Laboratorio de amplificadores, resolución de problemas impartidos por el profesor PDF

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República de PanamáUniversidad Tecnológica de PanamáIngeniería en Eléctrica y ElectrónicaAsignatura: Amplificadores ElectrónicosInforme de Laboratorio NºAMPLIFICADOR INVERSORPresentado por:Fecha de entrega:Jueves 28 de mayo del 2020I SemestreIntroducciónLos amplificadores operacionales son, disposit...

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República de Panamá Universidad Tecnológica de Panamá Ingeniería en Eléctrica y Electrónica

Asignatura: Amplificadores Electrónicos Informe de Laboratorio Nº1 AMPLIFICADOR INVERSOR

Presentado por:

Fecha de entrega:

Introducción

Los amplificadores operacionales son, dispositivos compactos activos y lineales de alta ganancia, diseñados para proporcionar la función de transferencia deseada. Un amplificador operacional (A.O.) está compuesto por un circuito electrónico 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-). Estos dispositivos se caracterizan por ser construidos en sus componentes más genéricos, dispuestos de modo que en cada momento se puede acceder a los

puntos digamos «vitales» en donde se conectan los componentes externos cuya función es la de permitir al usuario modificar la respuesta y transferencia del dispositivo. En los amplificadores operacionales se cumplen algunas condiciones:   

La impedancia entre las entradas inversora y no inversora es infinita, por lo que no hay corriente de entrada. La diferencia de potencial entre las terminales inversora y no inversora es, o debe ser nula. No hay corriente entrando o saliendo de las patas inversora y no inversora.

Con dichas condiciones basta para conocer el funcionamiento de los amplificadores operacionales. El símbolo del amplificador operacional es el de un triángulo en cuya base se colocan las patas inversora y no inversora. En el vértice superior se coloca la salida. En los lados del triángulo se colocan las entradas del voltaje que se necesita para hacer efectiva la amplificación. Una de las funciones principales del amplificador operacional es la de comparador. Una de las condiciones que se debe cumplir para utilizar el amplificador operacional es que el voltaje entre la entrada inversora y no inversora debe ser cero. A continuación, estudiaremos circuitos con amplificadores operacionales en los cuales se presentará la configuración del amplificador inversor.

Objetivos: Estudio de circuitos con amplificadores operacionales (Op-Amp). Específicamente, la configuración del amplificador inversor. En este laboratorio el estudiante desarrollará las siguientes destrezas: • Análisis y diseño del circuito de un amplificador inversor. • Selección de los resistores apropiados para satisfacer la ganancia de voltaje esperada. • Simulación de circuitos y su comparación con los resultados calculados. • Implementación experimental del circuito del amplificador y comparación de su desempeño con los resultados teóricos y simulados. Materiales:         

Op-Amp 741 y su hoja de especificaciones (data-sheet) 1 placa de pruebas (Protoboard or Breadboard) Resistores Multímetro Alambres para conexiones 1 generador de funciones (function generator) 1 osciloscopio (oscilloscope) 3 fuentes de voltaje DC (también puede usar fuentes duales)

Marco Teórico Amplificador electrónico puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este cuya función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa. Un amplificador operacional (A.O. también op-amp), es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que obtenga excursiones tanto por arriba como por debajo de masa o punto de referencia que se considere. Se caracteriza especialmente porque su respuesta en: frecuencia, cambio de fase y alta ganancia que se determina por la realimentación introducida externamente. Por su concepción, presenta una alta impedancia (Z) de entrada y muy baja de salida. El amplificador puede realizar su función de manera pasiva, variando la relación entre la corriente y el voltaje, manteniendo constante la potencia (de manera similar a un transformador), o de forma activa, tomando potencia de una fuente de alimentación y aumentando la potencia de la señal a su salida del amplificador, habitualmente manteniendo la forma de la señal, pero dotándola de mayor amplitud. La relación entre la entrada y la salida del amplificador puede expresarse en función de la frecuencia de la señal de entrada, lo cual se denomina función de transferencia, que indica la ganancia de la misma para cada frecuencia. Es habitual mantener un amplificador trabajando dentro de un determinado rango de frecuencias en el que se comporta de forma lineal, lo cual implica que su ganancia es constante para cualquier amplitud de entrada. El componente principal de estos amplificadores, denominado elemento activo, puede ser un tubo de vacío o un transistor. Las válvulas de vacío todavía suelen utilizarse en algunos amplificadores especialmente diseñados para audio, preferida en algunos estilos musicales por su respuesta en frecuencia, o en amplificadores de alta potencia en radiofrecuencia. Los transistores suponen la base de la electrónica moderna. Con ellos se diseñan circuitos más complejos, como los amplificadores operacionales, que a su vez se usan en otros como los amplificadores de instrumentación.

PARTE I: DISEÑO Y ANÁLISIS Diseñe dos versiones del circuito mostrado en la figura L.1.1: uno que provea una ganancia de voltaje AV= −10 y otro que provea A V = −50. Asuma una pequeña señal de entrada V ¿ =200 mV pk − pk , cuya máxima corriente está limitada a 50 uA. Los valores de las fuentes de polarización DC V + y V- son +15 V y −15 V, respectivamente.

1.1 Deduzca la ecuación de ganancia de voltaje para un amplificador inversor (muestre los cálculos en el informe). V C −0 V 0−V O = R1 R2 V ¿ −V O = R1 R2 V O −R2 A C= = V¿ R2

1.2 Calcule simbólicamente la resistencia de entrada del circuito Rin. V R¿ = ¿ =R1 I1 1.3 ¿Qué valores de R1 (rango) deben usarse para satisfacer el límite de corriente de 50uA? 100 mV R1 = =2 kΩ 50 μA R1 ≥ 2 kΩ 1.4 Escoja R1 y determine los valores de R2 para lograr las dos ganancias de voltaje requeridas. A v =−50 R1=1 kΩ A v =−10 R1=2.2 kΩ

−R2=−50 (1k) R2=50 kΩ R2=22 kΩ

−R2=−10

(2.2k)

1.5 Vuelva a dibujar el circuito e incluya los valores calculados (para ambos casos).

PARTE 2: MONTAJE DEL CIRCUITO Y MEDICIONES 2.2 Arme el circuito con Av= -10 R2 22kΩ

V3 15V 4

U2

XMM2

R1 2

2.2kΩ

1

7

-1.0V

6 3 5

V1

741

V2

Vin [Vdc]

Vo [Vdc]

Av

-1

10,01

-10,01

-0,9

9,01

-10,01 a 2.1: Circuito de ganancia 10, con voltaje dc

-0,8

8,01

-10,01

-0,7

7,01

-10,01

-0,6

6,01

-10,02

-0,5

5,01

-10,02

15V

2.6 Reemplace el generador de funciones por una fuente DC. Anote cada valor de voltaje de salida correspondiente a los rangos de voltaje de entrada VIN  1V  0.2 y VIN  V  +V Ven incrementos de 0.1 V. Haga una gráfica de V ¿ vs V o

Vin vs Vo 15 10

VO [V dc]

5 0

0

5

10

15

20

25

-5 -10 -15

VIN [V dc]

0,7

-6,987

-9,98

0,8

-7,987

-9,98

0,9

-8,987

-9,98

1

-9,987

-9,98

11

10 987

9 98

Gráfico 2.1 se muestra la relación entre el voltaje de entrada Vin y el voltaje de salida Vo

Tabla 2.1 valores obtenidos del circuito con fuente dc

2.7 Arme el circuito con Av=-50 R2 50kΩ

V3

4

15V

R1 2

1kΩ

6

V1

3

741

1

5

7

0.1V

V2 15V Figura 2.2: Circuito de ganancia 50, con voltaje dc

2.10 Reemplace el generador de funciones por una fuente DC. Anote cada valor de voltaje de salida correspondiente a los rangos de voltaje de entrad a VIN  0.240 V  0.180 V VIN  0.180 V  0.240 V en incrementos de 0.01 V . Haga una gráfica de V ¿ vs V o

VIN VS Vo 15 10

VO [V dc]

Vin -0 -0 -0 -0 -0 -0 0 0

0 0 0 0,24

5 0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

-5 -10 -15

VIN [V dc]

-11,94

-49,75

Gráfico 2.2 se muestra la relación entre el voltaje de entrada Vin y el voltaje de salida Vo Tabla 2.2 valores obtenidos del circuito con fuente dc

2.11 Presente un análisis de las dos gráficas V ¿ vs V o obtenidas en los pasos 2.6 y 2.10

El gráfico 1 y el gráfico 2, son aproximaciones idealizada del comportamiento del circuito, que tiene la función de amplificar inversamente el voltaje de entrada. Tal y como se espera del circuito invierte la tensión de entrada del circuito, como puede verse en las columnas Vo. En ambos circuitos se obtiene una ganancia muy cercana a la calculada al aplicar cualquier tensión en su entrada. Esto es si la ganancia se obtiene a través de los voltajes de entrada y salida.

2.12 Recalcule las ganancias teóricas de ambos circuitos utilizando los valores medidos de las resistencias. ¿Se aproximan más estos nuevos valores a las ganancias experimentales? Nº 1 2

Ideal

A v =−10 A v =−50

Simulación /Recalculado -10.01 -49.43

Los valores en la columna de simulación/simulación se han sido obtenidos aplicando un voltaje de 0.1 [V] en la entrada. Para luego usar la fórmula Av=Vo/Vin.

Nota: Al no contar con un multímetro en casa, no se pudo realizar las partes experimentales en el protoboard.

PARTE 3: SATURACIÒN Y ANCHO DE BANDA 3.1 Para cualquiera de los dos circuitos inversores, incremente gradualmente la amplitud de Vin hasta que la señal voltaje de salida se distorsione. Anote la amplitud a la que esto ocurre. Explique cómo se llama este fenómeno y por qué ocurre. Para esta parte del laboratorio se utilizó el arreglo de resistencia que daba igual a una ganancia de 10, se utilizó como R2 = 22 kΩ y R1= 2.2 kΩ. y un voltaje de alimentación del amplificador l 741 de ±15V.  En el primer circuito se utilizó una amplitud de voltaje de 1.4 V, donde el voltaje de salida es de aproximadamente 14 V debido a la ganancia producida por el arreglo de resistencia, en esta amplitud la señal de salida se ve normal y no esta distorsionada.

Figura 3.1: Circuito con una amplitud de entrada de 1.4 V

Figura 3.2: Ondas de entrada y de salida en el osciloscopio con una amplitud de 1.4 V

A continuación, tenemos el circuito con una amplitud de 1.5 V

Figura 3.3: Circuito con una amplitud de entrada de 1.5 V

Como se puede observar en la ilustración, la onda de salida se empieza a distorsionar en ese voltaje, esto se debe a que el amplificador entra en saturación, esto se debe a que el amplificador no puede amplificar más del voltaje que está siendo alimentado, en este caso el amplificador está siendo alimentado con 1.5 V en la entrada con el generador de funciones, entonces la salida tendría 15 V causando así que el amplificador entre en saturación.

Figura 3.4: Ondas de entrada y de salida en el osciloscopio con una amplitud de 1.5 V

Ahora para finalizar la sección 3.1 del laboratorio se tiene un circuito do del voltaje pico de entrada es de 3 V.

Figura 3.5: Circuito con una amplitud de entrada de 3

Se puede observar en la simulación, que el voltaje de salida está completamente recortado, se asemeja más a una onda cuadrática cuando debería ser una onda senoidal ya que la entrada del amplificador es una onda senoidal, aquí se podemos observar cómo se recorta completamente la onda al amplificador estar en saturación.

Figura 3.6: Ondas de entrada y de salida en el osciloscopio con una amplitud de 3 V

3.2 Utilizando cualquiera de los dos circuitos inversores, incremente gradualmente la frecuencia de Vin hasta que la amplitud del voltaje de salida sea aproximadamente 70% de lo que era a 1 kHz . Esto representa una atenuación de 3 dB. Indique la frecuencia la frecuencia a la que esto ocurre. Para esta parte se requería aumentar la amplitud hasta que se llegara al valor que era aproximadamente el 70% de la amplitud del voltaje de salida, se utilizó el circuito que tiene una ganancia en el amplificador de 10, utilizando la resistencia R2= 22kΩ y R1= 2.2kΩ, y el generador de función está configurado para que su amplitud de voltaje pico sea de 1 V.

Figura 3.7: Circuito utilizado para encontrar la frecuencia de corte.

Figura 3.8: Simulación del circuito donde se muestra la frecuencia de corte

Aquí en esta simulación, se hizo una AC Sweep de 1 Hz a 10 MHz, se puede observar que a 1kHz el voltaje de salida del circuito vine siendo 10 V, al multiplicar ese valor por 0.7071 que es el valor que se utiliza para encontrar la frecuencia de atenuación a 3 dB o también como d=se le conoce la frecuencia de corte del circuito. Se puede observar que el voltaje de salida del circuito en la frecuencia de corte o en la atenuación de 3 dB es 7.071 V y la frecuencia donde esto pasa es en 89.6258 kHz aproximadamente.

PARTE 4: SIMULACIÒN (PARA INCLUIR EN EL INFORME) 4.1 Simule ambos circuitos con los valores calculados de las resistencias. Asuma de que la fuente de voltaje Vin tiene una resistencia en serie de 50Ω. 4.2 Capture el voltaje de salida y el de entrada. Figura 4.1: Circuito de ganancia -10, tiene una resistencia en serie de 50 en la fuente [Ω]

Figura 4.2 Circuito de ganancia -50, tiene una resistencia en serie de 50 [Ω] a la fuente.

4.3 ¿Cuál es el voltaje DC en la terminal de entrada inversora del OP-AMP? R2

V: 39.2 uV V(p-p): 1.98 mV V(rms): 1.25 mV V(dc): 1.03 mV V(freq): 1.00 kHz

22kΩ

V3 15V

U2

4

FUENTE R1

R3

V

Punta1

2

2.2kΩ

50Ω

6

100mVpk 1kHz 0°

1

7

V1

5

3

741

V2 15V

Figura 4.3 el voltaje dc en la terminal inversora es de 1.03[mV] del circuito con ganancia de Av=-10

R2

V: 5.68 mV V(p-p): 9.59 mV V(rms): 3.56 mV V(dc): 1.03 mV V(freq): 1.00 kHz

50kΩ

V3 15V

U2

4

FUENTE R1

R3

V 2

50Ω

Punta1

1kΩ

6

100mVpk 1kHz 0°

1

7

V1

5

3

741

V2 15V

Figura 4.4 el voltaje dc en la terminal inversora es de 1.03[mV] del circuito con ganancia de Av=-50

4.4 Calcule las ganancias simuladas. ¿Cómo se comparan a las teóricas y a las experimentales? La ganancia del circuito mostrado en la figura 4.1 v 0 987 [ mV ] Av = = =10,14 ν ¿ 97.3 [ mV ] La ganancia del circuito mostrado en la figura 4.2 Av =

v 0 4.73 [ mV ] = =50.25 ν ¿ 94.1 [ mV ]

Los valores calculados considerando la resistencia de 50 [ Ω ] , son muy similares a los calculados bajo el diseño de ganancia -10 y -50....