Lab 1 Electronica 2ena

8/18/2019 Lab 1 Electronica 2ena

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Escuela de Ingeniería Electromedicina

(BINGE-52)Laboratorio de Electrónica 2.

Laboratorio 1

Didier Andrey Sanchez Jimenez

Juan Diego Chaves Mena

Profesor: Ing. Mauricio Delgado Sánchez

Fecha de Entrega: 28 de enero de 2016


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Contenido

1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 3

2. OBJETIVOS .................................................................................................................................. 4

3. MARCO TEORICO ...................................................................................................................... 5

3.1 Características del LM741 del manual del fabricante ...................................................... 5

3.2 Voltaje de desbalance de entrada (Vio) ............................................................................ 5

3.3 Corriente de polarización de entrada (IB) .......................................................................... 6

3.4 Amplificador Inversor ............................................................................................................. 6

3.5 Amplificador No Inversor ...................................................................................................... 7

3.6 Amplificador Seguidor ........................................................................................................... 8

3.7 Ancho de Banda (BW) .......................................................................................................... 9

3.8 Rapidez de cambio (SR) ..................................................................................................... 10

3.9 Razón derechazo de modo común (CMRR) .................................................................. 10

4. RESULTADOS EXPERIMENTALES ...................................................................................... 12

PROCEDIMIENTO ........................................................................................................................... 12

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS.................................................................................................. 27

6. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 30

7. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................... 31

8. ANEXOS(todos los pantallazos de simulacion) .................................................................... 32


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1. INTRODUCCIÓNEn este laboratorio se estudiara a profundidad el amplificador operacional, suscaracterísticas más importantes así forma de implementarlo en un circuitoeléctrico.

Se medirá el voltaje de desbalance o offset(, primero se utilizaran resistenciasde 100Ω y 10kΩ, el circuito integrado LM741 y una fuente dual calibradapreviamente a ±15 V, se tomara la lectura del voltaje de salida, luego se calculara para obtener una salida de .Seguidamente se colocara un potenciómetrode 10kΩ entre las terminales de ajuste del OPAMP conectando la terminal central

del potenciómetro a la fuente negativa, a través de una resistencia de 1K Ω, seajustara el potenciómetro de manera que la salida tenga un valor más bajo,teóricamente 0 y así mismo aumentar .

Seguidamente se estudiara algunas configuraciones que tiene el amplificadoroperacional, en su forma de inversor, no inversos y seguidor, así mismo se estará

estudiando sus características tanto en comportamiento AC en la primera parte sediseñara un amplificador inversor en el cual se variara su resistencia deretroalimentación para y apreciar completamente el efecto provocado que se veráreflejado en el voltaje de salida Vo. Lo mismo se realizara para la configuración noinversora para medir los cambios de voltaje en la salida respecto a la variación deresistencia, esto para poder establecer las diferencias de una configuraciónrespecto a la otra, por último se implementara un circuito seguidor de voltaje lacual toma como voltaje en un entrada inversora el mismo voltaje de salida y suentrada no inversora la alimentación de voltaje permitiendo esta configuración unacople de seguidor garantizando que Vo=Vi teniendo en cuenta que esto es

posible por las características técnicas del 741 ;resistencia muy alta de entrada yresistencia muy baja de salida.


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2. OBJETIVOS

Comprender la importancia de la calibración del Voltaje de desbalance conaplicación Offset Null.

Estudiar las características básicas de las configuraciones: inversor, noinversor y seguidor , bajo condiciones de C.A.


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3. MARCO TEORICO

3.1 Características del LM741 del manual del fabricantePara el circuito integrado LM741 existen diversos manuales del fabricante queindican las características más importantes de dicho producto, entre lascaracterísticas más importantes están:

Rango de tensión de entrada en modo común (V ICR) —el rango de la tensión deentrada en modo común (es decir, el voltaje común a ambas entradas).

Corriente de salida en corto circuito (I OS) —la máxima corriente de salida queel AO puede entregar en un corto circuito.

Fluctuación de la tensión de salida (V OPP) —el máximo voltaje de salida pico a picoque el AO puede entregar sin que ocurra saturación o corte. Esta característica esdependiente de la resistencia de carga.

Ganancia de tensión diferencial de gran señal ( AVD) —la relación entre lafluctuación del voltaje de salida y la del voltaje de entrada cuando la salida se llevaa un voltaje de gran señal específico (típicamente ±10 voltios).

Corriente de alimentación (I CC) —la corriente total que el AO drenará de lasfuentes de polarización cuando está sin carga.

.

Razón de rechazo del suministro de energía (PSRR): Es la razón de cambio en lasalida a raíz de cambios en las fuentes de alimentación.

3.2 Voltaje de desbalance de entrada (Vio)Es la diferencia de potencial Vio que debe aplicarse en una de las terminales deentrada para obtener un amplificador balanceado con salida Vo = 0. IdealmenteVD = 0, pero debido a las imperfecciones de los transistores (asimetrías)realmente VD≠0, así que se requiere de un voltaje Vio≠0 para hacer Vo = 0. Este

voltaje también es llamado voltaje offset.

(1)

Figura 1 (Configuración Offset Null voltaje de desbalance de entrada).


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Figura 2 (Corriente y voltaje de desbalance de entrada).

3.3 Corriente de polarización de entrada (IB)Es el promedio de las corrientes de entrada necesarias para mantener al

amplificador balanceado.

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3.4 Amplificador Inversor

Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada,en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de laganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos enla figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o noinversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal deentrada negativo, se llama de realimentación.

Figura 3 (Circuito Amplificador Inversor).

En todo A.O podemos decir que:


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En operación normal la tensión entre las entradas (inversora y no inversora) esprácticamente cero, lo que significa que la entrada Ven es igual a VR1.

Entonces con Ven = VR1, y con la formula anterior:Ven = [R1 / (R1 + R2)] x Vsal. (18)

Despejando para Vsal / Vent (ganancia de tensión)

AV = Vsal / Ven = (R1 + R2) / R1 = R1 / R1 + R2 / R1 (19)

Entonces:

AV = 1 + R2 / R1 (20)

De la anterior fórmula se deduce que la ganancia de tensión en este tipo

de amplificador será de 1 o mayor.

Figura 4 (Circuito Amplificador No Inversor).

3.6 Amplificador SeguidorEn el amplificador operacional en modo Seguidor de Tensión, la tensión de laseñal de entrada, Vin, es igual a la tensión de salida, Vout, es decir, la señal desalida sigue a la de entrada, de ahí su nombre.

Estos circuitos tratan de aprovechar las características de alta impedancia deentrada y baja de salida de los amplificadores operacionales. Se utiliza comobuffer, para eliminar efectos de carga, pero su uso más corriente es el deadaptador de impedancias de diferentes etapas (conectar un dispositivo de granimpedancia a otro con baja impedancia o viceversa).

http://unicrom.com/Tut_voltaje.asphttp://unicrom.com/Tut_amplificadores_.asphttp://unicrom.com/Tut_amplificadores_.asphttp://unicrom.com/Tut_voltaje.asp


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Figura 5 (Circuito Amplificador Seguidor).

A la vista del circuito de la figura 3 y aplicando el concepto de cortocircuito virtual,se tiene que I1=0 y la tensión en la entrada no-inversora es igual que la tensión dela entrada inversora, con lo que se puede afirmar que Vin=Vout. También se

puede decir que I2=0, con lo cual la carga demandará la corriente por I3únicamente, permaneciendo aisladas la entrada y la salida del amplificadoroperacional.

Resumiendo, como la tensión en las dos patillas de entrada es igual, la tensión desalida será:

(21)

Este circuito presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima yla de salida prácticamente nula. Puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la

tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña, que no afecte apenas a lamedición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas detensión lo más exactas posibles, pues, al medir la tensión del sensor, la corrientepasa tanto por el sensor como por el voltímetro, y la tensión a la entrada delvoltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y laresistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones.

3.7 Ancho de Banda (BW)Explicado de una manera sencilla el ancho de banda es una distancia medida enHertz o en decibeles en donde se encuentra el mayor desempeño o la mayorpotencia entregada por el operacional es decir el rango en que es más eficientepara poder determinar este parámetro utilizamos un circuito en donde la gananciaes de 1 es decir el voltaje de salida es igual al voltaje de entrada.

(22)


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3.8 Rapidez de cambio (SR)Básicamente el tiempo de reacción o llamado slew rate es el tiempo que tarda unacorriente en atravesar un integrado esto si lo vemos desde el punto de vista de lacorriente si lo vemos desde el punto de vista del voltaje es el rango de tiempomáximo de cambio de la tensión de entrada a la tensión de salida y se calcula

como

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Figura 6 (Grafica de slew rate).

3.9 Razón derechazo de modo común (CMRR)

Es la relación entre la ganancia en modo diferencia y en modo común. Afecta elVos y se deteriora con la frecuencia. Es la medida de la habilidad que poseeun AO para rechazar las señales que se presenten simultáneamente en ambas

entradas. La relación del voltaje de entrada en modo común al voltaje generado desalida y se expresa generalmente en decibeles (dB).

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Figura 7 (Frecuencia VS Factor de rechazo común).

Cuadro de parámetros a estudiar en este laboratorio

Termino. SímboloCircuito Integrado. CI.

Corriente de polarización. Ib.Voltaje de desbalance. Vio.

Amplificador Operacional. AO.Factor de ganancia. A./G.


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4. RESULTADOS EXPERIMENTALES

PROCEDIMIENTO

Figura 8 : circuito #1

Figura 9: Offset null: Se realizó otro montaje en la protoboard ya que la configuración en el

amplificador con la figura 8 hacía que el amplificador trabajara como comprador. Por lo que se

decidió hacer otro circuito.


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Rr : Resistencia de Retroalimentación, Vo: Voltaje de salida, Vi:Voltaje de entrada

a. Para ajustar un error producido a la salida llamado voltaje de desvío,investigar cuál es el circuito adecuado para producir la anulación por medio

del ajuste. Una vez encontrado, llame al profesor para verificar si escorrecto y recibir la instrucción adecuada.

Figura 10: Offset null en + Vcc


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Figura 11 Offset null en - Vcc

b. Habiendo hecho el ajuste, conecte un osciloscopio de doble canal, visualiceel voltaje de entrada y salida simultáneamenteio

yV V .Ajuste el generador de

señales para producir una onda senoidal de 1 Vpico a 100Hz. Despuésmida y registre el valor pico de

oV para cada uno de los valores siguientes

de Resistencia de retroalimentación. Anote la fase deo

V con respecto dei

V .

Mida la tensión en la terminal 2 (Este punto está en una tierra virtual). Noolvide registrar el porcentaje de error en cada tabla.


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Figura 12: Vo con 1K

Figura 13: Desfase 1K

Figura 14: Desfase 4,7K


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Figura 15: Vo con 4,7K

Figura 16: Desfase 22K

Figura 17Vo con 22K


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Figura 18 Desfase 100K

Figura 19 Vo con 100K

Tabla#1 Voltaje de Salida al variar la resistencia de retroalimentación del circuito #1

Experimental Simulado Teórico

Resistencia de

retroalimentación/RrVo pp (V)

fase Vo /

fase Vi(ms)

Datos

convertidos a

grados

Vo pp (V)fase Vo/fase

ViVo pp (V)

fase Vo

/fase Vi

1kΩ 0,21 4,96 178,56 0,20 180,00 0,20 180,00

4.7kΩ 0,94 4,96 178,56 0,94 180,00 0,94 180,00

10kΩ 1,98 4,96 178,56 1,99 180,00 2,00 180,00

22kΩ 4,44 4,96 178,56 4,43 180,00 4,40 180,00

33kΩ 6,64 4,96 178,56 6,58 180,00 6,60 180,00

100kΩ 19,80 4,96 178,56 19,98 180,00 20,00 180,00


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Tabla#1 Porcentaje de error al variar la resistencia de retroalimentación del circuito #1

Porcentajes de Error

Resistencia de

retroalimentación/Rr

Vo exp vs

teo

Vo exp vs

simu

fase exp vs

teo

fase exp

vs simu

1kΩ 5,00 5,00 0,00 0,00

4.7kΩ 0,00 0,00 0,80 0,80

10kΩ 1,00 0,50 0,80 0,80

22kΩ 0,91 0,23 0,80 0,80

33kΩ 0,61 0,91 0,80 0,80

100kΩ 1,00 0,90 0,80 0,80


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c. Conecte el circuito #2

Circuito #2

d. Ajuste a 1V pico a 100Hz y mida y registre el valor pico del voltaje de salida

oV para los siguientes valores de resistencias descritos en la tabla #2. Anote

la fase deo

V con respecto dei

V .

Figura 20 Desfase con 1K


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Figura 21 Vo con 1K

Figura 22 Desfase con 4,7K

Figura 23 Vo con 4,7K



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Tabla#3 Voltaje de Salida al variar la resistencia de retroalimentaciónpara el circuito #2

Experimental Simulado Teórico

Resistencia deretroalimentacion/Rr

Vo pp(V)

faseVo /faseVi

Vo pp(V)

fase

Vo/faseVi

Vo pp(V)

faseVo

/faseVi

1kΩ 2,20 0,00 2,19 0,00 2,20 0,004.7kΩ 2,94 0,00 2,96 0,00 2,94 0,0010kΩ 4,04 0,00 3,98 0,00 4,00 0,0022kΩ 6,40 0,00 6,42 0,00 6,40 0,0033kΩ 8,48 0,00 8,60 0,00 8,60 0,00100kΩ 21,80 0,00 21,99 0,00 22,00 0,00

Tabla#4 Porcentaje de error al variar la resistencia de retroalimentación

para el circuito #2

Porcentajes de Error

Resistencia deretroalimentacion/Rr

Voexpvsteo

Vo expvs

simu

faseexpvsteo

faseexpvs

simu1kΩ 0,00 0,46 0,00 0,004.7kΩ 0,00 0,68 0,00 0,0010kΩ 1,00 1,51 0,00 0,0022kΩ 0,00 0,31 0,00 0,00

33kΩ 1,40 1,40 0,00 0,00100kΩ 0,91 0,86 0,00 0,00


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e. Conecte el circuito #3

Circuito #3

f. Utilice un osciloscopio de doble trazo, medir y registrar el valor pico delvoltaje de salida para cada uno de los siguientes ajustes en el generador deseñales.

Tabla#5 Voltaje de Salida para diferentes entradas (configuración Seguidorde Voltaje)

Señal de Generador Voltaje de salida Vo pp Fase de Vo respecto de Vi1Vpico a 100Hz 2 05Vpico a 500Hz 10 010Vpico a 1kHz 15,6 0


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g. Monte el circuito #4

Figura 28 Montaje de circuito 4

h. El circuito #4 Se utilizará para medir la impedancia de entrada vista por elgenerador de señales dentro de la etapa del amplificador.

i. Ajuste s

V a 10V pico a 100Hz y utilice un osciloscopio para medir y registrar

los valores pico de 1 yV V s .


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Figura 29 voltaje amplificado

j. Utilice una tabla como la que se muestra a continuación:

VS V1teorico V1 exp % error

Impedanci

a deentrada

Impendancia

de entradaexp. % deerror20 Vpp 11 10,2 7 20K 19,6K 7%

I teorica(uA)

I exper(uA) % error

550 520 5,5

k. Haga un análisis completo de todo el laboratorio. Añadido a ese análisis de

resultados, conteste las siguientes preguntas:

a. ¿Qué sucede al aumentar la resistencia de retroalimentación del primercircuito?

La ganancia aumenta invirtiendo la señal

b. ¿Cuánto desfasa la señal de salida a la señal de entrada en el primercircuito?


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Los amplificadores operacionales son dispositivos muy versátiles que se puedenusar para realizar gran variedad de funciones entre ellas el circuito amplificadorinversor que tiene como principal característica la inserción de un voltaje deentrada en la entrada inversora así debido a que la ganancia a lazo abierto esinfinita y a la retroalimentación negativa, se crea un corto circuito virtual entre la

entrada positiva y la negativa; teniéndose el mismo voltaje en ambas terminales. Para la sección #1 de este laboratorio se inició optimizando y calibrando la señaldel voltaje de salida conocida como voltaje de desvió, gracias a esta se obtuvo unvoltaje de desvió=0 como se observa en las imágenes de la sección 4 por lotanto se obtuvo un porcentaje de error prácticamente nulo en este punto inicial, seprocede con el circuito ajustado a realizar el montaje de los circuitos restantes,primeramente en el circuito#1 OpAmp en configuración Inversora los resultadosobtenidos cumplen con las características correctas según la teoría, yendo más afondo en las mismas, se encuentra que los valores obtenidos de Vo son casi

perfectos obteniendo porcentajes de error menores al 2% para las medicionescon Resistencia de retroalimentación de ; 4.7k,0k,22k,33k,100k , y un caso de5% para la resistencia de 1k, este último porcentaje difiere un poco de losprimeros, sin embargo no quiere decir que este incorrecto, la justificación delmismo respecta a que el valor arrojado de Vo en ese caso es de 0,2v teórico, y alser un valor tan reducido cualquier diferencia pequeña se traduce en un porcentajemás brusco. En cuanto a los porcentajes de error del desfase de la salida conrespecto a la entrada se espera que estén invertidos, se compara con los valoresobtenidos experimentalmente y concuerdan casi perfectamente con los valoresteóricos ya que los mismos tienen porcentajes de error de 0,8% como máximo,

posterior a esto se crea la interrogante del porque se genera este porcentaje ydentro de las causas se determina que se debe a problemas de resolución depantalla con el equipo y a error de paralaje ya que al tomar las gráficas es un pocodifícil colocar los cursores exactos, sin embargo es un error que no afecta losresultados obtenidos

Para el circuito #2 se emplea un circuito no inversor siguiendo las mismasindicaciones; variación de la resistencia de retroalimentación desde 1k hasta 100k,los valores de Vo que se obtienen arrojan resultados muy cercanos a los teóricosdando como producto porcentajes de error menores al 1.5% en solo 2 casos para

la resistencia de 33k y 100k, los restantes arrojaron porcentajes de error 0% ,para hacer referencias a los valores de desfase ,se obtienen desfases de 0grados por lo tanto se comprueba en un 100% de eficiencia el funcionamiento noinversor del amplificador.

En la sección #3 del procedimiento se puso en estudio el modelo de laconfiguración del OpAmp seguidor, se obtienen valores que permiten una


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6. CONCLUSIONES

Se logró obtener de manera experimental el voltaje de desbalance,ajustando los valores de resistencia con un potenciómetro en configuracióncon una resistencia en su pata cursora de manera que el potenciómetro

debe estar a su 50% de comportamiento para que el voltaje de salida seadisminuido de la mayor manera posible de y así mismo el voltaje dedesbalance.

Se logró poner en práctica las diversas configuraciones básicas aprendidasen clases y se comprobó correctamente su comportamiento yfuncionamiento

Se comprende y comprueba los conceptos de circuitos en configuraciónnegativa y positiva y cual implementar en circuitos según la ganancia quedesee proveer a otro bloque de circuitos sean TTL o analógicos.

Se comprueba que cuando una onda se invierte se desfasa 180°, esto sirve

en diversas aplicaciones como por ejemplo las fuentes trifásicas que sedesfasan con ángulo determinado.

Se Aprendió a utilizar la hoja de datos de un amplificador operacional y quelos valores típicos, son mediciones obtenidas bajo condiciones establecidasy q no necesariamente exactas

Se comprende el uso de amplificadores en el uso de señales amplificadas.


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7. BIBLIOGRAFIA

Amplificadores operacionales (enero-junio 2012) M. en C. Luis Rodolfo CoelloGalindo. Obtenido de

http://www.uaeh.edu.mx/docencia/P_Presentaciones/tizayuca/electronica_tele/presentacion%20analogica.pdf

Características principales de operación. Electrónica II. Luis Enrique Avendaño-Obtenido de:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040015/lecciones/Capitulo2/caracteristicas.html

Configuraciones básicas de Op-amp

Obtenido de:

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADOR-INVERSOR.php

http://unicrom.com/Tut_OpAmpNoInversor.asp

http://daqcircuitos.net/index.php/circuitos-tipicos-con-amplificadores-operacionales/circuito-seguidor-de-tension/81-circuito-seguidor-de-tension

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040015/lecciones/Capitulo2/caracteristicas.htmlhttp://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040015/lecciones/Capitulo2/caracteristicas.htmlhttp://www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADOR-INVERSOR.phphttp://www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADOR-INVERSOR.phphttp://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040015/lecciones/Capitulo2/caracteristicas.htmlhttp://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040015/lecciones/Capitulo2/caracteristicas.html


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8. ANEXOS(todos los pantallazos de simulacion)


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