Laboratorio de Electrónica III

Laboratorio de Electrónica III
Práctica I
Características Eléctricas de los Amplificadores Operacionales
OBJETIVO: Al término de esta práctica el alumno aprenderá medir las características
eléctricas más importantes de los op-amps.
MATERIAL:
2 Resistencia de 100 Ω 1/4W.
2 Resistencia de 10 kΩ 1/4W.
2 Resistencia de 100 kΩ 1/4W.
1 Resistencia de 1 MΩ 1/4W.
1 Potenciómetro de 5 MΩ.
1 Amplificador operacional LM741.
1 Amplificador operacional TL081
EQUIPO:
1 Voltímetro digital.
1 Osciloscopio.
1 Generador de señales.
1 Fuente regulable.
DESARROLLO:
(a) Medición del voltaje offset de entrada (Vos).
1. Alambrar el circuito de la figura I.1.
2. Aplicar el voltaje de alimentación al amplificador operacional y con un voltímetro (de
preferencia digital) medir el voltaje de salida.
Vout =
mV (741)
Vout =
mV (081)
V
3. Obtener Vos considerando que es igual a Vos = out
Av
Vos =
mV (741)
Vos =
mV (081)
Vos =
mV (741, Data Book)
Vos =
mV (081 Data Book)
Rf
1M
+15V
Ri
2
100K
3
7
-
741/
081
6
Vo
Voltímetro
+
4
-15V
Figura I.1 Circuito de prueba para medir el offset.
(b) Medición de la corriente de polarización (Ibias)
1. Alambrar el circuito de la figura I.2.
2. Medir el voltaje que cruza por las resistencias R1 y R2.
VA =
mV (741)
VA =
mV (081)
VB =
mV (741)
VB =
mV (081)
VA
VB
e I bias 2 =
obtenga las corrientes de
3. Utilizando las ecuaciones: I bias1 =
R1
R2
polarización.
Ibias1 =
nA (741)
Ibias1 =
nA (081)
Ibias2 =
nA (741)
Ibias2 =
nA (081)
4. Obtenga el valor promedio de las dos y compare el resultado con la corriente de
polarización de la hoja de especificaciones.
Ibias = nA (hoja de datos, 741)
Ibias = nA (hoja de datos, 081)
Ibias = nA (obtenida en el cto., 741)
Ibias = nA (obtenida en el cto., 081)
Rf
1M
+15V
Ri
2
A
100K
B
3
7
-
741/
081
6
Vo
Voltímetro
+
4
R2
-15V
100K
Figura I.2
(c) Medición de la impedancia de entrada del amplificador operacional
1. Alambrar el circuito de la figura I.3.
2. Ajustar en el osciloscopio:
Canales 1 y 2: 0.5 Volt/división.
Tiempo: 1msec/div.
3. Aplique un voltaje de 1 volt p-p en la entrada y la frecuencia necesaria para tener 1 ciclo
completo en la pantalla.
4. Mientras observa el voltaje V’i en el canal 1, ajuste el potenciómetro de 5 MΩ hasta que
este voltaje sea la mitad del voltaje de entrada (0.5Vp-p.). Si no se logra ponga resistencias
de 10 M en serie.
5. Cuando halla alcanzado este punto, desconecte la alimentación del amplificador y el
potenciómetro del circuito; entonces mida la resistencia del potenciómetro con un óhmetro.
Compare este valor con el de tablas.
Rpot. =
Zin =
Ω (valor medido, 741)
Ω (hoja de datos, 741)
Rpot. =
Zin =
Ω (valor medido, 081)
Ω (hoja de datos, 081)
+15V
2
Vi
V 'i
5M
3
7
-
741/
081
6
Vo
+
4
CH 1
CH 2
Osciloscopio
-15V
Figura I.3
(d) Medición de la velocidad de cambio (slew-rate)
1. Alambrar el circuito de la figura I.4.
2. Ajustar en el osciloscopio:
Canal 1 : 0.5 Volt/división.
Canal 2: 1.0 Volt/división.
Tiempo: 10 µsec/div.
3. Aplique un voltaje de 5 volt p-p en la entrada y la frecuencia necesaria para tener 1 ciclo
completo en la pantalla.
4. Mida el voltaje de salida p-p. (∆V).
∆V =
volts (741)
∆V =
volts (081)
5. Mida el tiempo t que le toma al voltaje de salida ir del valor mínimo al máximo.
∆t = µseg (741)
∆t = µseg (081)
6. Calcule el slew-rate (∆V/∆t) y compárelo con el de las hojas de especificaciones.
V
Slew-Rate =
µseg (medido, 741)
V
Slew-Rate =
µseg (hoja de datos, 741)
V
Slew-Rate =
µseg (medido, 081)
V
Slew-Rate =
µseg (hoja de datos, 081)
7. Dibuje las señales de entrada y salida obtenidas.
Rf
10K
Señal
cuadrada
Vi
Ri
+15V
2
10K
3
7
-
741/
081
Vo
6
+
4
-15V
CH 1
CH 2
Osciloscopio
Figura I.4
(e) Medición de la relación de rechazo de modo común (CMRR).
1. Alambrar el circuito de la figura I.5.
2. Ajustar un voltaje de entrada de 2 volts rms con una frecuencia entre 60 y 100Hz. Mida
el voltaje Vi obtenido.
Vi(cm) =
Vrms (741)
Vi(cm) =
Vrms (081)
3. Ahora mida el voltaje de salida Vout con el voltímetro.
Vout(cm) =
Vrms (741)
Vout(cm) =
Vrms (081)
Nota: Los voltajes son en corriente alterna.
Vout ( cm )
4. Calcule la ganancia en modo común Acm =
=
Vi ( cm )
5. Obtenga la ganancia diferencial. (R2/R1) = (R4/R3) y resuelva la relación de rechazo en
modo común dando el resultado en dB. (20 log (Ad/Acm)). Compare con la hoja de
especificaciones.
Ad (741) =
Ad(081) =
CMRR(741) =
dB
CMRR (081) =
dB
CMRR (741, hoja de datos) =
dB
CMRR (081,hoja de datos) =
dB
R2
100K
Señal
cuadrada
Vi
+15V
Ri
100K
2
R3
3
7
-
741/
081
6
Vo
+
4
100K
R4
100K
-15V
Voltímetro
CA
Figura I.5 Circuito para la medición de la razón de rechazo en modo común.
CONCLUSIONES:
En sus conclusiones mencione porque existe diferencia en el slew-rate entre el LM741 y el
TL081, y comparando los valores obtenidos con los de las hojas de especificaciones evalúe
si los amplificadores utilizados cumplen con las características eléctricas, sino es así,
explique el por qué.
Laboratorio de Electrónica III
Práctica II
Comportamiento en frecuencia de los Amplificadores Operacionales
OBJETIVO: Al término de esta práctica el alumno conocerá el efecto de la frecuencia en
los circuitos con amplificadores operacionales, así como la compensación para circuitos
que lo necesiten.
MATERIAL:
1 Resistencia de 2 kΩ 1/4W.
3 Resistencia de 10 kΩ 1/4W.
1 Resistencia de 100 kΩ 1/4W.
1 Resistencia de 1 MΩ 1/4W.
2 Capacitor de 0.1 µF.
2 Capacitor de 30 pF.
1 Capacitor de 20 pF.
1 Capacitor de 3 pF.
1 Capacitor de 1 pF.
1 Amplificador operacional LM741.
1 Amplificador operacional TL081.
EQUIPO:
1 Osciloscopio.
1 Generador de señales.
1 Fuente regulable.
DESARROLLO:
(a) Medición de la ganancia de lazo abierto (Aol)
1. Alambrar el circuito de la figura II.1.
2. Aplicar el voltaje de alimentación los amplificadores y poner un canal del osciloscopio a
la entrada de voltaje y el otro canal a la salida.
Para un Vin = 100mVp-p (senoidal) complete la siguiente tabla:
Frecuencia
1 Hz
10 Hz
100 Hz
1 kHz
10 kHz
100 kHz
1 MHz
10 MHz (si se
puede)
Vin (741)
Vout (741)
Vin (081)
Vout (081)
3. Cambie la resistencia de retroalimentación por una de 100kΩ y llene la tabla del punto 2.
4. Cambie la resistencia de retroalimentación por una de 10 kΩ y llene la table del punto 2.
Utilice un Vin = 1Vp-p
5. Dibuje las gráficas (Vout vs Frecuencia) y (Aol vs Frecuencia).
6. Para los incisos 2, 3 y 4 obtenga la frecuencia de corte.
Cuál es el ancho de banda de lazo abierto del operacional 741 y del 081?
Cuál es el ancho de banda máximo de lazo cerrado para el 741 y el 081?
Rf
1M
+15V
Vi
Ri
10K
2
R3
3
7
-
741/
081
Vo
6
+
4
2K
10K
-15V
Osciloscopio
Figura II.1 Circuito para la medición de la ganancia de lazo abierto
Laboratorio de Electrónica III
Práctica III
Amplificador Inversor
Comportamiento del circuito
R 
El voltaje de salida Vo está dado por: Vo = − 2  ⋅ Vi .
 R1 
En un amplificador operacional (Voltaje-Voltaje, V-V) al tener una ganancia muy
grande se debe cumplir que la diferencia de voltaje entre sus entradas sea cero; en estos
casos se tiene que en el punto A el voltaje es cero debido a que la otra entrada está en tierra,
de manera que:
V 
Vi
= − o ; I i = − I R ; I i + I R = 0
R1
 R2 
por lo tanto:
R 
Vo = − 2 
 R1 
Descripción
Se utiliza un amplificador operacional de voltaje-voltaje como se muestra en la
figura III.1; se aprovechan sus características fundamentales de alta ganancia, lo que hace
que su comportamiento sea el de un amplificador inversor. La ganancia será igual a
− 

R2
 y la impedancia de entrada por considerarse (A) como tierra virtual es R .
1
R1 
R2
47K
+V
Vi
R1
10K
(A)
Vo
+
-V
Figura III.1 Amplificador inversor.
Comprobación
Realizar el siguiente procedimiento circuitos 741. Reportar los puntos 1 y 2 en una tabla.
1. Armar el circuito mostrado en la figura III.1 y alimentarlo con fuentes de ± 15V con
tierra común. Excitar con voltaje de entrada igual a 0V CD, +1V CD y –1V CD; medir
Vo y VA.
2. Obtener la ganancia del amplificador.
3. Obtener la señal de salida para una señal de excitación de CA de 1 y 2 Vpp para
frecuencias de 500 Hz, 1KHz, 2KHz, 10KHz, 100KHz, 500KHz, 1MHz (si el
generador lo permite). Observar el comportamiento de cada operacional.
Formular y reportar conclusiones.
Laboratorio de Electrónica III
Práctica IV
Amplificador No Inversor
Comportamiento del circuito
En la figura IV.1 se muestra el diagrama del amplificador no inversor.

R 
El voltaje de salida Vo para el circuito de la figura IV.1 está dado por: Vo = 1 + 3  ⋅ Vi .
 R2 
En un amplificador operacional (Voltaje-Voltaje, V-V) al tener una ganancia muy
grande se debe cumplir que la diferencia de voltaje entre sus entradas sea cero; en estos
casos se tiene que en el punto A el voltaje es cero debido a que la otra entrada está en tierra,
de manera que:
V 
Vi
= − o ; I i = − I R ; I i + I R = 0
R1
 R2 
por lo tanto:
R 
Vo = − 2 
 R1 
Descripción
Se utiliza un amplificador operacional de voltaje-voltaje como se muestra en la
figura IV.1; se aprovechan sus características fundamentales de alta ganancia, lo que hace
que su comportamiento sea el de un amplificador inversor. La ganancia será igual a
− 

R2
 y la impedancia de entrada por considerarse (A) como tierra virtual es R .
1
R1 
R2
47K
+V
R1
10K
(A)
Vo
+
R1
Vi
-V
10K
Figura IV.1 Amplificador no inversor.
Comprobación
Realizar el siguiente procedimiento con circuitos TL081. Reportar los puntos 1 y 2 en una
tabla.
1. Armar el circuito mostrado en la figura IV.1 y alimentarlo con fuentes de ± 15V
con tierra común. Excitar con voltaje de entrada igual a 0V CD, +1V CD y –1V
CD; medir Vo y VA.
2. Obtener la ganancia del amplificador.
3. Obtener la señal de salida para una señal de excitación de CA de 1 y 2 Vpp para
frecuencias de 500 Hz, 1KHz, 2KHz, 100KHz, 500KHz, 1MHz (si el generador lo
permite). Observar el comportamiento de cada operacional.
Formular y reportar conclusiones.
Laboratorio de Electrónica III
Práctica V
Amplificador Sumador Inversor
Comportamiento del circuito
En la figura V.1 se muestra el diagrama del amplificador sumador inversor.
V1
I1
R1
I2
R2
R4
I4
22K
10K
V2
+V
10K
V3
I3
R3
22K
-
(A)
Vo
(B)
R5
+
4.7K
-V
Figura V.1. Amplificador sumador inversor.
De donde R5 = R1 // R2 // R3.
Debido a que la terminal no inversora está a tierra a través de una resistencia R5 y,
por las características de alta ganancia del amplificador operacional, el voltaje en A debe
ser cero, por lo que se considera una tierra virtual y se puede establecer que:
I1 + I2 + I3 + I4 = 0
Como se tiene una alta impedancia de entrada hacia la entrada inversora del operacional,
entonces:
V
V1 V2 V3
+
+
=− o .
R1 R2 R3
R4
Por lo tanto:
V V
V 
Vo = − R4  1 + 2 + 3 
 R1 R2 R3 
El comportamiento es de un sumador inversor cuya salida depende de la suma de los
voltajes V1, V2, V3 y de las resistencias R1, R2, R3 y R4.
Descripción
Al usar un circuito amplificador inversor básico y agregarle otras fuentes de
excitación, se aprovecha la ventaja de tener una tierra virtual en A, lo cual hace que en ese
nodo se sumen las corrientes sin que los voltajes de excitación se afecten uno al otro por
efecto de la retroalimentación. De esta manera, el efecto de sumar las corrientes en el nodo
A resulta en una suma de voltajes a la salida dando por conclusión que el circuito se
comporta como un sumador inversor, y que cada excitación puede además ponderarse en
función de la relación de resistencias de entrada, es decir R5 = R1 // R2 // R3 con objeto de
reducir el desbalance de corriente en la entrada del operacional.
Comprobación
Realizar el siguiente procedimiento con circuitos TL081. Reportar los puntos 1 y 2 en una
tabla.
1. Armar el circuito mostrado en la figura V.1 y alimentarlo con fuentes de ± 12V con
tierra común. Excitar con voltajes de entrada: V1 = 1 VCD, V2 = 1 VCD, V3 = 1
VCD; medir Vo y VA.
2. Excitar con voltajes de entrada: V1 = 1 VCD, V2 = -1 VCD, V3 = -1 VCD; medir Vo
y VA.
3. Obtener la señal de salida para una señal de excitación (V1) de CA de 1 y 2 Vpp para
frecuencias de 500 Hz, 1KHz, 2KHz, 5KHz, 10KHz y 100 KHz. Hacer V2 = 1 y -1
VCD y V3 = 0 VCD. Observar las señales de salida-entrada y compárelas.
Formular y reportar conclusiones.
Laboratorio de Electrónica III
Práctica VI
Amplificador Sumador No Inversor
Comportamiento del circuito
En la figura VI.1 se muestra el diagrama del amplificador sumador no inversor.
R2
100K
+V
R1
(A)
100K
R3
(B)
V1
V2
Vo
+
100K
R4
-V
100K
V3
R5
100K
Figura VI.1. Amplificador sumador no inversor.
Si solo se conectan R3 y R4, se tiene que:
Vo = V1 + V2 ,
si:
R3
R1
R4
,
=
+
R1 + R2 R4 + R3 R4 + R3
si se conecta también R5,
2
(V1 + V2 + V3 ) .
3
Para este circuito, se debe tomar en cuenta que la impedancia en las entradas del
Vo =
operacional es muy grande, por lo que el voltaje en B al considerar solamente V1, V2, R3 y
R4 es:
V R
V R
V1 R4
+ 2 3 = VA = o 1 .
R3 + R4 R3 + R4
R1 + R2
Por lo tanto, si R1 = R2 = R3 = R4 = 100K, entonces Vo = V1 + V2. Si se considera R5 =
VB =
100K,
VB =
V1 R4 // R5
V R // R5
V R // R4
R1
.
+ 2 3
+ 3 3
= V A = Vo
R4 // R5 + R3 R3 // R5 + R3 R3 // R4 + R5
R1 + R2
 R + R2
Si R3 = R4 = R5, entonces: Vo =  1
 R1
 V1 + V2 + V3 

.
3


2
Si R2 = R1, entonces: Vo =  (V1 + V2 + V3 ) .
3
Si R2 = 2R1, entonces: Vo = V1 + V2 + V3 , y así sucesivamente.
Descripción
En este circuito se utiliza en amplificador no inversor como base y se aprovecha el
hecho de que la impedancia de entrada en estos circuitos es alta, de tal forma que el nodo B
se comporta como el punto donde se conectan diferentes excitaciones a través de una
resistencia y, para conocer el voltaje en dicho nodo se utiliza el teorema de superposición.
Después se utiliza la ventaja que presentan estos circuitos de reflejar el voltaje de una
entrada a la otra. Aprovechándose la característica de alta ganancia que es intrínseca al
operacional, se pueden relacionar los voltajes de excitación con el voltaje de salida, sin
embargo, como se ve en el análisis matemático del comportamiento, se requiere tener
cuidado con los valores de las resistencias si se quiere tener sumas ponderadas, ya que el
mover uno de ellos afecta el comportamiento final, principalmente las de excitación.
Asimismo, se deben considerar las resistencias en serie de las fuentes para obtener el
voltaje de salida real o utilizar seguidores de voltaje para aislar las fuentes.
Comprobación
Realizar el siguiente procedimiento con circuitos 741. Reportar los puntos 1 y 2 en una
tabla.
1. Armar el circuito mostrado en la figura VI.1 y alimentarlo con fuentes de ± 12 VCD
con tierra común. Conectar V1 = 2 VCD, V2 = 3 VCD y dejar V3 al aire. Medir VA,
VB y Vo.
2. Excitar con voltajes de entrada: V1 = 2 VCD, V2 = 1 VCD, V3 = 3 VCD; medir VA,
VB y Vo.
3. Obtener la señal de salida para una señal de excitación (V1) de CA de 1 y 2 Vpp para
frecuencias de 500 Hz, 1KHz, 2KHz, 5KHz, 10KHz y 100 KHz. Hacer V2 = 1 y -1
VCD y V3 = 0 VCD. Observar las señales de salida-entrada y compárelas.
Formular y reportar conclusiones.
Laboratorio de Electrónica III
Práctica VII
Diferenciador e Integrador
Operación de un diferenciador.
1. Arme el circuito de la figura VII.1.
Figura VII.1 Circuito diferenciador
2. En el osciloscopio establecer:
• Canal 1: 0.5 volts/división.
• Canal 2: 0.05 volts/división.
• Base de tiempo: 0.5 mseg/división.
• Acoplo DC.
3. Ajuste un voltaje de pico a pico de una señal de entrada triangular a 1 volt (0.5 volts de
pico) y la frecuencia a 400Hz (2 ciclos completos). Debes tener en el canal 2 la señal de
salida igual a una onda cuadrada defasada 180º con respecto a la entrada.
4. Mida el voltaje de pico negativo de la onda cuadrada (con respecto a tierra), apuntando el
resultado.
Voltaje de pico negativo = ____________ volts
5. Ahora mida el periodo de tiempo para el cual el voltaje de onda cuadrada es negativo
(t1). Si la frecuencia de entrada es exactamente 400Hz y simétrica, se debe medir
aproximadamente 1.25 mseg.
6. Para el voltaje de salida negativo, la ecuación para el pico de voltaje de salida de una
onda triangular diferenciada cuadrada está dado por:
2 R CV
(Vo ) pico = − f i
t1
¿Cómo es el valor que determinaste en el paso 4 con respecto al valor obtenido
matemáticamente?
7. Cambie la base de tiempo a 0.2 mseg/división y en el canal 2 a 0.1 volts/división. Ahora
ajuste la frecuencia de entrada para obtener 2 ciclos completos (1khz). Repetir los pasos 4,5
y 6. ¿Cómo son sus resultados con respecto a los calculados?
8. Ahora cambie la base de tiempo a 10 µseg/división y el canal 2 a 2volts/división. Ajuste
la frecuencia de manera que complete 3 ciclos (30khz). Cómo es la señal de salida?
Dibújela.
9. Mida el voltaje de salida pico a pico y determine la ganancia de voltaje. Es la esperada?
Repetir el experimento con TL081.
10. Alambre el circuito de la figura VII.2.
11. Para un voltaje de entrada Vi = ±2V triangular a una frecuencia de 2kHz, obtenga el
voltaje de salida Vo. Dibuje la señal de salida.
12. Cambie el tipo de señal a una entrada cuadrada con las mismas características del inciso
anterior; obtenga el voltaje de salida y dibuje la forma de onda.
13. ¿Qué pasa si se le quita el capacitor C2. Dibuje la señal de salida.
14. Conclusiones sobre el circuito diferenciador. Repetir el experimento con TL081.
Integrador
1. Arme el circuito de la figura VII.3.
Figura VII.3 Circuito integrador
2. En el osciloscopio tenga:
• Canales 1 y 2: 0.5volts/división.
• Base de tiempo: 20 µseg/división.
• Acoplo en dc.
3. Ajuste un voltaje de entrada pico a pico de onda cuadrada en 1 volt (0.5 volts de pico) y a
una frecuencia de 10khz. Debes de obtener en la salida una señal triangular defasada
180º con respecto a la de entrada.
4. Mida el voltaje de pico negativo de la onda triangular, apuntando el resultado.
Voltaje de pico negativo = ____________volts
5. Ahora mida el periodo de tiempo para el cual al voltaje de onda cuadrada le toma
completar medio ciclo (t). Si la frecuencia de entrada es simétrica y de 10KHz, tu debes de
medir aproximadamente 50seg.
6. Para una señal cuadrada de entrada, el voltaje de salida pico a pico de una onda
triangular está dado por:
Vt
(Vo ) pico− pico = − i
R1C
Cómo es el valor que determinaste en el paso 4 con respecto al valor obtenido
matemáticamente?
7. Cambie el tiempo base del osciloscopio a 50 µseg/división y los canales 1 y 2 a 1
volts/división. Ahora ajuste la frecuencia de entrada de manera que tenga 2 ciclos
completos (4kHz). Repetir los pasos 4,5 y 6. ¿Cómo son sus resultados con respecto a los
calculados?
8. Ahora cambie la base de tiempo a 2 mseg/división y el canal 2 a 5 volts/división. Ajuste
la frecuencia de manera que complete 2 ciclos (100Hz). ¿Cómo es la señal de salida?
Dibújela.
9. Mida el voltaje de salida pico a pico y determine la ganancia de voltaje. ¿Es la esperada?
10. Repetir el experimento con TL081
11. Conclusiones sobre el circuito diferenciador.
Laboratorio de Electrónica III
Práctica VIII
Comparadores
1. Alambrar el circuito de la figura VIII.1
Figura VIII.1 Circuito Comparador
2. Ajuste en el osciloscopio:
• Canal 1: 1volt/división.
• Base de tiempo: 1msec/división.
• Acoplo en DC.
Vo = -Vsat (led apagado)
Cuando:
Vi < Vref
Vi > Vref
Vo = +Vsat (led encendido)
3. Dependiendo del ajuste del potenciómetro, el led puede o no iluminarse. Si el led esta
encendido, gire el potenciómetro hasta que se apague.
4. Con el osciloscopio mida el voltaje en el pin 2 del op-amp y escriba el resultado.
Vref = _________ volts
5. Ahora mida con el osciloscopio en el pin 3 del op-amp. Mientras observa el led, varíe el
potenciómetro hasta que el led encienda. Mida el voltaje y anótelo.
(Vi)led encendido = ___________ volts
¿Cómo es este valor comparado con el del paso 4?
6. Desconecte las fuentes. Verifique la operación del comparador no inversor variando la
resistencia R1, y repetir desde el paso 3 al 5, de acuerdo a la siguiente tabla:
R1
1kΩ
2.2kΩ
5.6kΩ
Repetir para TL081.
Vref medido
(Vi)led encendido
Comparador como convertidor de onda senoidal a cuadrada.
1. Alambrar el circuito de la figura VIII.2.
Figura VIII.2 Comparador como convertidor de onda senoidal a cuadrada.
2. Ajuste en el osciloscopio:
• Canal 1: 1volt/división.
• Canal 2: 10volts/división.
• Base de tiempo: 1msec/división.
• Acoplo en DC.
3. Ajuste el voltaje de entrada pico a pico a 3 volts; también ajuste la frecuencia a 300 Hz.
¿Cuál es la polaridad del voltaje de salida cuando la señal de entrada es positiva? y cuando
es negativa? Dibuje las formas de onda.
4. Invierta las conexiones de las entradas, tal que la señal senoidal sea aplicada en la
entrada no inversora, mientras que la tierra se conecta a la entrada inversora. Aplique el
mismo voltaje de entrada a la misma frecuencia. Dibuje las señales de entrada y salida y
compárelas con las del inciso 3. ¿Qué sucedió?
5. Apague las fuentes y agregue el circuito de la figura VIII.3 a la salida del comparador no
inversor.
Figura VIII.3 Circuito a agregar.
6. Ajuste en el osciloscopio:
• Canal 1: 0.5 volts/división.
• Canal 2: 5 volts/división.
• Base de tiempo: 0.2msec/división.
• Acoplo en DC.
Ajuste una señal senoidal de 1 Vpp con una frecuencia de 1500Hz. ¿Cuál es la salida
obtenida, cuál es su valor? Dibuje las formas de onda. Repetir con TL081.
Comparador de ventana.
1. Alambrar el circuito de la figura VIII.4
Figura VIII.4 Diagrama para el comparador de ventana.
2. Ajuste en el osciloscopio:
• Canal 1: 5volts/división
• Base de tiempo: 1msec/división.
• Acoplo en DC.
3. Con el voltímetro conectado al pin 2 del primer op-amp, mida el voltaje VH, y registre el
resultado.
VH = ___________ volts
4. Ahora mida el voltaje del pin 3 del segundo op-amp, VL, registre el resultado.
VL = ___________ volts
5. Conecte el voltímetro entre tierra y el punto Vi, y varíe el potenciómetro de 50ΚΩ hasta
obtener el mínimo voltaje (aprox. 0 Volts). En el osciloscopio observe cual es la salida del
comparador de ventana.
Vout = ____________ volts
6. Suavemente varíe el potenciómetro incrementando el voltaje de entrada Vi hasta que el
voltaje de salida, que ve en el osciloscopio, repentinamente cae a cero volts. Registre el
valor del voltaje de entrada.
Vi(V0=0) = _____________ volts
¿Cómo es este valor comparado con el voltaje que determinado en el paso 4?
7. Suavemente incremente el voltaje de entrada hasta que en la salida tenga un voltaje igual
al de saturación. En este punto mide el voltaje de entrada con el voltímetro y regístrelo.
Vi(V0=+Vsat) = ______________ volts
¿Cómo es este valor comparado con el voltaje que determinado en el paso 3?
8. Verifica la operación del comparador de ventana para un diferente conjunto de voltajes
de referencia. Cambie la resistencia de 3.3 ΚΩ a 1 ΚΩ y la resistencia de 10 ΚΩ a
4.7 ΚΩ y repita los pasos 1 al 7. Repetir para el Tl081.
Formular y reportar conclusiones
Laboratorio de Electrónica III
Práctica IX
Diseño de Filtros Activos
Un filtro es un circuito diseñado para dejar pasar una banda de frecuencias determinada,
mientras rechaza todas las demás señales cuyas frecuencias se encuentren fuera de dicha
banda. Los circuitos con filtros pueden ser activos o pasivos. Los filtros pasivos contienen
capacitores, resistencias y bobinas; mientras que los filtros activos emplean transistores o
amplificadores operacionales, resistencias y capacitores.
Filtros Butterworth Pasa Bajas 20 dB/década
En la figura IX.1 se muestra un filtro activo pasa bajas de uso común. En este circuito, el
filtrado se realiza con el circuito RC y el amplificador operacional se utiliza como
amplificador de ganancia unitaria. El filtro Butterworth de 20 dB/década tiene un
defasamiento de 45° a ωc y para cada incremento de 20 dB/década el ángulo de fase se
incrementa en 45°.
Rf
+V
Vo
R
+
Vo =
Vi
C
-V
1
Vi
1 + jωRC
Fig. IX.1 Filtro pasa bajas de 20 dB/década.
Procedimiento de diseño
1. Seleccionar la frecuencia de corte ωc, la cual se calcula mediante:
ω c = 2πf c
donde ωc es la frecuencia de corte en radianes por segundo y fc es la frecuencia de corte
en Hz.
2. Seleccionar el capacitor C, por lo general 1nF ≤ C ≤ 0.1µF
3. Sustituir C en la ec. siguiente para obtener R:
R=
1
ϖ cC
Filtro Butterworth pasa altas 20 dB/década
El filtro pasa altas atenúa todas las señales con frecuencia inferior a la frecuencia de corte
ωc especificada y deja pasar todas las señales cuya frecuencia sea mayor que la frecuencia
de corte. El defasamiento para filtros de 20 dB/década es de 45° y aumenta 45° por cada
aumento de 20 dB/década.
Rf = R
+V
C
Vo
+
Vo =
V1
R
-V
1
1− j
1
ωRC
V1
Fig. IX.2 Filtro pasa altas.
Procedimiento de diseño
1. Seleccionar la frecuencia de corte ωc, la cual se calcula mediante:
ω c = 2πf c
2. Seleccionar el valor del capacitor C, por lo general 1nF ≤ C ≤ 0.1µF
3. Sustituir C en la ec. siguiente para obtener R en:
R=
1
ϖ cC
4. Hacer Rf = R.
Filtros Butterworth pasa banda
El filtro pasa banda es un selector de frecuencia; permite seleccionar o pasar únicamente a
una banda particular de frecuencias de entre otras que pueden estar presentes en un circuito.
Los filtros se dividen en dos tipos: de banda ancha y de banda angosta. Un filtro de banda
ancha tiene un ancho de banda de dos o más veces la frecuencia de resonancia; en otras
palabras el factor de calidad Q ≤ 0.5. En general estos filtros se construyen poniendo en
cascada un filtro pasa bajas con un pasa altas. El filtro de banda angosta (Q ≥ 0.5) casi
siempre puede construirse en una sola etapa.
Filtro pasa banda de banda ancha
En general este filtro se construye poniendo en cascada un filtro pasa bajas y un pasa altas.
Las frecuencias de corte de ambos filtros no deben traslaparse y ambas deben tener la
misma ganancia en la banda de paso. La frecuencia de corte del filtro pasa bajas debe ser 10
o más veces la frecuencia de corte del filtro pasa altas.
Para filtros pasa bajas y pasa altas en cascada, el filtro de banda ancha resultante tiene las
siguientes características:
a) La frecuencia de corte inferior fL, queda determinada sólo por el filtro pasa altas.
b) La frecuencia de corte superior fH queda establecida sólo por el filtro pasa bajas.
c) La ganancia será máxima a la frecuencia de resonancia fr igual a la ganancia de la
banda de paso.
Filtro pasa banda de banda angosta
En la figura F.3 se muestra un filtro pasa banda angosta. La resistencia de entrada del filtro
queda establecida aproximadamente con la resistencia R. Si se coloca una resistencia de
retroalimentación (2R), de modo que sea el doble de la resistencia de entrada R, la ganancia
del filtro será unitaria o de 0 dB en la frecuencia de resonancia fr. Ajustando Rr es posible
cambiar o hacer el ajuste fino de la frecuencia de resonancia sin modificar el ancho de
banda o la ganancia.
Procedimiento de diseño
El ancho de banda B se determina con la resistencia R y el par de capacitores (iguales) C
mediante:
B=
0.1591
RC
donde:
B=
fr
Q
La ganancia tiene un máximo de 1 en fr, a condición de que la resistencia de
retroalimentación tenga un valor del doble de la resistencia de entrada.
C
2R
+V
C
R
Vo
V1
+
Rr
-V
Fig. F.3 Filtro pasa banda de banda estrecha.
La frecuencia de resonancia fr se determina mediante la resistencia Rr de acuerdo con:
Rr =
R
2Q 2 − 1
Cuando se conocen los valores de los componentes del circuito, la frecuencia de resonancia
se puede calcular mediante:
fr =
0.1125
R
1+
.
RC
Rr
Filtro de ranura
Los filtros de ranura eliminan las frecuencias determinadas por la banda de detección B
mientras que dejan pasar todas las demás. En la figura IX.4 se muestra como construir un
filtro de ranura. Se observa que a la señal original se le resta la salida de un filtro pasa
banda. Para las frecuencias del filtro de ranura en la banda de paso, la salida de la sección
del filtro pasa banda se aproxima a cero. Por lo tanto, el voltaje de entrada se transmite a la
salida.
Comprobación
I. Diseñar los siguientes filtros:
1. Filtro pasa bajas de con fc = 500 Hz.
2. Filtro pasa altas de fc = 500 Hz.
3. Filtro pasa banda con fl = 1000 Hz y fH = 2000 Hz.
4. Filtro rechaza banda con banda de rechazo de 1200 a 1500 Hz.
II. Simular los filtros diseñados con 741 y TL081 y obtener su diagrama de Bode.
III. Implementar dichos filtros usando cualquiera de los operacionales y comprobar su
funcionamiento excitándolos con diferentes señales. Obtener la salida de los filtros unas
dos décadas debajo de la frecuencia de corte y tres décadas arriba de su frecuencia de corte
o banda de paso y graficar.
Formular conclusiones.