Actividad 4 - Amplificadores Operacionales


Introducción
Los Amplificadores Operacionales (AO) son circuitos integrados que contienen varias etapas transistorizadas acopladas todas ellas en continua con el objetivo de lograr una altísima ganancia de tensión.
Por su gran versatilidad, quizás éstos sean los circuitos integrados analógicos de baja señal más usados hoy dia como interfases de entrada al mundo digital.
Es muy abundante la bibliografía que explica su funcionamiento y se detallan aplicaciones, pero para empezar, un apretado resúmen de las características y usos que poseen los AO las pueden leer de Wikipedia.

Algunos items para tener en cuenta:
- Se los suele alimentar con una fuente de alimentación simétrica.
- Si no se los realimenta (se toma parte de la señal de salida y se reinyecta en la entrada normalmente con redes pasivas) los circuitos que se logran son alineales. El ejemplo típico es el comparador a lazo abierto que funciona entragando dos tensiones bien definidas a su salida en función del valor de tensiones a la entrada.
- En el caso de realimentarlos, puede suceder que la realimentación sea negativa. En este caso lo que se persigue es tener un amplificador lineal cuya ganancia de tensión dependa casi exclusivamente de la red pasiva externa utilizada. Si en cambio la realimentación es positiva entonces lo que se persigue es un circuito inestable. Esta situación se da en circuitos osciladores o también en comparadores con histéresis.

En esta actividad vamos a evaluar el comportamiento del amplificador operacional realimentado negativamente usado para amplificar señales continuas o alternas. Se realizarán experiencias relacionadas con su funcionamiento, buscando fijar los conceptos que subyacen al emplearlos en distintas situaciones

El integrado utilizado es el LM741


Experiencia 1:

Amplificador Inversor

  Armar prolijo el circuito del amplificador inversor, mostrado en la siguiente figura:


Foto del Amplificador inversor



Parte A - Comportamiento en continua
3 - Retirar del circuito el puente J1 y medir con el multímetro en el punto medio del PRESET (Va) los valores máximos y mínimos que entrega el divisor resistivo construido. Registrar y verificar los valores hallados contrastando en una tabla tanto los valores medidos y como los calculados.
4 - Antes de realizar más mediciones, conectar el nodo marcado como Vs, a GND y verificar que la tensión de salida Vo es muy cercana a los cero volts. De no ser asi volver a verificar el correcto conexionado. Si aún persistiera la situación y si la tensión de salida fuese cercana a los +12 V ó  -12V es probable que el amplificador operacional esté quemado.
5 - Conectar ahora el puente J1.
6 - Con el fin de realizar un gráfico, realizar 11 mediciones, variando de un extremo a otro el cursor del preset, registrar nuevamente el valor máximo y mínimo medido en Va ¿Varió significativamente respecto de la medición realizada en el punto 3?. Cinco de esas mediciones deben ser valores de tensión Vs positivas, las otras cinco negativas; la restante se debe desconectar nuevamente J1 y conectar la entrada Vs a tierra (GND). Para esta última medición leer cuidadosamente el valor de tensión de salida. (Esa tensión se conoce como tensión residual de salida u offset). Tratar de tomar valores de tensión a intervalos regulares.
7 - Volcar los valores medidos en una tabla similar a la mostrada.

 Formula de Vout es: Vo = -Vi * (R2 / R1)

Al medir el divisor resistivo con el preset todo hacia la izquierda nos dio exactamente 1.14V, en el centro nos dio aproximadamente 0V y todo hacia la derecha nos dio -1.21V.



Desafio: Observar en el osciloscopio el mismo gráfico realizado en el punto anterior. Capturar la imagen y explicar la manera que se realizó la medición.
Ayuda: Usar el osciloscopio en modo X - Y. Colocar un generador de señales en la entrada Vs. Ajustar su salida con los siguientes parámetros: Triangular, Vpp = 2V, f = 1 KHz


9 - Contestar las siguientes preguntas y redactar los resultados del ensayo. (Para contestarlas quizás deba hacer algunas mediciones extras en el circuito).
a)Dentro de la zona lineal ¿cuánto vale la ganancia de tensión del circuito? Exprese esa ganancia en veces y en dB.
b)Si varía la tensión de alimentación, ¿cambia su ganancia? (no sobrepase el 75 % los valores máximos admisibles).
c)Disminuir el valor de la tensión de alimentación. Observar en que momento deja de funcionar el circuito. Anotar la tensión mínima de alimentación que permite que el circuito funcione.
d)Si aumenta el valor de R2 llevándola a 220KOhms, ¿aumenta o disminuye la ganancia de tensión?
e)Si disminuye el valor de R1 a 5600 Ohms, ¿aumenta o disminuye la ganancia de tensión?
f)Si desconecta la resistencia de carga RL ¿cambia la ganancia?
g)Si en vez de conectar el terminal 4 (pin 4) a Vee = -12 V, lo desconecto de -12 V y lo conecto a tierra, ¿funciona de la misma manera el circuito? ¿qué cambios observa?
h)Si disminuyo el valor R1 a 390 Ohms y R2 a 5600 Ohms, tratando de mantener la ganancia similar a los valores originales medir la nueva tensión Vs.

Parte B - Comportamiento en alterna
10 - Desconectar el puente J1 e inyectarle en Vs, con el generador de funciones, una señal senoidal a la entrada de 1 KHz, menor a  400 mV pico a pico. Capturar la imagen donde se muestre la tensión de salida y la de entrada de manera simultánea. Se debe mostrar el valor de tensión pico a pico de salida y el valor del período, usando los cursores.



11 - Aumentar la tensión de entrada usada en el punto anterior hasta que a la salida se observe un recorte de la señal. Llevar al límite la tensión de entrada, antes que se observe el recorte a la salida. Registrar ese valor y publicarlo. Explicar que sucede si aumento o disminuyo la tensión de alimentación, dentro de los regímenes máximos y mínimos operativos del amplificador operacional usado.

Señal antes del recorte, al limite de la amplitud.

Señal luego del recorte con la amplitud al maximo 


12 - Ensayar ahora el amplificador aumentando la frecuencia del generador hasta 1 MHz. Verificar que la ganancia de tensión deja de responder al cociente entre R2 y R1. (Nota: Los efectos del funcionamiento del amplificador con la frecuencia se verá en otra actividad)


13 - Reemplazar el amplificador operacional LM741 por el TL081. Comentar si existe alguna variación en el funcionamiento del circuito, fundamentalmente en lo que respecta al punto anterior.¿Este amplificador operacional mantiene la ganancia |-R2/R1|  a una frecuencia de 1MHz? ¿Depende o no la ganancia de tensión en función de la frecuencia, con el tipo de amplificador operacional usado?


14 - Diseñar el PCB (No hacer) de tal manera que reuna dos requisitos: 1) sea de dimensiones inferiores a 60 mm x 60 mm y 2) que tanto las conexiones de alimentación como la entrada Vs y la salida Vo, coincidan perfectamente para su inserción en el protoboard mediante pines rectos. 
                                       
                                                 
                                 


15 - Redactar todo lo realizado, sin nombrar los números de los pasos hechos y publicar en el blog, obteniendo conclusiones de los experimentos. Incluir también la teoria que demuestra que la ganancia de tensión del circuito es función de los resistores R1 y R2. 

Comprobamos en la practica que  los comportamientos del amplificador operacional LM741al aplicarle una tensión continua en la entrada, variandole este valor fuimos comprobaremos los distintos valores de la tensión de salida, y comprobamos esto:




Experiencia 2
Amplificador no inversor y Buffer

1 - Armar el siguiente circuito

Foto del Amplificador no inversor


2 - A partir de distintos ensayos capturar mediciones hechas con el osciloscopio inyectándole en la entrada Vs distintas amplitudes de señal senoidal a 1KHz. A través de esas imágenes se debe verificar su comportamiento como amplificador no inversor. Llevarlo al límite del recorte y consignar ese valor.
Vo = 2Vpp
Vi =100mVpp
Av =20 veces


Luego variando la amplitud
Vi=1Vpp
Vo=20vpp
Av=Vo/Vi= 20 veces




Llevando la amplitud hasta la zona de recorte:



3 - Se dice que el amplificador no inversor a diferencia del anterior posee una impedancia de entrada (o resistencia de entrada) muchas veces superior. ¿Qué mediciones harían para refutar o aseverar lo dicho? Explicar el procedimiento realizado.
4 - Si retiramos el resistor R1 y hacemos un cortocircuito entre los terminales del resistor R2 convertimos el mismo en un amplificador con ganancia unitaria o buffer. Verificar su funcionamiento tomando una medición con el osciloscopio, y contestar: ¿Para qué puede servir este circuito? Dar un ejemplo.

Amplificador Buffer
Este amplificador es de ganancia 1, es decir que Vo=Vi

Escala del osciloscopio:
Ch1= 500mV
Ch2= 1V

Si se observan las dos señales, se puede apreciar mediante la escala del osciloscopio que la señal de entrada es igual a la de salida.





5 - Diseñar el PCB (No hacer) de tal manera que reuna dos requisitos: 
1) Sea de dimensiones inferiores a 60 mm x 60 mm 
2) Y que tanto las conexiones de alimentación como la entrada Vs y la salida Vo, coincidan perfectamente  para su inserción en el protoboard mediante pines rectos.



6 - Redactar todo lo realizado, sin nombrar los números de los pasos hechos y publicar en el blog, obteniendo conclusiones de los experimentos. Incluir también la teoría que demuestra que la ganancia de tensión del circuito es función de los resistores R1 y R2. 

En esta actividad, comprobamos el comportamiento del amplificador operacional LM741 en modo no inversor, le aplicamos distintas señales en la entrada y vimos  lo ocurrido en la salida.
Llevamos la amplitud hasta "La zona de recorte" y capturamos una imagen sobre cada una de las mediciones realizadas.
En la configuración buffer pudimos comprobar  que esta configuración no tiene Ganancia de tensión a la salida por lo que Vo=Vi.

Calculos de ganancia


Materiales e insumos necesarios 

- PC - Sistema Operativo Windows con conectividad a Internet.
- Programas: PROTEUS 7.4 o superior - MPLAB 8.3 o superior - PROTEL 99 SP6 - Compilador CCS V4.104 o superior.
- Osciloscopio RIGOL DS1102E con sus puntas de medición.
- Fuente de alimentación doble, regulada y regulable de 0 a 30 V y 0 a 3 A.
- Generador de funciones GW Instek. Cable BNC - cocodrilo.
- Programador PICSTART PLUS con su fuente de 9V 1A y su cable de conexión a RS232.
- Protoboard.
- Alambre para protoboard. 
- Componentes electrónicos varios: LM741 - TL081 - PIC12F683 - Resistores - Capacitores.
- Cables banana cocodrilo.
- Herramientas: destornillador perillero, alicate, pinza de punta, bruselas.







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