Práctica II: AOs

Sistemas Electrónicos y Automáticos
PRÁCTICA 2
AMPLIFICADORES OPERACIOALES
1. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA.
El objetivo de la práctica es estudiar configuraciones avanzadas de amplificadores operacionales usadas
en aplicaciones prácticas. Entre los circuitos que vamos a estudiar se incluye el amplificador inversor, el
integrador y el amplificador diferencial.
Se utilizará para ello el simulador PSPICE incluido en la herramienta de diseño electrónico ORCAD 9.2.
En el primer apartado de la práctica se da una breve introducción teórica sobre amplificadores
operacionales y tras esto se pasa a la realización de la práctica en sí. En ella se estudiará, usando la
herramienta de simulación PSPICE, el comportamiento de los distintos circuitos propuestos. Finalmente, se
propone un problema para que los alumnos demuestren los conocimientos aprendidos en esta práctica.
2. ITRODUCCIÓ TEÓRICA.
Se denomina amplificador operacional a un circuito electrónico que satisface la siguiente relación entre
sus entradas y salida:
donde G se denomina ganancia del amplificador.
El símbolo que representa a un amplificador operacional es el siguiente:
donde Vs+ y Vs- definen los raíles de alimentación positiva y negativa del amplificador.
3. REALIZACIÓ PRÁCTICA.
El transitor bipolar que se utilizaremos en esta práctica es el Q2N2222 de la librería BIPOLAR y el
amplificador operacional es el uA741 de la librería OPAMP.
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3.1. Amplificador inversor.
Existen dos configuraciones básicas para implementar un amplificador inversor. La primera de ellas
es usar el esquema propuesto en la figura 1 que utiliza un transistor bipolar en emisor común con
resistencia de emisor y base.
Figura 1.
Otra posibilidad es usar un amplificador operacional en la configuración mostrada en la figura 2.
Figura 2.
Aunque ambas configuraciones son válidas para implementar un amplificador inversor, es importante
tener claro la ventaja de usar un amplificador operacional frente a un BJT. En el caso de usar un amplificador
operacional la ganancia del mismo solo depende de los elementos resistivos conectados externamente y no
del amplificador en sí, es decir, de cómo esté implementado, de si pierde prestaciones por envejecimiento,
etc. En cambio, si el amplificador lo implementamos con un transistor bipolar será casi imposible mantener
una ganancia fija cuando cambiemos de un transistor a otro exactamente igual debido a la tolerancia entre
ellos.
Realizar un análisis transitorio (TRA) de ambas configuraciones. En el caso de la figura 1, aplica una
señal senoidal de 1KHz de frecuencia y 20mV de amplitud. En el caso de la figura 2, aplica una señal
senoidal de 10KHz y 500mV de amplitud a la entrada. Representa las formas de onda de las entradas y la
salida y calcula analíticamente la ganancia de ambas configuraciones. Además representa la fase de la
entrada y la salida y comprueba que efectivamente ambas configuraciones son inversoras. Polariza el
amplificador operacional con +12Vy -12V de alimentación.
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3.2. Integrador.
El circuito de la figura 3 se conoce como integrador inversor sin pérdidas. El funcionamiento de este
circuito se basa en generar una señal de salida que corresponde a la integral de la señal de entrada en el
tiempo.
C1
Vs+
R1
Vi-
Vi
Vo
Vo
Vi+
Vs-
Figura 3.
En el dominio de la frecuencia, la salida viene dada por:
Vout = −
1
Vin
sR1C
De la expresión anterior podemos deducir que la salida es directamente proporcional a la integral
(término 1/s) de la señal de entrada. La ganancia en DC (s=0) a la salida es teóricamente infinita, por tanto,
cualquier pequeña señal en DC a la entrada saturará la salida del amplificador. En un integrador práctico, una
resistencia grande se coloca en paralelo con el condensador para prevenir al condensador de almacenar carga
debido a las corrientes y tensiones de offset. Esta configuración se conoce como integrador “con pérdidas”
o circuito paso bajo de primer orden y se muestra en la figura 4.
Figura 4.
La tensión de salida viene ahora dada por la siguiente expresión:
Vout = −
R 2 / R1
Vin
1 + sR 2 C
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La ganancia en DC es ahora finita y determinada por la relación de dos resistencias.
Para el integrador de la figura 4 realiza un análisis AC para verificar que este circuito es un
integrador para frecuencias f>>1/(2πR2C)=40Hz. Representa la respuesta en frecuencia. Aplica una señal
cuadrada (VPULSE) a la entrada de 2V de amplitud y 500Hz. Realiza un análisis transitorio y visualiza la
señal de salida. Vuelve a hacer la simulación con una señal de entrada de 10 Hz y 10 KHz de frecuencia.
Representa en una misma ventana para cada una de las frecuencias indicadas tanto la señal de entrada
como la de salida.
3.3. Amplificador diferencial
El amplificador diferencial se diseña para amplificar la diferencia de dos señales de entrada. La
configuración más simple aparece en la figura 5.
Figura 5.
Si los valores de resistencia se eligen tal que
, la salida del amplificador vendrá dada por:
Esta expresión muestra que el amplificador sólo amplifica la diferencia entre dos señales de entrada.
Cuando la misma señal se aplica a ambas entradas, la ganancia de tensión se conoce como “ganancia en
modo común” ACM.
Para el circuito de la figura 6 realiza un análisis TRA para confirmar que el circuito se comporta
como un amplificador diferencial. Aplica una señal senoidal de 1KHz y 2V de amplitud a la entrada Vi1 y
una tensión continua de 2V a la entrada Vi2; representa las formas de onda de las entradas y la salida. Por
otro lado, determina la ganancia en modo común. Para ello aplica una señal senoidal de 1KHz y 2V de
amplitud a ambas entradas y mide ACM= Vout/Vin.
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PROBLEMA
Originalmente los amplificadores operacionales se usaban para implementar operaciones
matemáticas en dispositivos como calculadoras. Se pretende en este caso implementar una calculadora
analógica que calcule la siguiente expresión operación:
Suponiendo que la menor resistencia que tenemos disponible para montar la calculadora que pretendemos
diseñar es de 20 kΩ, calcule los valores de las demás resistencias que son necesarias para su
implementación. Además, dibuje la estructura que implementa la calculadora que estamos buscando.
*ota: ayúdese de la configuración sumador del amplificador operacional
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