Amplificadores Operacionales Básicos

1. 28 DE ENERO DE 2014
PRÁCTICA I
CONFIGURACIONES BÁSICAS CON AMPLIFICADORES I
CRISTIAN JESÚS MASCOTE MENDOZA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTARO
Laboratorio de Control I

2. Contenido
Resumen: .................................................................................................................... 2
Marco Teórico: .......................................................................................................... 3
Procedimientos: ........................................................................................................ 5
Conclusion: .............................................................................................................. 14
Bibliografia: .............................................................................................................. 14
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3. Resumen:
Las aplicaciones de los amplificadores operacionales son bastas. En esta primera
parte de prácticas con configuraciones básicas de los mismos, específicamente
hablando de el amplificador seguidor, el amplificador inversor, el amplificador no
inversor se llega a conocer el circuito de configuración básica para que funcionen
de la manera deseada. La función de cada uno en el control es muy amplia, así
que aquí conoceremos porque la salida se obtiene de cierta manera dependiendo
de la configuración del circuito; conoceremos también porque se obtienen las
ganancias a la salida, es decir, la expresión matemática que hace posible que
podamos ver desfases, amplificaciones y formas de onda.
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4. Marco Teórico:
Los orígenes del amplificador operacional se remontan a la cuarta década del siglo
XX, cuando los circuitos básico se construían utilizando bulbos de vacío para
efectuar operaciones matemáticas tales como la suma, la resta, la multiplicación,
la división, la derivación y la integración. Este avance permitió la construcción de
computadoras analógicas (en contraste con las digitales) para resolver ecuaciones
diferenciales complejas. Se considera que el primer dispositivo amplificador
operacional comercialmente disponible fue el K2-W, fabricado por la compañía
Philbrick Researches, Inc., de Boston desde 1952 hasta principios de los años 1970.
Estos dispositivos de bulbo vacío pesaban 85grs y median 3.8cm X 5.4cm X 10.4cm
y costaban aproximadamente unos 22 dólares.
Comparados como los amplificadores operacionales basados en bulbos de vacío,
los circuitos integrados modernos de OPAMS (amplificadores operacionales) están
fabricados con alrededor de 25 transistores o más en la misma pastilla de silicio,
junto con resistores y capacitores necesarios para obtener las características
deseadas de desempeño.
El símbolo general de los amplificadores operacionales es el siguiente:
La alimentación del circuito se realiza por medio de dos fuentes de alimentación
(alimentación simétrica). Tienen dos entradas la - que se denomina “inversora” y la
+ que se denomina “no inversora” y una salida Vo. Se alimentan a través de dos
terminales uno con tensión positiva +V y otro con tensión negativa -V.
Adicionalmente pueden tener otros terminales específicos para compensación de
frecuencia, corrección de derivas de corriente continua etc.
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5. En cualquiera de los libros de Circuitos Eléctricos podemos hallar la configuración
básica de los 3 circuitos usados para esta práctica, los cuales se muestran a
continuación, además de las formulas de la relación de ganancia de cada uno.
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6. Procedimientos:

Configuración de Inversor
Para el desarrollo de la configuración de inversor del amplificador operacional, OpAmp, usamos el circuito sugerido para la práctica, que se muestra en la Figura 1,
con los valores de resistencias ahí marcados.
Figura 1. Amplificador operacional en configuración de inversor
Posteriormente, pasamos a configurar el osciloscopio con las especificaciones
dadas en la práctica. Siendo las que se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Configuración del Generador de funciones y del Osciloscopio
Generador de funciones
Frecuencia
1 kHz
Amplitud
1 Vp
Offset
0V
Osciloscopio
Ch A
5 V/Div
CD
Ch B
5 V/Div
CD
Tiempo base
1 ms/Div
Y/T
Procedemos a hacer la simulación en el software para obtener resultados virtuales
de la señal de salida que se espera en la conexión física. Dentro de las preguntas
incluidas en la práctica se hará el análisis paso por paso del circuito y la simulación.
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7. 1
Muestra en imagen capturada la respuesta obtenida en la simulación.
Imagen 1.
La Imagen 1 muestra la forma en que se conectó en el simulador el circuito
del opamp en forma de inversor. Es de notar la relación entre las resistencias
utilizadas, ya que estos valores, como se verá más adelante, determinan la
relación de ganancia en amplitud a la salida.
Imagen 2.
En la imagen 2 se muestra la señal obtenida en la simulación, notándose de
manera inmediata la “inversión” o desfase de la señal de salida en relación
con la de entrada, por lo que, podemos esperar que el circuito físico
reaccione de forma parecida.
6

8. 2
Muestra en imagen capturada la respuesta obtenida vista en el osciloscopio.
Imagen 3.
La imagen 3 muestra la señal obtenida en el osciloscopio a la salida del
opamp, con lo que podemos observar que funciono de manera correcta;
observamos de manera clara el desfase y la amplificación a la salida del
circuito.
3
¿Cuál es el valor de la magnitud de la ganancia del circuito? Y ¿Cómo se
define?
El valor es, de manera analítica de 10, es decir, la señal de salida es 10 veces
mayor que la de entrada; se define por la relación entre las resistencias de
entrada y de retroalimentación.
4
¿Cuál es la expresión que define la ganancia de esta configuración?
 Rf 
Vo  Vi 

 Ri 
5
En base a la respuesta observada en el osciloscopio, ¿Qué significa el signo
negativo en la expresión matemática?
Representa el desfase de 180° entre las señales.
7

9. 6
7

¿Cuál es el valor teórico del voltaje de salida Vpp si la entrada es una señal
sinusoidal de amplitud 5 Vp?
10000
𝑉𝑜 = −5𝑉 (
) = −50𝑉𝑝 = −100𝑉𝑝𝑝
1000
Menciona con tus propias palabras en forma de resumen, cuales son las
características de esta configuración.
Esta configuración necesita de un valor de retroalimentación a la entrada
del amplificador, lo que lo diferencia de un seguidor de voltaje. La ganancia
se puede mejorar al escoger mejores valores de resistencias, o más bien, los
más adecuados para un correcto funcionamiento.
Configuración de No-inversor
Para el desarrollo de la configuración del opamp como no-inversor usamos el
diagrama mostrado en la Figura 2, y los mismos valores sugeridos para el generador
de funciones y el osciloscopio de la Tabla 1.
Figure 2. Amplificador operacional en configuración de No-inversor
De la misma manera, se realizara el análisis del amplificador mediante las preguntas
incluidas en la práctica.
1
Muestra las gráficas obtenidas en la simulación del circuito
Imagen 4.
La Imagen 4 muestra la configuración del circuito en el simulador.
8

10. Imagen 5.
En la Imagen 5. Podemos ver la señal obtenida a la salida en el simulador.
Nótese claramente que no existe el desfase entre las señales como en el
caso del inversor. Así que podemos considerar que su función de
amplificador no inversor se cumple de manera correcta en este circuito.
2
Muestra las gráficas observadas en el osciloscopio para el circuito físico.
Imagen 6.
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11. En la Imagen 6. Observamos que obtuvimos en el osciloscopio una señal
correspondiente a la esperada en la simulación. Al no existir un desfase entre
las señales de entrada y salida, el signo negativo no aparece en la
operación, aun así, podemos ver claramente que la señal se amplifica de
forma notoria.
3
¿Cuál es el valor de la magnitud de la ganancia de esta configuración?
Igual que el inversor, de forma analítica tenemos de una ganancia de 10 en
forma analítica, y muy cercana a ese valor de forma real.
4
Especifica la expresión que define el valor del voltaje de salida para este
circuito.
Rf 

Vo  Vi  1 

R1 

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En base a la pregunta anterior, ¿por qué en la expresión no se tiene signo
negativo? Y ¿Cómo se interpreta esto?
El signo negativo no significa que el voltaje sea negativo de forma estricta,
sino que representa el desfase de 180° entre las formas de onda, así que, en
el opamp no inversor, al no existir el desfase, no existe el signo negativo.
6
¿Qué valor máximo aproximado en la entrada se puede tener para esta
configuración si la alimentación del circuito es de ±18 VCD?
7
De acuerdo con la expresión que define la salida de esta configuración,
¿cuál es el valor del voltaje de salida RMS si la entrada es de 0.5 Vp tanto en
la simulación como en el circuito físico?
10000
𝑉𝑜 = 0.5𝑉𝑝 (1 +
) = 5.5𝑉𝑝
1000
8
Resume con tus propias palabras las características de esta configuración.
Puesto que la alimentación o señal de entrada se conecta a la terminal no
inversora obtenemos una señal amplificada pero no invertida. La
retroalimentación se conecta a la entrada negativa del componente, a
diferencia del inversor.
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12. 
Configuración de seguidor
Para el desarrollo de esta configuración simulamos el circuito mostrado en el
diagrama de la Figura 3, y utilizando los parámetros sugeridos por la Tabla 1.
Figura 3. Amplificador operacional en configuración de seguidor
Se hará el análisis como se hizo en los dos casos anteriores.
1
Muestra la gráfica obtenida de la simulación.
Imagen 7.
La Imagen 7 muestra el circuito simulado en el software. Gracias al apoyo
de este software podemos ver que la conexión de este circuito es muy
sencillo, y se puede intuir su funcionamiento al ver las conexiones de forma
virtual.
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13. Imagen 8.
Posteriormente, en la imagen 8 tenemos el osciloscopio digital, que al
parecer solo muestra una sola señal, sin embargo, son 2 funciones
empalmadas, con lo que comprobamos su funcionamiento como
solamente un seguidor de voltaje, es decir, solo estamos “repitiendo” la
señal.
2
Muestra la gráfica de la imagen observada en el osciloscopio para el circuito
físico.
Imagen 9.
12

14. 3
¿Cuál es el valor de la magnitud de la ganancia de esta configuración?
Puesto que no hay relación entre las resistencias, la ganancia es la unidad.
4
¿La señal de salida esta invertida en relación con la señal de entrada?
Explica.
Tampoco se invierte la señal de salida, ya que al igual que en el caso del no
inversor, no hay Angulo de desfasamiento entre formas de onda.
5
¿Cuál crees que es la funcionalidad de una configuración de este tipo?
Investiga ampliamente.
Esta configuración evita el efecto de carga en un circuito, funciona como un
buffer. Por consiguiente el voltaje y la corriente no disminuye en el circuito,
ya que éste toma el voltaje de la fuente de alimentación del operacional y
no de la señal que se está introduciendo, por lo que si una señal llegara con
poca corriente, el circuito seguidor compensaría esa pérdida con la fuente
de alimentación del amplificador operacional.
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15. Conclusión:
El uso de los amplificadores operacionales en sistemas de control es básico, así que
es vital conocer las configuraciones de las operaciones en los amplificadores. Toda
configuración da una salida diferente, por ello es que como ingenieros
aprendamos a conocer como pedirle a un amplificador operacional que cumpla
con cierta demanda que nosotros requiramos del mismo.
Bibliografía:
-
Análisis de Circuitos en Ingeniería 7ma Edición Hayt & Kemmerly
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