pr´actica 8. an´alisis de sistemas electr´onicos: dise˜no y

PRÁCTICA 8. ANÁLISIS DE SISTEMAS
ELECTRÓNICOS: DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN
DE AMPLIFICADORES DE AUDIO Y
GENERADORES DE FUNCIÓN
1
Objetivo.
En esta práctica se van a repasar los conceptos básicos de los amplificadores y se caracterizará el comportamiento de un amplificador de audio estéreo basado en el LM3886 de National Semiconductor. Además,
se va a diseñar y evaluar un generador de ondas analógico.
2
Introducción.
2.1 Amplificadores
En casi cualquier dispositivo electrónico es necesaria la presencia de
sistemas de amplificación y/o acondicionamiento de señal. Si hablamos,
además, de sistemas de audio, es imprescindible una etapa de potencia que permita elevar la potencia de la señal procedente de cualquier
fuente de sonido indirecto (cabeza magnética, aguja de giradisco, sintonizador de radio, etc.) a unos niveles adecuados a nuestras necesidades.
El amplificador de potencia es, por tanto, un dispositivo electrónico que
tiene por misión elevar el nivel de potencia de la señal aplicada a su
entrada. A la señal de salida, se le exigirá que sea lo más parecida a la
de la entrada, en cuanto a forma y frecuencia.
A la hora de diseñar un dispositivo de este tipo debemos tener en cuenta
una serie de parámetros y conseguir que éstos se ajusten a las caracterı́sticas que deseamos tenga la etapa de potencia. Estas caracterı́sticas son inherentes al sistema donde va a ir colocado el equipo
amplificador (impedancia de entrada, sensibilidad, impedancia de sa-
1
lida, etc.). Otro punto importante en el diseño se relaciona con las
caracterı́sticas más importantes que definen a un amplificador y que
vienen en las especificaciones técnicas que determina el fabricante del
amplificador.
2.1.1 Clasificación de amplificadores
En este apartado se describen los tipos de amplificadores básicos, no el
conjunto de partes que constituyen un amplificador de potencia. Hay
cuatro tipos de amplificadores, denominados clase A, clase B clase AB
y clase C.
1. Amplificador clase A.
En este tipo de amplificador se trabaja sobre la porción lineal de
la caracterı́stica de transferencia del componente activo que se
está utilizando (transistor bipolar, FET, MOS, etc.). Debido a que,
generalmente, este fragmento de la curva de transferencia es muy
chico, sólo podemos trabajar con variaciones muy pequeñas de las
señales de entrada. O sea, la señal de entrada no puede alcanzar
los niveles de saturación o corte de lo contrario, se distorsionarı́a
la salida del amplificador. En este tipo de amplificadores aparece
una distorsión armónica mı́nima comparado con los otros tipos.
Sin embargo, su rendimiento (también llamado eficiencia) es muy
bajo y depende del tipo polarización y de la amplitud de la señal
de entrada. El rendimiento suele estar comprendido entre el 10 y
15%. En la figura 13 se muestra el funcionamiento de este tipo de
amplificadores (la señal de entrada es amplificada –tanto los valores positivos como negativos de ella– con un único transistor).
Este tipo de amplificador encuentra un extensivo uso como amplificador de tensión para pequeña señal y, aunque menos común,
como etapa de potencia en algunos aparatos.
2. Amplificador clase B.
Los amplificadores clase B son aquellos que trabajan cerca de la
región de corte. Lógicamente, cuando se dice “trabajar”, se hace
referencia al componente activo (transistor). La caracterı́stica
más notoria de este tipo de amplificadores es su elevado rendimiento (entre el 60 y 70%) pero tiene en su contra una distorsión
2
Figura 1: Amplificador de clase A.
armónica elevada. Sin embargo, la distorsión para señales de
radiofrecuencia (RF) es bastante aceptable. En la figura 14 se
muestra el funcionamiento de este tipo de amplificadores. Estos
amplificadores sólo amplifican un semiciclo de la onda. Utilizados
como amplificadores de audio requieren del empleo de dos elementos activos (uno para los semiciclos positivos de la onda de
entrada y otro para los negativos). Con ésto, se evita la distorsión
cuando se trabaja con señales de gran amplitud (si sólo se tuviese
un transistor, se recortarı́a prácticamente toda la zona de señal
inversa). Ası́ pues, se hace preciso tratar cada semiciclo por separado.
Figura 2: Amplificador clase B.
3. Amplificador clase AB.
Cuando se necesita una señal de salida mucho más grande que la
que nos proporciona el amplificador de clase A, se recurre al amplificador clase AB. En éste, circula, continuamente, una pequeña
corriente de polarización (aunque no haya excitación a su entrada)
evitándose, con ello, la distorsión de cruce. Este tipo de amplificador es el más usado en sistemas de audio. Aunque, a veces,
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la distorsión pueda jugarnos una mala pasada sin embargo, compensa por su buen rendimiento y por la elevada potencia que se
puede obtener a la salida de este tipo de amplificadores. En la
figura 15 se muestra el funcionamiento de este tipo de amplificadores. Estos amplificadores amplifican un semiciclo completo
de la onda y una pequeña parte del otro (el dispositivo se encuentra débilmente polarizado).
Figura 3: Amplificador clase AB.
4. Amplificador clase C.
De este tipo de amplificador sólo diremos que tiene aplicación
en radiofrecuencia (RF) y que puede ser utilizado como detector
de envolvente. En audio no tiene aplicación aunque si es muy
utilizado en radiofrecuencia. En la figura 16 se muestra el funcionamiento de este tipo de amplificadores.
Figura 4: Amplificador clase C.
2.1.2 Amplificador de potencia
Un amplificador de potencia consta, generalmente, de tres secciones:
una etapa de entrada, otra etapa excitadora o intermedia y, por último,
una etapa de salida (conocida como etapa de potencia). En la figura 5
se muestra el diagrama de bloques de estos amplificadores. El sistema
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ofrece, además, una realimentación de la salida a la entrada (parte de
la señal de salida es llevada a la entrada). Esto se hace para mejorar la
estabilidad del sistema, aumentar su ganancia, corregir la impedancia
de entrada y salida, etc.
Figura 5: Diagrama de bloques de un amplificador de potencia.
Generalmente, un amplificador de potencia de tipo comercial viene equipado con preamplificador (o selector de entradas). Este dispositivo
electrónico controla el tono, volumen, ecualizador (si lo lleva), etc. Se
estudiará, exclusivamente, el amplificador de potencia como tal.
1. Etapa de entrada.
La misión de esta etapa amplificadora es garantizar una buena
estabilidad del amplificador de audio frente a cualquier variación
de la tensión de alimentación, con lo que se hace innecesario que
ésta sea estabilizada (se consigue, con ello, una disminución del
coste del amplificador de potencia). Además, se obtiene una completa independencia entre el circuito de realimentación y la entrada del módulo evitando cualquier tipo de influencias sobre la
unidad anterior de tonos (previo). Estas etapas suelen estar montadas como amplificadores diferenciales cuando llevan alimentación simétrica (+Vcc, 0, ;Vcc) y, cuando la alimentación es única
(+Vcc , 0), suelen incorporar un transistor como amplificador de
clase A.
La etapa de entrada, normalmente, se implementa mediante un
amplificador diferencial cuya misión es, en general, la de amplificar la diferencia entre dos señales. La estructura básica de un
amplificador diferencial se muestra en la figura 6. Esta etapa
5
Figura 6: Etapa de entrada de un amplificador de potencia. (a) Amplificador diferencial básico. (b) Amplificador diferencial con sus componentes electrónicos (los transistores T1 y T2 deben de ser lo más
parecido posible).
suele formar parte de un amplificador operacional integrado con
entrada diferencial.
En un amplificador diferencial ideal, la señal de salida vendrá
dada por la ecuación (1).
Vs = Gd (V ; V ) = Gd Vd
1
2
(1)
Donde Gd es la ganancia del amplificador diferencial y V1 y V2 las
tensiones de entrada al amplificador. Ası́, cualquier señal común
a ambas entradas será eliminada de la salida cuando ésta se mida
entre uno de los colectores y tierra y el circuito sea simétrico.
En la práctica, no suele cumplirse estrictamente lo dicho anteriormente porque, en general, la salida no sólo dependerá de la
señal diferencia (Vd ) de las dos señales de entrada sino, también,
del valor medio de ellas (Vc = 0:5 (V1 + V2 )) denominado señal de
modo común.
Para evaluar, de forma matemática, el nivel de señal en modo
común que entrega, a la salida, un amplificador diferencial se define el factor conocido como relación de rechazo del modo común.
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La salida del amplificador diferencial (figura 6(a)) se puede expresar como combinación lineal de las dos tensiones de entrada, V1 y
V2 respectivamente, teniendo entonces que Vs = G1 V1 + G2 V2 =
Gd Vd + Gc Vc, donde G1 y G2 son las ganancias de amplificación a
la salida de las entradas V1 y V2 , respectivamente, y Gc = G1 + G2 y
Gd = 0:5 (G1 + G2) son las ganancias de amplificación de la tensión
en modo diferencial, Vd , y en modo común, Vc, a la entrada del amplificador.
Naturalmente, se desea tener un valor grande de Gd y nulo, en el
caso ideal, de Gc . Esto último no se cumple en los amplificadores
reales. Por ello, se define un factor que permita cuantificar la
proporción de señal en modo común, la relación de rechazo del
modo común (CMRR) que se expresa como sigue:
CMRR = 10 log(Gd=Gc)(dB )
(2)
Cuanto mayor sea CMRR, menos se amplifica el modo común. El
valor de la resistencia RE (figura 6) ha de ser grande. Su misión
es que por ella circule una corriente lo más constante posible.
2. Etapa intermedia.
Esta etapa consta, habitualmente, de un transistor trabajando
como amplificador de tensión en clase A. Generalmente, el acoplamiento es directo con lo que se consigue, al mismo tiempo, su polarización en continua. Su misión es la de excitar la etapa de
potencia o salida.
En la etapa de salida, en amplificadores de media y alta potencia, se usan transistores Darlington o dispositivos electrónicos
que posean una ganancia en corriente muy elevada pero con una
amplificación de tensión muy baja. De ahı́ que en la etapa intermedia se realice una amplificación de la tensión antes de pasar la
señal a la etapa de salida.
3. Etapa de salida.
Esta parte del amplificador es la responsable de entregar potencia
a la carga (altavoz) conectada a su salida. Existen varias formas
de configurar esta etapa, atendiendo a la cantidad de potencia que
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se tiene que suministrar, al factor distorsión y ancho de banda
deseados, etc. Ası́ pues, cuando vayamos a diseñar esta etapa de
potencia se tendrán en cuenta todos estos factores, o aquellos que
se consideren más importantes y, atendiendo a estos factores, se
utilizará una configuración u otra.
2.1.3 Caracterización de los amplificadores de audio
Veamos las caracterı́sticas más importantes de un amplificador de potencia. Estas caracterı́sticas forman parte de las especificaciones técnicas que nos dan los fabricantes de amplificadores. Veamos cómo se
interpretan estos términos.
Las caracterı́sticas más importantes que suelen ofrecer los fabricantes
de amplificadores de audio son las siguientes:
Potencia de salida: Power output.
– Potencia eficaz (continua): Continuous power.
– Potencia musical (dinámica): Music power.
Respuesta en frecuencia: Frequency response.
Relación potencia–ancho de banda: Power bandwidth.
Sensibilidad de entrada: Input level.
Relación señal/ruido: Signal–to–noise ratio.
Distorsión armónica total: Harmonic distortion.
Distorsión de intermodulación: Intermodulation distortion.
Factor de amortiguamiento: Damping factor.
Impedancia de entrada: Input impedance.
Ruido residual: Residual noise.
Podemos decir que estas medidas son las que habitualmente nos proporcionan los fabricantes. Esto no significa que no existan otras especificaciones. Si aparecen otras especificaciones, éstas derivan de las
expuestas y sirven para facilitar la comprensión del amplificador.
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1. Potencia de salida.
Hace referencia a la máxima potencia que entregará el amplificador a la carga (altavoces). Sin embargo, hay que diferenciar
entre dos tipos de potencia de salida que suele dar el fabricante
en sus especificaciones técnicas. Éstas son la potencia continua
o eficaz y la potencia musical o dinámica. Veamos cada una de
ellas.
(a) Potencia continua o eficaz. Es la máxima potencia que realmente tendremos a la salida del amplificador. También suele
llamarse senoidal, RMS o nominal. Esta potencia máxima se
cumple para una distorsión armónica menor del 1%. Viene
dada en vatios. Para el caso de un amplificador monofónico
(un único canal), por ejemplo serı́a 40w mientras que para
uno estereofónico (dos canales) vendrı́a dada como 40w +40w .
Lógicamente, esta potencia se fija para una determinada carga (4, 8 ó 16 ). Generalmente, se indica el valor de la carga
para la que se determina el máximo valor de potencia continua o eficaz.
(b) Potencia musical o dinámica. La potencia musical expresa la
capacidad de respuesta del equipo ante determinados picos
de potencia de alto nivel y corta duración. Un buen amplificador no debe presentar un gran desnivel entre potencia
eficaz y musical.
Estos valores, indicados por el fabricante, se miden mediante un
proceso que cumpla alguna norma preestablecida. Según la norma
DIN, las medidas de potencia se deben realizar con una señal de
entrada pura senoidal y a una frecuencia de 1KHz .
2. Respuesta de frecuencia.
La norma IHF indica que debe especificarse el ancho de banda
en el que trabaja el equipo, señalando los dos extremos (valores
máximo y mı́nimo) del mismo. Para ello se debe considerar que, en
toda la banda pasante, existe una respuesta en potencia que varı́a
en un máximo de +1:5dB con respecto a la potencia nominal. Se
debe especificar, también, la impedancia de carga.
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Figura 7: Representación de la tensión de pico máxima y de la tensión
eficaz.
La norma DIN, por su lado, especifica una disminución máxima
de 3dB en la potencia de salida medida a las frecuencias extremas
de la banda. Incluye, también, un espectro de frecuencias, comprendido entre 40Hz y 12:5KHz , que considera como ancho de
banda mı́nimo admisible. Extiende todo el estudio desde la potencia nominal de salida hasta un valor de 20dB por debajo de la
misma (un 1% de la potencia nominal).
3. Relación potencia–ancho de banda.
La relación potencia–ancho de banda es el rango de frecuencias
en el que el amplificador entrega, por lo menos, la mitad de su
potencia, sin exceder el lı́mite de distorsión armónica (el 1%). Por
ejemplo, si en las especificaciones de un amplificador, la potencia
eficaz es de 20w (ó 20w + 20w) con el 1% de distorsión armónica
entonces, la relación potencia–ancho de banda en el margen de
20Hz a 30KHz quiere decir que el amplificador entregará 10w entre 20Hz y 30KHz con una distorsión no superior al 1%.
4. Sensibilidad de entrada.
Es el mı́nimo nivel de entrada que hay que darle al amplificador
para que entregue la máxima potencia sobre la carga. Este nivel
10
Figura 8: Respuesta de la potencia en función de la frecuencia. El
ancho de banda se determina para una caı́da de 3dB a partir de la
potencia nominal máxima.
Figura 9: Relación potencia–ancho de banda.
suele girar entre los 0:1 y 1V y debe aproximarse al nivel de salida
del preamplificador (etapa anterior a la de potencia). Lógicamente,
ésto sólo es válido si se dispone de previo y etapa de potencia separados.
5. Relación señal–ruido.
Es la relación entre los valores eficaces de la señal y el ruido que
aparecen a la salida del amplificador, al máximo volumen y con
los controles de tonos en la posición media.
Según la norma IHF, se mide para una potencia de salida de 1w
eficaz, poniendo entre los dos terminales de entrada una resistencia de 1K . La medida se debe especificar en dB. Para realizar la
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medida se emplea un filtro que promedie el ruido y que tenga en
cuenta algunas frecuencias a las que el ruido resulta más molesto
al oı́do que otras. Este filtro se conoce como A.
La norma DIN admite una cifra mı́nima de 50dB referida a una
señal de 1KHz y para una potencia nominal de 0:05w por canal.
La relación señal/ruido suele darse, en las especificaciones del
equipo, para cada entrada. Por ejemplo, PHONO 65dB , AUX
70dB .
6. Distorsión armónica total.
Distorsión armónica es la suma de todas las señales a la salida
que son múltiplos de las componentes de entrada. Suele venir
expresada en tanto por cien o sobre el total presente a la salida
del amplificador.
Según la norma IHF, este factor se debe medir, a la potencia nominal, en toda la banda definida por la respuesta en frecuencia
del equipo. En la norma DIN se permite hasta un máximo del 1%
para todas las potencias de salida comprendidas entre la nominal
y otra inferior en 20dB a ésta (todo ello medido dentro de la banda
definida en la respuesta en frecuencia).
Figura 10: Análisis de la distorsión armónica total.
7. Distorsión de intermodulación.
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Aparece cuando dos señales, de diferentes frecuencias, se suman
en un circuito no lineal, y se aplica el resultado a la entrada del
amplificador de audio. La onda resultado genera una onda con
dos tonos fundamentales (la frecuencia suma y la frecuencia diferencia de las señales originales). Esta composición aparece, a la
salida, como sonidos disonantes de frecuencia elevada o baja, interfiriendo con el sonido original y, en muchos casos, dando lugar
a ruido.
La norma IHF recomienda que se mida empleando dos señales de
60Hz y 7KHz, respectivamente, con una relación de amplitudes
de 4 a 1 para una potencia de salida igual a la nominal y una
impedancia de carga especificada.
Según la norma DIN, se admite una distorsión máxima del 3%
para unas señales senoidales de prueba de 250Hz y 8KHz y la
misma relación de amplitudes que en el caso anterior (4 a 1).
Figura 11: Análisis de la distorsión de intermodulacin.
8. Factor de amortiguamiento.
Es un parámetro que expresa la capacidad del amplificador para
amortiguar las vibraciones remanentes que se producen en el altavoz, después de haber aplicado la señal eléctrica (ésto genera
un sonido residual que se mezcla con el que produce la siguiente
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señal eléctrica aplicada, produciéndose efectos no deseables). Se
expresa como el cociente entre la impedancia de carga y la interna
del amplificador. Cuanto mayor sea el cociente, mejor factor de
amortiguamiento presenta el amplificador. La norma DIN señala,
como mı́nimo, un valor de 3 dentro del margen comprendido entre
40Hz y 12:5KHz.
Figura 12: Efecto del factor de amortiguamiento sobre la señal de salida.
9. Impedancia de entrada.
La norma IHS indica que deberá definirse la resistencia y la capacidad paralela asociadas a cada entrada. La norma DIN especifica lo mismo pero a una frecuencia de 1KHz y establece un valor
mı́nimo, para las entradas lineales (magnetófono, sintonizador,
auxiliar), de 470K y para las no lineales, o cuando se requiere
ecualización (fonochasis), de 47K .
10. Ruido residual.
Este término expresa la cantidad de ruido generado, constantemente, por el amplificador independientemente de donde se encuentren los mandos de control (volumen, tonos, etc.). Un buen
amplificador, que se considere HI–FI (de alta fidelidad), no debe
de exceder su ruido residual de 5mV ó 3w .
2.2 Generadores de ondas
Uno de los equipos imprescindibles en un laboratorio de instrumentación para analizar el comportamiento de circuitos, tanto analógicos
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como digitales, es el generador de ondas.
Las caracterı́sticas que debe cumplir un generador de ondas están determinadas por una serie de condicionantes que limitan, en gran medida, su modo de funcionamiento. Debido a la gran cantidad de posibles
aplicaciones en las que resulta interesante el uso de estos equipos, éstos
deben ser muy versátiles, con varias formas de onda y amplitud variable a la salida. Además, la frecuencia y amplitud de salida deben ser
lo más estable posible, especialmente en lo referente a la temperatura
que alcance el equipo.
Las ondas de salida tı́picas que ofrece un generador de funciones son:
Senoidad. Imprescindible, por ejemplo, en el análisis del ancho
de banda de amplificadores y para verificar el comportamiento de
filtros. Para ello, la salida que genere el instrumento debe tener
una baja distorsión en todo el rango de funcionamiento del equipo.
Cuadrada. Interesante para el análisis de circuitos digitales o
para determinar los tiempos de subida y bajada de un determinado sistema. En estos casos, puede resultar útil disponer de un
generador de onda cuadrada en el que se pueda variar el duty
cycle o la simetrı́a entre los pulsos de encendido y apagado de la
onda.
Triangular. Útil para generar señales linealmente variables con
el tiempo.
El rango de funcionamiento del generador no suele superar los pocos
MHz. Un rango más elevado implicarı́a un coste excesivo del equipo
(aparecen, entonces, los denominados generadores de RF).
El generador de ondas puede considerarse como un sistema formado
por tres bloques independientes:
1. Fuente de alimentación. Consta de un transformador reductor
(que a partir de los 220v de la red extrae una tensión menor y
más fácilmente manejable en el secundario), un rectificador (que
convierte la tensión AC en DC–pulsante), un filtro paso bajo (que
limita la componente de AC que llega a la entrada del siguiente
elemento) y un regulador serie (elemento que fija una tensión DC
a su salida, independientemente de las variaciones de la tensión
a su entrada y de la carga que suministra el circuito).
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2. Oscilador. Circuito capaz de mantener una señal periódica a la
salida mediante la conversión de potencia continua en alterna debido al empleo de un amplificador de alta ganancia cuya salida es
realimentada a la entrada. Cuando se realimenta la entrada de
un amplificador con una parte ( ) de la salida, se consigue una
nueva ganancia entre la salida y entrada del circuito (Anew ) que
se relaciona con la ganancia antigua (en bucle abierto, A) por la
expresión: Anew = 1;AA .
Si (1 ; A ) = 0, la ganancia del sistema realimentado es infinita
(comportamiento oscilante con saturación). El oscilador es un sistema realimentado con ganancia infinita que tiene que cumplir
las condiciones conocidas como criterios de oscilación de Barkhausen (es necesaria la existencia de una perturbación inicial a la entrada, que dará lugar a una oscilación –que se mantiene indefinidamente– de una amplitud que depende de la de la perturbación,
siendo la frecuencia de la señal la que hace que el módulo de la
expresión (1 ; A ) sea cero y el desfase 0o ó 360o ). Este funcionamiento se denomina oscilador ideal y, en la práctica, no es
posible. En la práctica, en el oscilador real, la frecuencia de oscilación es la que produce desfase nulo con realimentación positiva, condiciones en las que la perturbación genera oscilaciones
crecientes hasta que satura el amplificador y la ganancia A disminuye hasta acercarse a la unidad. La frecuencia de oscilación
no se corresponde, exactamente, con el ángulo de desfase cero del
amplificador no saturado aunque se acerca mucho a ese valor y,
además, la amplitud no depende de la perturbación inicial sino
que depende de la saturación del amplificador.
Los osciladores senoidales son, fundamentalmente, de dos tipos:
Osciladores de redes desfasadas. Constan de una red que
genera el desfase requerido (0 ó 360o ) mediante resistencias y
condensadores. Dentro de este tipo, los más comunes son los
osciladores R–C, los de puente de Wien y los de T puenteada.
Osciladores de circuitos resonantes. Se conocen como osciladores L–C por estar constituı́dos por un circuito tanque
de condensador e inductancia. La frecuencia de oscilación es
la que genera un desfase nulo, muy parecida a la de resonan16
cia del conjunto. Dentro de este tipo se distinguen otros dos,
unos denominados osciladores de acoplo inductivo (sintonizados en drenador o puerta para transistores FET y en colector
o base en transistores bipolares) y los que no tienen acoplo
inductivo (Colpitts, Harley, Clapp y los de cristal de cuarzo).
3. Amplificador. Consigue la ganancia necesaria, tanto en corriente como en tensión, como para obtener la salida del generador.
Normalmente, esta salida se encuentra protegida frente a cortocircuitos (para evitar su destrucción si es mal manipulado) y,
además, debe tener un ancho de banda suficiente como para amplificar y mantener constante, sin distorsionar, la salida en todo
el rango de frecuencia del instrumento. Debe tener una elevada
impedancia de entrada (para no cargar al oscilador) y una baja
impedancia de salida.
2.2.1 Generador de funciones analógico
En esta práctica se va a evaluar el comportamiento de un generador
de ondas implementado en una placa de circuito impreso. El manejo
de este generador de ondas es muy sencillo y similar al de otros generadores analógicos que se pueden encontrar en el mercado.
En la figura 13, se muestra el esquema del generador. En las figuras
14 y 15, se muestran las caras de componentes y la de pistas asociadas
a esta placa de circuito impreso.
El sistema dispone de dos bloques, figura 13. En el primer bloque se
obtiene la alimentación de continua necesaria para el resto del circuito.
Esta parte se compone de un transformador, un rectificador de onda
completa y dos reguladores lineales LM7815 y LM7915. El segundo
bloque es el que implementa el generador de funciones. Se basa en
el integrado ICL8038, circuito capaz de generar, con gran precisión,
señales cuadradas, senoidales, triangulares y pulsos de ancho variable
(con un mı́nimo de componentes externos). La frecuencia de ocilación
puede seleccionarse, externamente, entre 0:001Hz y 300KHz mediante
el uso de diferentes resistencias y condensadores. Además, es posible
modular y generar un barrido en frecuencia utilizando una tensión de
control.
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2.2.2 ICL8038
El ICL8038 genera una señal de salida muy estable en todo el rango
de temperatura de trabajo del integrado (utilizando unos componentes
externos adecuados, se puede lograr una estabilidad, ante cambios de
temperatura, de hasta 50ppm=o C ) y de tensión de alimentación. El integrado dispone, figura 16, de dos fuentes de corriente independientes,
dos comparadores, un biestable cuya entrada es programable (la salida
de una de las dos fuentes de corriente), dos amplificadores (uno para
ondas triangulares y otro para ondas cuadradas) y un convertidor de
onda triangular a senoidal. El modo de funcionamiento de este integrado es como sigue:
Un condensador externo se carga y descarga con dos fuentes de corriente. La fuente de corriente 1 está funcionando continuamente mientras
que la fuente de corriente 2 se conecta y desconecta con el biestable
del circuito. Si la fuente 2 está desconectada, el condensador se carga
con la corriente I1 generada por la fuente de corriente 1 (la tensión del
condensador sube, linealmente, con el tiempo). Cuando la tensión en
bornas del condensador alcanza un determinado nivel (dos tercios de la
tensión de alimentación) el comparador 1 cambia el estado del biestable
que hace que entre la fuente de corriente 2. La fuente de corriente 2
genera una corriente I2 el doble de I1 , de manera que el condensador
es descargado, linealmente, con una corriente neta igual a la que genera la fuente de corriente 1. La tensión del condensador decrece, linealmente, con el tiempo hasta que alcanza un tercio de la tensión de
alimentación, momento en que el biestable cambia de estado (vuelve al
estado original) iniciándose un nuevo ciclo.
Los niveles de los generadores de corriente pueden ser seleccionados,
dentro de un amplio rango, mediante dos resistencias externas. Si se
ajustan a niveles diferentes de I e 2 I , se obtiene un diente de sierra
asimétrico y una señal rectangular de pulso variable. Por tanto, la
simetrı́a es posible ajustarla mediante dos resistencias externas Ra y
Rb conectadas entre V + y los pines 4 y 5 del integrado. Normalmente,
los terminales 7 y 8 del integrado se unen por lo que el tiempo de subida
t1 depende, directamente, de Ra y de C mientras que el de bajada t2 depende, directamente, de Ra , Rb y C e, inversamente, de (Ra ; Rb ). La
frecuencia f se determina f = t1 +1 t2 . La frecuencia de conmutación, ası́
como los tiempos de subida y bajada, no depende de la tensión de ali18
mentación del integrado debido a que los valores de I1 e I2 , ası́ como las
tensiones de referencia de entrada a los comparadores, son valores que
dependen linealmente de la alimentación y los efectos se contrarrestan
en el integrado.
Una resistencia conectada entre la pata 12 del integrado y V ; sirve
para minimizar la distorsión (niveles del orden del 1% con un potenciómetro de 80K ) de la onda senoidal generada. Para conseguir menores
niveles de distorsión (del orden del 0:5%) es necesario conectar dos potenciómetros (de 100K cada uno) en serie con sendas resistencias y
conectados entre V + y los pines 1 y 12, respectivamente, del integrado.
La selección de los valores de Ra , Rb y C depende, únicamente, del nivel
de corriente de carga (I1 e I2 ). Un nivel de I1 inferior a 1A no es deseable debido a que las corrientes de fuga de los transistores generan
errores significativos a altas temperaturas. Los mejores resultados se
logran con corrientes de carga entre 10A y 1mA. La corriente de carga
se determina, si los terminales 7 y 8 del integrado se encuentran corto1 V
.
circuitados, como I = (R1 R
+R2 )Ra
La onda cuadrada sale por el terminal 9 y es de tipo a colector abierto.
Para utilizarla, es necesario conectar una resistencia entre este terminal y la tensión positiva de alimentación.
La frecuencia de salida del generador depende, directamente, de la
tensión continua del terminal 8 respecto de V +. Variando esta tensión,
es posible conseguir la frecuencia de salida deseada. Se puede, además,
obtener una señal de salida modulada en frecuencia. Para ello, la señal
(si es pequeña y genera variaciones de frecuencia inferiores al 10%) a
modular se conectará en serie con un condensador de desacoplo al terminal 8 del circuito integrado. Si las variaciones son grandes, la señal
a modular se conecta entre V + y el terminal 8 (en este caso, la tensión
puede variar entre V + y ( V3+ ; 2)v .
2.2.3 Calibración del generador de onda
El equipo consta de las siguientes funciones:
1. Mando de puesta en marcha (ON–OFF) junto con led que indica
el encendido.
2. Entrada de control (CTRL) para la generación de pulsos cuando
aparezca un flanco de subida en esta entrada.
19
3. Salida (SIGN).
4. Mando de selección del tipo de onda (senoidal, cuadrada o triangular) de salida (I2).
5. Ajuste de la simetrı́a de la señal de salida (potenciómetro P2).
Con este mando se puede ajustar el duty cycle de la onda.
6. Mandos de selección de la frecuencia de la señal de salida (ajuste
de escala con el conmutador I1 y ajuste fino con el potenciómetro
P1).
7. Mandos de selección de la amplitud de la señal de salida (conmutador I3 para el ajuste de la escala y potenciómetro P5 para el
ejuste fino).
La calibración del instrumento se debe realizar según los siguientes
pasos:
1. Colocar todos los potenciómetros en su punto medio, el conmutador selector de frecuencia (I1) en la posición 4, el conmutador
selector de tipo de onda (I2) en la posición de onda cuadrada y el
conmutador selector de amplitud (I3) en la posición de amplitud
de salida máxima.
2. Conectar el equipo a la red de 220VAC . Comprobar que el generador está alimentado (a la salida de los reguladores lineales deben
aparecer +15V –salida del 7815– y ;15V –salida del 7915–.
3. Ajustar el potenciómetro P2 hasta que la salida cuadrada sea
simétrica (semiciclo positivo igual al negativo). Posteriormente,
mover el potenciómetro P1 hasta su tope en ambos sentidos. Comprobar que la simetrı́a permanece prácticamente constante. Si no
es ası́, actuar sobre el potenciómetro P7 y volver a repetir el proceso anterior.
4. Colocar el conmutador I2 en la posición de onda senoidal. Comprobar la forma de onda de la salida. Para disminuir la distorsión
el usuario puede proceder de la siguiente manera: Conectar la salida de un generador (preparado para generar una señal senoidal
20
de unas determinadas frecuencia y amplitud) a la entrada del osciloscopio y la salida de nuestro circuito al otro canal del osciloscopio. Intentar hacer coincidir ambas ondas (potenciómetros
P3 y P4).
5. Ajustar el nivel de offset de la salida de nuestro generador de
ondas (potenciómetro P6) hasta que éste sea cero.
6. Cambiar el conmutador I3 a las tres posiciones posible. Ajustar
los niveles de salida a valores eficaces de 0:05, 0:5 y 5V . Comprobar
que, mediante el potenciómetro P5, la salida varı́a de amplitud
entre 0 y el valor de fondo de escala fijado por el conmutador I3.
7. Colocar el conmutador I2 en la posición correspondiente a onda
triangular. Comprobar que la salida es lineal y simétrica en todo
el rango de frecuencias y de amplitud de salida.
8. Comprobar el funcionamiento del tren de impulsos. Para ello,
conectar la entrada de control a +15V . La oscilación debe interrumpirse. Conectar un generador de ondas a la entrada de
control y comprobar que el tren de impulsos a la salida de nuestro generador de ondas está controlado por la frecuencia de dicho
generador (la frecuencia del generador conectado a la entrada de
control debe ser inferior a la frecuencia de salida de nuestro generador).
3
Material necesario.
Para el análisis del amplificador de audio:
1. Amplificador de audio basado en el LM3886 de National Semiconductor.
2. 1 Osciloscopio.
3. 1 Osciloscopio con funciones de procesamiento digital.
4. 1 generador de señal de baja distorsión y un medidor de distorsión
armónica.
21
5. Otros equipos de laboratorio.
Para el análisis del generador de funciones:
1. 1 Osciloscopio.
2. 1 Osciloscopio con funciones de procesamiento digital.
3. Generador de ondas PM5135 de Philips ó HM8030 de Hameg.
4. Placa de circuito impreso (generador de ondas).
5. Otros equipos de laboratorio.
4
Realización de la práctica.
La práctica se divide en 2 partes. Cada uno de los grupos deberá realizar, al menos, una de las dos partes de la práctica (se deja a los miembros de los grupos la elección de la parte que desea realizar).
4.1 1a Parte: Amplificador de Audio
Esta práctica se va a realizar sin llegar a dar, en ningún momento,
la potencia nominal del amplificador de audio. Se trabajará con una
potencia máxima a la salida de 10w .
Analizar el circuito impreso (trabajar sin conectar carga alguna al amplificador con lo que la potencia entregada a la carga será de 0w ). Determinar cada una de las partes que componen el amplificador de audio. Utilizando los cálculos que aparecen en el datasheet (página 15),
determinar la tensión de alimentación a la placa (la carga con la que
trabajaremos, en el futuro, será de 8
). Describir y comprobar el funcionamiento del circuito (calcular la ganancia, comprobar la utilidad
del mando de volumen, determinar la tensión de pico a pico máxima de
la señal de entrada a la placa, etc. . . ).
Comprobar el rango de frecuencia audible por el oı́do humano. Para
ello, conectar a la salida del amplificador de audio el altavoz (de 4
)
que se suministra en la práctica.
22
Evaluar, utilizando los equipos disponibles en el laboratorio y alimentado el circuito con la tensión calculada previamente, las caracterı́sticas asociadas a este amplificador de audio. Explicar cómo (el método
y equipos empleados) se han determinado las diferentes caracterı́sticas.
Antes de realizar un ensayo, comentar con los monitores y el profesor
de prácticas el objetivo perseguido y la metodologı́a que se va a emplear.
Se recuerda que los ensayos que se hagan no se realizarán a la potencia
nominal del amplificador, sino a una potencia que, como máximo será
de 20w .
4.2 2a Parte: Generador de Ondas
Analizar el circuito impreso. Determinar cada una de las partes que
componen el generador. Describir y comprobar el funcionamiento de
cada parte del circuito por separado. Comprobar que el esquema se
corresponde con el que se adjunta en el enunciado de la práctica.
Calibrar el equipo.
Evaluar, como se crea oportuno, el comportamiento del generador de
señales que se ha diseñado: Determinar las caracterı́sticas de la fuente
de alimentación del sistema y del generador (diferentes rangos de funcionamiento, ancho de banda, distorsión senoidal, desviación en frecuencia, linealidad de la onda triangular, amplitud de salida, . . . –otras
caracterı́sticas que el alumno crea oportunas–).
23
Figura 13: Esquema del generador de ondas analógico.
24
J2+12
J2+13
J2+10
J2+11
J2+18
J2+20
J2+23
J2+19
J2+17
J2+14
J2+21
J2+24
J2+22
J2+15
CABLE2
RDIODO1
J4
J3
R15
R8
R9
R13
R19
C11
SALIDA
C7
P3
R20
R6
R12
J2
R22
P6
C6
C10
D6
R7
R5
R1
CONTROL
R21
J1
R25
C9
R2
R24
U1
R23
R3
R4
R11
R10
R14
U2
D5
C5
C4
C3
C2
C1
CABLE1
R17
R18
R29
R30
C8
P4
R16
J2+16
P5
R28
T1
Figura 14: Cara de componentes del generador de ondas analógico utilizado.
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imabuG & xiflA
alliveS .I.S.E
senoicnuf ed rodareneG
DNG
2P
2I
+
CCV+
1I
CCV+
+
5P
+
DNG
+
3I
+
TUO
+
DNG
LRTC
+
CCV1P
+
CCV+
Figura 15: Rutado asociado a la placa de circuito impreso del generador
de ondas analógico empleado en esta práctica.
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Figura 16: Esquema del ICL8038.
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