una onda coseno (laonda seno tiene una fase de salida de 90 grados), sin embargo, nosotros usamosel op amp dual, tal como un 747 o 5558 con ambas secciones del integrador, quese muestra en la figura 4.

Tal circuito es llamado también oscilador de cuadratura, cuya salida estádada por:

El resistor R1 es hecho ligeramente bajo que R, para asegurarse que eloscilador encienda inmediatamente cuando la corriente es aplicada. Usualmentees la forma de limitar la circuitería, como se muestra en el diagrama parcial de lafigura 5 aplicando al segundo op amp A2 el control de la amplitud de la salida

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coseno, que esta dad por el voltaje zener, +-Vz. La tabla 2 muestra una lista detipos comunes de diodos zener y sus voltajes.

Tabla 2 Diodos Zener comunes y Voltajes.

GENERADORES DE ONDA TRIANGULAR Y CUADRANGULAR

El generador básico de onda cuadrada mostrado en la figura 6-6, tambiénes llamado Oscilador de Relajación. Como el circuito oscilador tiene en su salidauna señal externa.

Figura 4 Oscilador seno/ coseno cuadratura

Figura 5 Diodo Zener limitante

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Figura 6 Generador de onda ciuadrada.

La salida es alimentada en ambas entradas, para que la salida de lafrecuencia se inicie en carga y descarga del capacitor C a través de R, esto es:

El resistor R1 y R2 son escojidos para que R1 sea aproximadamente 1/3 deR y R2, y 10 veces de R1.

Figura 7.- Generador de onda de cuadrada/ triangular

Otros osciladores que producen las ondas cuadradas a lo largo de la ondatriangular simultanea que se muestra en la figura 7 el op amp A2, es alambradocomo un integrador, mientras A1, es simplemente alambrada como un comparadordel cual su referencia de voltaje es cero.

La amplitud de salida de la onda cuadrada es fija por la oscilación de salidaque presenta A1, y la relación R1/R2 es la que fija la amplitud triangular. Paraambas formas de onda, la frecuencia de oscilación es dada por:

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Con los avances de la tecnología de estado sólido, es ahora común eldiseño de generadores de varias formas de onda con integración de circuitosconstruidos para este propósito. Hay dos chips que generan frecuencias variables:seno, cuadrangular y formas de onda triangular. Uno es el 8038, hecho por Intersil,y el otro es el XR-2206, hecho por Exar.

Otro chip popular es el timer 555, el cual es capaz de generar frecuenciasvariables de ondas cuadradas, con solo ajustar los circuitos útiles. En resumen laonda triangular y seno también son posibles de ser generadas con circuiteriaexterna, como se muestra Aplicaciones del Source Book para el timer 555 conExperimentos.

GENERADOR TIPO ESCALERA

En la figura 8, nosotros tenemos el circuito para el caso del generador tipoescalera. Una entrada de onda cuadrada tiene el voltaje de V1, pico a pico,cargado el capacitor C1, con su carga igual a:

Cuando a través del switch. C2 es abierto, el capacitor C2 es cargado porcada ciclo de entrada que es equivalente al paso del voltaje incremento de Vopara que:

En el límite de la altura máxima del generador escalera la cual es negativapor la señal de entrada que esta siendo aplicada al op amp invertidamente, y estaes determinada por la fuente de voltaje.

Figura 8.- Generador escalera

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4.- METODOLOGÍA

Las siguientes prácticas que se ven en esta parte son designados para lademostración del uso de op amp y los diferentes tipos de generadores de formasde ondas periódicas aunque esta presente la especialización del circuito integradoeste esta diseñado para realizar las misma cosas, estos experimentos nunca alamenos muestran la versatilidad del op amp. Los experimentos que usted realizópueden ser resumidos de la siguiente manera.

1.- Demostrar el diseño y operación del oscilador seno/coseno (escalón) conel diodo zener limitando.

2.- Demostrar el diseño y operación del oscilador de onda cuadrada o derelajación.

3.- Demostrar el diseño y operación de la combinación de la combinación deloscilador de onda cuadrada y triangular.

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OSCILADOR SENO/ COSENO

El propósito de este experimento es demostrar el diseño y operación deloscilador de onda seno/coseno (escalón), usando el op amp tipo 741.

Figura 9.- Oscilador de cuadratura

Diseño BásicoFrecuencia de Oscilación, donde R1 es menor que R.Salida Pico a Pico.

PASO 1Ponga su osciloscopio con las características siguientes:Canal 1 y 2 a 1 volt por división.Base de tiempo de .5 milisegundos por división.Aplicar corriente alterna.

PASO 2Alambre el circuito mostrado en el diagrama esquemático. Este seguro y

verifique la polaridad de los diodos zener. Aplicar voltajes a nuestra tableta depruebas y posicione la señal del canal1 por encima de la señal del canal 2. paracada una de las señales, determine la frecuencia de oscilación. ¿Son ambasfrecuencias iguales?

La frecuencia de la señal del canal 1 es exactamente la misma que la delcanal 2. La frecuencia calculada usando los componentes dados en el diagramaesquemático es de 482 Hz. Cuando los experimentos hayan sido realizados, lafrecuencia medida deberá ser de 370 Hz.

PASO 3Ahora compare la forma de onda del canal 1 con la forma de onda del canal 2

?

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Como mostramos en la figura 6-10, la forma de onda que se despliega en elcanal 1, tiene una fase de salida de 90 grados, con respecto a la forma de onda decanal 2; por otra parte se tiene la misma forma. Canal 1 es de salida seno,mientras canal 2 es de salida coseno.

Figura 10 Formas de onda de salida para el oscilador seno/coseno. R es 12 Kohm.

PASO 4Medir el voltaje pico a pico de la onda coseno (canal 2). Ya que nosotros

usamos diodos de 3.3 volts. ¿El voltaje pico a pico es aproximadamente igual alvalor del diodo?

PASO 5Desconectar la fuente de poder de nuestra tableta de pruebas. Ahora

cambia el resistor R1 a 8.2 Kohm. Aplique la fuente de poder a la tableta depruebas. Que es lo que nota usted sobre la forma de onda de coseno?

En nuestro caso la onda coseno es deformada como se muestra en la figura6-11compare con el trazo mostrado en el paso 3.

PASO 6Medir la frecuencia de salida, ¿La medida es diferente del valor que mediste

en el paso 2?

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En nuestro caso la frecuencia de salida es de 392 Hz. O sea 22 Hz más altoque en el paso 2. no hay explicación que pueda ofrecerse para esa diferenciaporque R1 no es un factor para la ecuación de frecuencia. Puedes tener tambiénnotas que nosotros usamos originalmente para valores para valores de R, dondeel valor es mayor que los 10Kohm del resistor que determina la frecuencia, en esemomento es donde se contradice el diseño de la ecuación.

Cuando esta más alto el valor, nosotros obtenemos una mejor onda (coseno).Además, ninguna explicación puede ofrecerse, por consiguiente te sugiero queexperimentalmente determine los mejores valores para R1, para dar una ondacoseno sin distorsión en la salida del segundo op amp usando el criterio de diseñoen la sección de diseños básicos como punto de arranque.

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OSCILADOR DE ONDA CUADRADA

El propósito de este experimento es demostrar el diseño y operación deloscilador de onda cuadrada o de (relajación), usando el op amp tipo 741.

• Diagrama esquemático del circuito figura 2• Diseño Básico.• Frecuencia de Oscilación.

Donde R1 es aproximadamente a R/3

donde:

Figura 12

PASO 1Fija tu osciloscopio para las siguientes características:

Canal 1 a 5 volt por división, para una fuente de +- 15 volts.Canal 1 a 2 volt por división, para una fuente de +- 6 volts.Base de tiempo de .2 milisegundos por división.Aplicar corriente alterna.

PASO 2

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Alambre el circuito mostrado del diagrama esquemático (Figura 12) aplique lafuente de poder a la fuente de pruebas. Debe ver la onda cuadrada. ¿Cuál es lafrecuencia de oscilación?

Dentro del 10%, debes tener una onda medida casi de 987 Hz. Cuando elexperimento es realizado, la frecuencia medida es de 909 Hz.

PASO 3Desconectar la fuente de poder de la tableta de pruebas. Cambiar el

capacitor C a 0.0047uF y que nuestro osciloscopio tenga una base de tiempo de50useg. Por división. Entonces aplique la fuente de poder a la tableta de pruebas.¿Cuál es tu opinión acerca de la forma de onda de salida?

La forma de onda de salida debe parecerse a la onda triangular pero conflanco positivo y una cresta negativa como se muestra en la figura 6-13. debido alslew rate del op amp 741 (típicamente de 0.5V./useg.), la salida de ondacuadrada, entonces se pone distorsionada. Con esto el capacitor de 0.0047 uF,tiene una frecuencia de salida, sobre los 21 Khz. Que está más aceptable que ellímite que ofrece el op amp 741.

PASO 4Es tan preciso como usted quiera, mida el tiempo y tome la señal de salida

con el switch para el voltaje negativo máximo y para el voltaje positivo máximo.Registre ambas mediciones en el periodo de tiempo y la salida pico a pico bajo laoscilación.

Time=Volt=

PASO 5Par las segundas medidas del paso 4 determine el slew rate para el tipo de

op amp 741, de la expresión.

Slew rate = volt / time

De este calculo, ahora tome el valor y compárelo con el valor publicado porel del fabricante. Cuando se haya realizado este experimento y medido el tiempo

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de 42 usegundos, para la salida de oscilación de 26 volts, dado que el valor delslew rate es de 0.62 V/usec, comparado con el valor típico 0.5 V/u.

PASO 6 (opcional)

Si tu tienes un alto slew rate en el op amp., como el LM318 (70V/useg.),desconecta la fuente de poder de la tableta de pruebas y utilice este op amp enlugar del 741. (Los pines de conexión son los mismos).

Aplique la fuente de poder a la tableta de pruebas ¿Cómo es la forma deonda, comparada con la obtenida en el paso 3?

La forma de onda debe aparecer como una onda cuadrada normal; paraeste tipo de circuitos, el opamp debe usarse con un alto slew rate para resultadosviables.

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GENERADOR DE ONDA CUADRADA Y TRIANGULAR

El propósito de este experimento es el de mostrar el diseño y la operación dela combinación del generador de onda cuadrada y triangular usando 2 tipos de opamp 741.

Figura 14

• Diseño Básico.

• Frecuencia de Oscilación.• Basarse en la forma de onda cuadrada pico a pico de salida (Vs)pp. Y la

salida pico a pico triangular.

PASO 1Ponga su osciloscopio con las características siguientes:

Canal 1 a 5 volt por división, para una fuente de +- 15 volts.2 volt por división, para una fuente de +- 6 volts.Canal 2 a 2 volt por división, para una fuente de +- 15 volts.1 volt por división, para una fuente de +- 6 volts.Base de tiempo de 1 milisegundos por división.Aplicar corriente alterna.

PASO 2Alambrar el circuito mostrado en el diagrama esquemático figura 14. Conecte

la fuente de poder a la tableta de pruebas. Debes ver ahora la forma de ondacuadrada y la onda triangular en la pantalla del osciloscopio. Mida el voltaje pico apico de la onda cuadrada y regístrelo a continuación.

Naturalmente, este valor pico a pico (onda triangular), depende de la fuentede poder usada, puede usar una fuente de +-15volts, usted midió un voltaje de 26

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volts, usando una fuente de voltaje de +- 6volts, este valor es cercano a los 10volts.

PASO 3Ahora mida el voltaje pico a pico de la onda triangular, registrando tu

resultado abajo. ¿Cómo hacer la comparación con la ecuación dada en la secciónde diseño básico?

Al realizar este experimento se utilizó una fuente de poder de +-5volts. Elvoltaje pico a pico de la onda triangular era de 13.4 volts, que es comparad con elvalor calculado de 13 volts.

PASO 4Ahora mida la frecuencia de salida. ¿Cómo puede compararla con la

ecuación d diseño?

Dentro del 10%, debe ser sobre los 500Hz.

PASO 5Verifica la ecuación de diseño para cambiar R1 o 4.7 Kohm y también a 15

Kohm, repitiendo los pasos del 1 al 4.

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TCD Practicas 1-5 Manipulacion Señales