Amplificadores Operacionales

Amplificadores operacionales

El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene además límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de volts (especificación también definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 10⁵ equivalentes a 100dB.

Objetivos de esta experiencia

• Usar un amplificador operacional realimentado negativamente, en configuración inversor.
• Medir tensiones de entrada y salida con multímetro y osciloscopio. Con este último tomar muestras de las señales medidas.
• Medir el comportamiento del amplificador inversor con tensiones continuas y alternas en su entrada.
• Calcular la ganancia del amplificador dentro de la zona lineal. Expresar su valor en veces y en dB.
• Graficar la función transferencia (Vo en función de Vs).
• Reconocer las zonas de saturación y de amplificación lineal.
• Medir la tensión residual de salida (offset).
• Apreciar las limitaciones de la ganancia en función de la frecuencia para dos tipos distintos de amplificadores operacionales.

En este caso vamos a utilizar el IC 741, aqui podemos encontrar su hoja de datos.

Igualmente dejamos los pin out de los integrados que utilizaremos:

Se propone armar el siguiente circuito en protoboard con el fin de concretar con los objetivos:

Se pueden obviar los led y sus respectivas resistencias limitadoras ya que solo indican la buena conexión de la fuente de alimentación.

Parte A - Comportamiento en continua

1 - Dejar la llave SW1 en modo abierto y medir con el multímetro en el punto medio del PRESET (Va) los valores máximos y mínimos que entrega el divisor resistivo. 

                 

              Minimo medido: -0,55 V

              Maximo medido: 2,75 V

2 - Conectar el nodo 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. 

         

                  Salida con Vs=GND : -22mv ≈ GND

3 - Mover la llave SW1 a la posicion de conexion y realizar 11 mediciones, variando de un extremo a otro el cursor del preset.  

Cinco de esas mediciones deben ser valores de tensión Vs positivas, las otras cinco negativas; la restante se debe mover de posicion nuevamente SW1 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.

Usamos una hoja de calculos de Excel y guardamos los valores capturados:

Haciendo la relación Vo/Vs calculamos la ganancia del circuito, y nos da aproximadamente 15 veces.

Luego dibujamos un gráfico de los valores:

Vemos claramente porque se le llama amplificador inversor, ya que encontramos en la salida, la entrada amplificada y negada o invertida.

También graficamos la curva de transferencia Vo/Vs:

Desafío: Obtener la curva de transferencia del IC con el osciloscopio, usándolo en modo X - Y. Usar una señal triangular Vpp = 2v, f = 1kHz proveniente de un generador, como entrada del circuito.

Con esta experiencia podemos ver la zona activa y la zona de saturación del operacional.

4. Probar la respuesta del circuito variando su tensión de alimentación (Entrada - Salida)

• Alimentado con +/- 5v:

     Aquí vemos los recortes en la señal de salida del A.O. 

• Alimentado con +/- 18v:

        Aquí podemos ver que la ganancia del operacional no se modifica, y sigue siendo 15 veces (Vo/Vi = 30v/1.96v).

5. Llevar el valor de R2 a 220k y observar los cambios en la ganancia del circuito:

Observamos que la entrada es de 304mV y la salida de 6,72 V; por lo tanto la ganancia en este momento es de 22 veces.

6. Disminuir el valor de R1 a 5600 Ohms y observar los cambios en la ganancia de tensión.

Con la entrada de 304mv y la salida de 8v, la ganancia actual es de 26 veces.

7. Volver R1 y R2 a los valores iniciales y desconectar la resistencia de carga RL ¿cambia la ganancia?

Observando el gráfico vemos que la ganancia sigue siendo 15 veces, y si vemos la teoría Av= -|R2/R1|, observamos que en ninguna parte aparece RL, por lo tanto no debería modificar la ganancia.

8. Si en vez de conectar el 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?

Con una entrada senoidal de 300mV pico a pico, obtengo 12v constantes a la salida.

Parte B - Comportamiento en alterna

10 - Poner la llave en posición de desconexion 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.

Capturamos la imagen donde se muestre la tensión de salida y la de entrada de manera simultánea. Se muestra 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.

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?

A bajas frecuencias:
Con el TL081, la ganancia es 4,68v/0,304v = 15,39 veces

Si hacemos |-R2/R1| => |-150k/10k| = 15 veces

Ahora a altas frecuencias, el TL081 no responde linealmente como el LM741.

CONCLUSIONES

Después de realizar las mediciones, podemos concretar que los valores teóricos tomados con la formula de ganancia -> Av= -|R2/R1| en el operacional como inversor, coinciden con los valores medidos en el circuito.

Pudimos divisar la zona de activa y la zona de saturación del operacional, y también observamos que el TL081 sirve para un rango de frecuencias mas bajo que el LM741.

Las ventajas de utilizar un IC amplificador operacional, son que podemos, solo variando dos resistencias, variar la ganancia del amplificador, variar la resistencia de entrada y abarcar un buen rango de frecuencias.