6/07/2011

Actividad 4 (Amplificadores Operacionales)

Amplificadores Operacionales:

Como su nombre lo indica, son circuitos integrados con la particularidad de tener una ganancia de tensión alta, lo que provoca una amplificación de cualquier señal que se le introduzca en su entrada. Existen varias configuraciones, como por ejemplo AO inversor, AO no inversor, AO seguimiento o buffer, AO diferencial, etc.


AO no inversor: Este operacional solo se encarga de amplificar la señal de entrada.

Análisis teórico de un amplificador operacional no inversor

AO inversor: Tiene la particularidad de entregar a su salida, una tensión amplificada, pero desfasada 180°.

Análisis teórico de un amplificador operacional inversor
AO buffer: Se lo utiliza para separar etapas dentro de un circuito

AO diferencial: Su función es la amplificación de tensión de la diferencia obtenida entre sus dos señales de  entradas.

 El  LM741, es un amplificador operacional, pero tiene la particularidad de funcionar como un AO inversor o un AO no inversor. Para utilizarlo de esta última manera, solo debemos colocar la señal a amplificar en el pin 3, caso contrario la entrada del inversor se encuentra en el pin 2. A continuación se detalla su pin out, para el encapsulado de ocho patas:

Para más información, a continuación colocamos la hoja de datos del integrado: Click Aquí

Entre los valores de 0.5 V/-0,5 V, es circuito responde aplificando de formal lineal, y es llamado amplificador inversor, ya que la señal de salida se encuentra desfasada 180° con respecto a la de entrada, esto quiere decir que si se le inyecta una tensión positiva, a su correspondiente salida, tendremos la misma, amplificada, pero va a ser negativa.


AMPLIFICADOR INVERSOR

Para el realizamiento de esta práctica, montamos el siguiente circuito en una protoboard:


 En el sector izquierdo de la protoboard, se sitúa un divisor de tensión comprendido por 2 resistencias y un preset. Esta va a ser la señal de entrada que inyectaremos en el pin 2 del LM 741 (véase pin out en parte superior). Para tener una noción de el rango de valores de tensión que entrega este divisor, realizamos 10 mediciones, verificando así su valor máximo y mínimo. Lo vertimos en la siguiente tabla:


 Para contrastar estos valores medidos, realizamos los correspondientes cálculos teóricos, los mismos se encuentran a continuación:


Pudimos calcular que los valores máximos y mínimos son 1,57 v y -1,57 v.
 En una primera instancia, analizaremos el comportamiento de este circuito, en continua, para si después pasar al análisis en alterna.

 En base a esto, realizamos mediciones con el objeto de constatar la ganancia de tensión que posee este amplificador operacional, y construímos un cuadro.


 En un amplificador ideal, la tensión offset es 0, pero esto mismo no se aplica en los AO reales. Como podemos observar en tabla, para este LM741, se toma un valor de 9,4mV. Llámese tensión de offset a la diferencia de tensión entre sus dos entradas (pin 2 y 3), cuando a la salida obtenemos un tensión nula.

 A continuación se detalla un gráfico que relaciona la entrada con la salida, siempre hablando en valores de tensión:


  Este amplificador operacional inversor, obtiene una ganancia de aproximadamente 23,5 dB, lo que seria unas 15 veces la tensión inyectada en su pin 2.
  También notamos que si se varía la tensión de alimentación, la ganancia no sufre ninguna alteración (siempre y cuando, no se sobrepase del 75% de los valores máximos destacados en la hoja de datos).
  En el circuito observamos que la R2 es la resistencia de realimentación, mientras que R1 es la de entrada. Siendo que Vo = V1 x R2/R1 (siendo V1 la señal que inyectamos, mientras que Vo, la tensión de salida del amplificador), podemos decir que cuanto más grande sea el valor de la resistencia de realimentación, más ganancia va a obtener el amplificador, siempre y cuando R1 se mantenga en un valor estable.
 Lo mismo ocurriría en cambio, si el valor de R2 se mantendría fijado, mientras que R1 diminuiría su valor. En cuanto a la RL, se puede decir que no afecta a la ganancia del operacional.
 Como modo de corroboración, colocamos el osciloscopio en modo "X-Y" ( para obtener un gráfico similar al anterior, en ejes cartesianos), y utilizando ambos canales, conseguimos el siguiente gráfico:


 Para esto, se inyecto, con el generador de funciones, una señal triangular, con una tensión pico a pico de 2 volts, y una frecuencia de 1 KHz., en la entrada VS. Luego con el osciloscopio, colocamos un canal en VS, y otro canal en la salida VO. 

Una vez analizado en continua, a continuación lo someteremos a una condición de alterna.

Basandonos en el mismo circuito, desconectamos en puente J1 y inyectamos una señal senoidal en VS, con un valor de 1 KHz y 330 mV. 

Colocando un canal a la salida del circuito, y otro a la entrada, podemos observar el siguiente gráfico:

Tensión pico a pico de salida = 5,36 v
Periódo señal de salida = 1 mS

 Gracias a los cursores del oscilocopio Rigol DS1102E, se puede ver a simple vista su valor pico a pico de tensión de salida, que es de 5,36 volts ( lo que asegura una ganancia de 16 veces o 24 dB ), y un período de señal de 1 mS.

En la siguiente imagen, llevamos a la tensión de entrada a su máximo nivel posible, antes que el LM741, recorte la señal a su salida.

Tensión pico a pico salida = 18.4 V
 Con esto, podemos constatar que el valor máximo de tensión de entrada soportada por el integrado es de 1.3 volts pico a pico. Sobrepasando dicho voltage, comienza a recorta la señal a su salida. 
 Variamos la tensión de alimentación, aumentándola y dismuyéndola (dentro de los valores límites especificados en la hoja de datos), y pudimos observar que incrementa y decrementa, respectivamente, el rango de ganancia lineal, con esto quiero decir que alimentándolo por ejemplo con un valor de 12 v, su tensión de entrada máxima es de 1,3 v, mientras que con una alimentación de 7 v, con tener un valor de 900 mV ya notamos un recorte en la tensión de salida.
 Un comportamiento similar se puede decir en cuanto a la frecuencia, ya que aumentamos la misma, llevándola a el valor de 1 MHz, y nos encontramos que su ganancia ya no era la misma que a 1 KHz, sino que habia disminuido considerablemente. 
 Cambiamos el operacional LM 741, por el TL081, comprobamos su reacción a una frecuencia de 1 MHz, y comprobamos que su ganancia también se ve gravemente afectada, comparándola la misma a una frecuencia de 1 KHz.
 Como una conclusión podemos decir, que la frecuencia es de suma importancia, ya que influye de manera directa sobre la ganancia del operacional, pero que cada uno de ellos tiene un comportamiento distinto, es decir, algunos no son afectados a frecuencias del orden de los MHz, y otros si.

A continuación, dejamos el diseño en Protel del amplificador inversor:

AMPLIFICADOR NO INVESOR Y BUFFER


Construimos este circuito en un protoboard, y proseguimos con su estudio.

Realizamos varias mediciones con el osciloscopio, inyectándole a su entrada VS, una señal senoidal de 1 KHz, pero variándole su amplitud, para de esta manera, observar su comportamiento, y llevándola a su máxima capacidad, en donde su salida amplifica de manera lineal, sin recortar la señal.
Estas fueron las mediciones:

Colocando una señal de 300mVpp aprox.

Tensión pico a pico salida: 4,88 v

Colocando una señal de 500mVpp aprox.

Tensión pico a pico salida: 8,2 v

Colocando una señal de 900 mVpp aprox.

Tensión pico a pico salida: 13,6 v

Colocando una señal de 1,16 vpp aprox.

Tensión pico a pico salida: 17,6 v

Colocando una señal de 1,26 vpp aprox. Esta es la máxima amplitud soportada por el  LM741

Tensión pico a pico salida: 19,2 v
 A continuación, retiramos R1 y provocamos un cortocircuito en los terminales de R2, convirtiendo el circuito en un operacional buffer o de seguidor. Con el osciloscopio obtuvimos una imagen de su entrada y salida, y las comparamos:


  Notamos que la misma señal inyectada a su entrada, es reflejada claramente en su salida. No hay amplificación. 

A continuación, publicamos el circuito del amplificador no inversor en Protel:







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