PRÁCTICA 12. AMPLIFICADOR OPERACIONAL II

Prácticas Circuitos Electrónicos. 2ºT
http://www.dinel.us.es/ASIGN/CE_2T
PRÁCTICA 12. AMPLIFICADOR OPERACIONAL II
1. Objetivo
El objetivo de esta práctica es el estudio del funcionamiento del amplificador
operacional (op-amp), en particular de tres de sus montajes típicos que son como
amplificador inversor, integrador y sumador.
2. Material necesario
La práctica se realizará en los laboratorios L2 de la Escuela Superior de Ingenieros.
3. Conocimientos previos
El alumno debe conocer el funcionamiento básico del amplificador operacional.
Además, debe haber realizado las simulaciones planteadas en la práctica 11 con el
objeto de contrastar los resultados de simulación con los obtenidos experimentalmente.
4. Introducción
El op-amp (Figura 1) es un dispositivo que funciona en modo diferencial. En
funcionamiento lineal la tensión de salida es igual a la diferencia de las tensiones de
entrada multiplicada por la ganancia, verificando:
Vout=Ad·(V+-V-)=Ad·Vd
Figura 1: amplificador operacional
El amplificador operacional de propósito general se comercializa como circuito
integrado con diferentes encapsulados. Antes de emplear este componente en un
diseño electrónico como el de la placa de circuito impreso (PCB) de esta práctica,
conviene conocer sus características fundamentales, desde la “huella” que
emplearemos en el diseño CAD de la PCB, hasta los valores máximos de algunos
parámetros fundamentales como la tensión de polarización. Esta información se
encuentra en el datasheet del componente (ver referencias bibliográficas de la práctica
11).
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Figura 2: Fotografía de la PCB y potenciómetro.
En la figura 2 vemos una fotografía de la PCB que emplearemos en el laboratorio y un
potenciómetro como el que monta dicha PCB y que utilizaremos para conseguir
resistencias variables.
La PCB es una placa a 1 cara fabricada manualmente en los laboratorios de la
Escuela. Los pines de alimentación del op-amp se denominan “Vcc+” y “Vcc-“ y están
situados a la izquierda. También a la izquierda se encuentran los pines de entrada de
señal “Vi” y tierra “GND”. A la derecha se encuentra el pin de salida “Vo” del op-amp.
También vemos un pin denominado “Tva” que emplearemos en el montaje sumador.
Junto al condensador de 100n (componente azul) tenemos un jumper (ver símbolo JP1
en figura 3) que nos permitirá seleccionar entre el montaje integrador y el
inversor/sumador.
El op-amp es el chip que se encuentra en el centro a la derecha. Está montado sobre
un zócalo que permite extraerlo y cambiarlo por otro op-amp que sea compatible pin a
pin.
En el centro de la foto a la izquierda, vemos un potenciómetro de 10kOhm (se puede
ver en detalle en la imagen de la derecha, Figura 2). En esta práctica, el potenciómetro
se usa en configuración de reóstato, cortocircuitando el terminal deslizante con uno de
los extremos. De este modo podemos tener una resistencia variable entre 0 y 10 kOhm.
La PCB permite que polaricemos el op-amp sin emplear tensiones negativas, entre 0V
y 10V por ejemplo. Para ello habrá que aplicar 10V al pin “Vcc+”, 0V en “Vcc-“ y 5V en
el pin denominado “GND”. Habrá que tener en cuenta que, tal y como se vio en la
práctica 11, la tensión de entrada “Vin” debe tener un offset de 5V.
5. Realización de la práctica
El circuito a probar en el laboratorio se encuentra implementado en una placa de
circuito impreso tal y como se muestra en la Figura 3.
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Figura 3: Circuito implementado en la placa
1. Montaje amplificador inversor
El primer montaje a probar es el de amplificador inversor, que se muestra en la Figura
4, alimentado a ±10V. Para ello, colocar en la placa el jumper JP1 en la posición
inferior. En el montaje amplificador inversor que nos ocupa, las ecuaciones del
dispositivo son:
IR2=(Vin-VA)/R1=(VA-Vout)/R2
Vout= - Ad·VA
Figura 4: Montaje amplificador inversor
Asumiendo que el dispositivo funcione linealmente, podemos considerar despreciable
la tensión diferencial de entrada VA, y obtendríamos que un montaje cuya ganancia
depende del cociente de dos resistencias:
Vout = -R2/R1 · Vin
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1.A Comprobar el correcto funcionamiento del inversor introduciendo una señal
senoidal de amplitud 500mVpp y frecuencia 5kHz. Fijar el valor de la resistencia
variable (más la resistencia R1 en serie) a 2kΩ. ¿Qué ganancia se obtiene? Comprobar
dicho valor con el valor de ganancia obtenido en las simulaciones de este montaje de la
práctica 11. (1.5 PUNTO)
1.B Repita el apartado anterior alimentando el op-amp entre 0 y 10V. Para ello,
modifique las tensiones de polarización y aplique la tensión adecuada a la entrada no
inversora del amplificador operacional utilizando un divisor de tensiones resistivo
montado sobre una placa de pruebas. (1.5 PUNTOS)
1.C Medir el slew rate del amplificador operacional. Para ello, fije la resistencia de
entrada a 10KΩ y se introduzca como entrada una onda cuadrada de 10 kHz y 4 Vpp.
Hay que medir la pendiente (en V/μs) de la onda de salida, lo que nos dará el valor del
Slew Rate. (1 PUNTO)
2. Montaje integrador
El montaje de amplificador integrador se muestra en la Figura 5, alimentado a ±10V.
Coloque el jumper JP1 de la placa en la posición superior.
Figura 5: Montaje integrador
La ecuación que caracteriza el comportamiento de dicho montaje es:
La señal de entrada debe ser una señal cuadrada de 100Hz de frecuencia y 300mV de
amplitud.
2.A Girar el potenciómetro para que la resistencia del montaje tenga un valor de 10kΩ.
Anotar la pendiente de la señal de salida. Comparar dicho valor con el valor obtenido
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en simulación. Para simplificar la captura de esta medida, configure el osciloscopio en
modo AC. Mida también el nivel de continua de la señal de salida. (1.5 PUNTO)
2.B Configure el osciloscopio nuevamente en modo DC. Cambie la forma de onda de la
señal de entrada modificando muy ligeramente su offset. ¿Qué forma de onda se
obtiene a la salida? ¿Por qué? (1.5 PUNTO)
3. Montaje sumador
El montaje de amplificador sumador se muestra en la Figura 6, alimentado a ±10V.
Vuelva a colocar el jumper JP1 en la posición inferior.
Figura 6: Montaje sumador
Para realizar el montaje, hay que conectar en una placa de prueba una resistencia
entre la segunda entrada a sumar (Vin2) y la entrada del operacional, como se muestra
en la Figura 6. Se debe unir un extremo de la resistencia al pin que se denomina TVA,
en la placa. Por el otro extremo se introducirá la otra señal que se va a sumar.
Las señales que se van a sumar son formas de onda de 1kHz con las siguientes
características:
• Señal Vin1: señal senoidal, Vpp=0.5V.
• Señal Vin2: señal cuadrada tipo TTL.
3.A La resistencia R4 es de 2200. Realizar un barrido sobre la resistencia R2 entre
1kΩ y 10kΩ con un salto de 3k. ¿Qué formas de onda se obtienen a la salida? Mida
la tensión de salida pico-pico para cada uno de los valores. ¿Coincide con los
resultados de simulación? (3 PUNTOS)
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