Practica #1 Amplificador Operacional PDF

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En esta practica se estudio y simulo la operación de los amplificadores operacionales, se realizo la simulación en Multisim y se comprobaron los resultados arrojados....

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán Ingeniería en Aeronáutica

Practica #1: Amplificador Operacional Inversor

Alumno: González Vallejo Bryan Profesor: Hernández Bárcenas Raymundo Materia: Sistemas Electrónicos Digitales Grupo:6AV2 Ciclo Escolar: 2022/1

México

agosto 2021

Amplificador Operacional Inversor

-Objetivo Se estudiará el funcionamiento del amplificador operacional inversor, además se simulará su funcionamiento en el simulador ELVIS.

-Introducción Los amplificadores operacionales inversores son, dispositivos compactos activos y lineales de alta ganancia, diseñados para proporcionar la función de amplificar y desfasar una señal de voltaje. Un amplificador operacional está compuesto por un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida.

-Marco teórico El amplificador inversor o la ganancia a lazo cerrado invierte la polaridad de la señal de entrada de corriente alterna mientras la amplifica. La señal AC de entrada sale amplificada en la salida, pero también desfasada 180° (invertida). ¿Cómo funciona? Los amplificadores operacionales prácticos tienen ganancia de tensión muy alta, sin embargo, esta ganancia varía con la frecuencia. La forma de compensar esto es, controlar la ganancia de tensión que tiene el amplificador operacional, utilizando elementos externos para realimentar una parte de señal de la salida a la entrada, que hará que el circuito sea mucho más estable.

Con la realimentación, la ganancia de lazo cerrado, depende de los elementos empleados en la realimentación y no de la ganancia básica de tensión del amplificador operacional, por lo que, para modificar la ganancia se modificaran los valores de R1 y R2.

Ganancia para el amplificador operacional inversor :

Av 

Rf R1

El sigo negativo indica que la señal en la salida será la opuesta a la entrada (se confirma que una señal positiva aplicada a la entrada produce una tensión negativa a la salida y viceversa). Suposiciones para el análisis de estos circuitos:  

La impedancia de cada entrada (Zi), se considera tan alta que, las corrientes en ambas se consideran próximas a cero. La tensión entre las entradas es muy similar, puede considerarse que están en «cortocircuito virtual», aunque no fluye corriente entre ellas.

Fórmula voltaje de salida: Al aplicar la Ley de Corrientes de Kirchhoff (LCK) en el nodo inversor (nodo 1), se obtiene:

I1  I 2 Vin  V1 V1  Vout  R1 Rf Los voltajes son igual a cero, V1=V2=0, para un amplificador operacional ideal, ya que la terminal no inversora está conectada a tierra.

Vout 

Vin Rf R1

La ganancia en un Amplificador operación inversor no es más que la resistencia de retroalimentación Rf dividida entre la resistencia de entrada R1, lo que significa que la ganancia únicamente depende de los elementos externos conectados al amplificador operacional; en este caso las dos resistencias.

Av 

Rf R1

Aplicaciones Aeronáuticas del amplificador:  Sistema de audio: Para unas señales analógicas ( como audio amplificador inversor es la forma más fácil de amplificar o debilitar la señal.  Sensores: Los sensores manejan una señal que está dentro de un rango de 25mV una señal muy pequeña que la tarjeta de adquisición de datos no puede identificar fácilmente y por ende confundir la señal con ruido por lo que no es fiable procesar una señal tan pequeña. Para solucionar este problema se hace uso de los amplificadores operacionales.

 Los más comunes son los amplificadores de alto voltaje, los LNA y los amplificadores bidireccionales. Los aviones usan un ancho de banda dedicado de 225-400 MHz. Conocida como la banda aérea, también es común en la aviación civil. Entre las tropas terrestres, los amplificadores de RF en la frecuencia de ancho de banda de 30-512 MHz son comunes.

-Materiales:      

Amplificador operacional LM741AH/883 Resistencias de 1, 10 y 4.7 Kohm Generador de funciones (XFG1) Osciloscopio digital (XSC1) Pila de 12 V Protoboard o ELVIS

Componentes en el programa Multisim

-Desarrollo de la práctica 1. Modelado del circuito en el Multisim, con los componentes requeridos.

Se hizo el circuito de acuerdo a al diagrama, pero en vez de ocupar referencias de voltaje de +12 y -12 Volts ocupe 2 pilas de 12 Volts, las conecte en serie y aterrice a tierra los polos conectados entre sí para obtener los -12 y 12 Volts en los polos restantes, hice esto para poder hacer las conexiones en el protoboard y ELVIS. 2. Con el generador de funciones aplicamos un voltaje variable de 1V pico a pico a 1KHz.

En el generador de funciones se establecieron los tipos de onda senoidal y cuadrada, la frecuencia de la señal a 1kHz y el voltaje pico de .5 Volt para dar 1 Volt pico a pico.

3. Se observaron las funciones para la onda en el osciloscopio: Cuadrada

El circuito amplifico e invirtió la señal de voltaje de entrada , pero mantiene su forma cuadrada y su frecuencia.

Senoidal

Para las dos graficas la onda con menor amplitud es la señal de voltaje a la entrada y la de mayor amplitud es la de salida, el voltaje de salida se amplifica, pero se desfasa 180° con respecto a la señal de voltaje a la entrada. Se puede observar como el circuito realiza su trabajo de amplificar la señal e invertir la señal de voltaje de entrada.

4. Modelo del circuito en el simulador 3D de Multisim -Protoboard

Modelo 3D hecho en Multisim, se colocaron y conectaron los componentes de acuerdo al diagrama del circuito, los cables negros son los que se aterrizan a tierra.

En el programa el generador de funciones y el osciloscopio lo arrojaba como circuitos integrados (los marcados en rojo) , pero se hicieron las conexiones de acuerdo al diagrama, siguiendo las reglas para las conexiones en el protoboard, se sacaron los +12 y -12 Volts de las conexiones con las pilas.

Comprobación del circuito en el simulador, cuando están conectados correctamente en el protoboard aparecen en verde. -Diseño en ELVIS

También se modelo el circuito en ELVIS, haciendo más fácil este modelo ya que esta mesa de trabajo tenia los componentes de generador de funciones, osciloscopio y tierra.

Se realizaron las conexiones de acuerdo al diagrama y se establecieron los valores requeridos para la práctica en el generador de funciones

Conexiones en la mesa ELVIS de acuerdo al diagrama.

Comprobación del circuito en el simulador, igualmente que en el protoboard cuando están conectados correctamente en verde. -Resultados: Para una señal de voltaje alterno de 1V pico a pico a 1KHz el simulador arrojo que el voltaje se amplifico a 10.3V pico a pico y la frecuencia no cambio.

Con base a las fórmulas para este tipo de amplificador comprobaremos si los resultados obtenidos son los correctos.

Vout 

Vin Rf R1

Vout  Error |

1V (10k )  10V 1k 

Vteorico  Vsimulador 10  10.3 || |0.03 Vteorico 10

El sigo negativo indica que la señal en la salida será la opuesta a la entrada ósea se desfasa 180°.

Los valores calculados son casi exactos a los arrojados por el Multisim, además el error no es muy significativo, por lo que tomare que el voltaje y las gráficas arrojados por el simulador son correctos.

-Conclusiones: El propósito de esta práctica fue demostrar el funcionamiento del amplificador operacional inversor y como se conecta en el protoboard. Pude aprender, simular y observar cómo trabaja el amplificador operacional inversor, amplificando e invirtiendo una señal de corriente alterna, es sorprendente que variando las resistencias de entrada y retroalimentación podemos obtener ganancias de voltaje distintas, investigando un poco más acerca de este circuito integrado conozco que este tiene una gran aplicación en las matemáticas realizadas por computadoras además, de que el amplificador tiene distintos tipos modos de conectarse para obtener distintos resultados.

Me resulto más fácil de entender y calcular que el transistor tradicional, aunque dentro de este circuito integrado tenga un transistor y funcione con base a este. Fue interesante trabajar en ELVIS y practicar como se conecta este circuito integrado en el protoboard.

-Bibliografía  Vicente García. (2010). El Amplificador Operacional. 28 agosto 2021, de

Electrónica Practica Aplicada Sitio web: https://www.diarioelectronicohoy.com/blog/el-amplificador-operacional  MiElectrónicaFácil. (2020). Amplificador Operacional Inversor. 28 agosto

2021, de MiElectrónicaFácil Sitio web: https://mielectronicafacil.com/analogica/amplificador-inversor/#formulavoltaje-de-salida-funcion-de-transferencia  John. (-). La última Guía de Aplicación Para el Diseño de Amplificadores

de RF. 28 agosto 2021, de https://ourpcb.pl/amplificadores-de-rf.html

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