Introducción
Los Amplificadores Operacionales (AO) son circuitos integrados que contienen varias etapas transistorizadas acopladas todas ellas en continua con el objetivo de lograr una altísima ganancia de tensión.
Por su gran versatilidad, quizás éstos sean los circuitos integrados analógicos de baja señal más usados hoy dia como interfases de entrada al mundo digital.
Es muy abundante la bibliografía que explica su funcionamiento y se detallan aplicaciones, pero para empezar, un apretado resúmen de las características y usos que poseen los AO las pueden leer de Wikipedia.
Los Amplificadores Operacionales (AO) son circuitos integrados que contienen varias etapas transistorizadas acopladas todas ellas en continua con el objetivo de lograr una altísima ganancia de tensión.
Por su gran versatilidad, quizás éstos sean los circuitos integrados analógicos de baja señal más usados hoy dia como interfases de entrada al mundo digital.
Es muy abundante la bibliografía que explica su funcionamiento y se detallan aplicaciones, pero para empezar, un apretado resúmen de las características y usos que poseen los AO las pueden leer de Wikipedia.
Algunos items para tener en cuenta:
- Se los suele alimentar con una fuente de alimentación simétrica.
- Si no se los realimenta (se toma parte de la señal de salida y se reinyecta en la entrada normalmente con redes pasivas) los circuitos que se logran son alineales. El ejemplo típico es el comparador a lazo abierto que funciona entragando dos tensiones bien definidas a su salida en función del valor de tensiones a la entrada.
- En el caso de realimentarlos, puede suceder que la realimentación sea negativa. En este caso lo que se persigue es tener un amplificador lineal cuya ganancia de tensión dependa casi exclusivamente de la red pasiva externa utilizada. Si en cambio la realimentación es positiva entonces lo que se persigue es un circuito inestable. Esta situación se da en circuitos osciladores o también en comparadores con histéresis.
En esta actividad vamos a evaluar el comportamiento del amplificador operacional realimentado negativamente usado para amplificar señales continuas o alternas. Se realizarán experiencias relacionadas con su funcionamiento, buscando fijar los conceptos que subyacen al emplearlos en distintas situaciones.
Conocimientos previos
Se requiere conocer las características que posee un amplificador operacional ideal y contrastarlas con el real. Conceptos sobre realimentación negativa y obtención de la ganancia de tensión del amplificador inversor, no inversor y buffer. Estructura de un programa hecho en C. Sintaxis. Instrucciones. Sentencias. El comparador interno del uC.
Objetivos de esta experiencia
- Usar un amplificador operacional realimentado negativamente, en configuración inversor.
- Medir tensiones de entrada y salida con multímetro y osciloscopio. Con este último tomar muestras de las señales medidas.
- Medir el comportamiento del amplificador inversor con tensiones continuas y alternas en su entrada.
- Calcular la ganancia del amplificador dentro de la zona lineal. Expresar su valor en veces y en dB.
- Graficar la función transferencia (Vo en función de Vs).
- Reconocer las zonas de saturación y de amplificación lineal.
- Medir la tensión residual de salida (offset).
- Apreciar las limitaciones de la ganancia en función de la frecuencia para dos tipos distntos de amplificadores operacionales.
Desarrollo
Esta experiencia está muy guiada. Antes de proceder a la realización de esta actividad, se recomienda:
- Leer completamente la actividad.
- Relevar de cada figura todos los componentes electrónicos necesarios.
- Obtener la hoja de datos de los amplificadores operacionales utilizados. Indagar el valor de tensión de alimentación máximo, que pueden tolerar los circuitos integrados usados, con el fin de conocer sus limitaciones y no destruirlos.
- Redactar brevemente, según corresponda en cada paso, las observaciones efectuadas con el objetivo de ordenar las mediciones realizadas y sus conclusiones.
Amplificador Inversor
1 - Armar prolijo el circuito del amplificador inversor, mostrado en la siguiente figura:
1 - Armar prolijo el circuito del amplificador inversor, mostrado en la siguiente figura:
En el armado del circuito prestar especial atención:
a) No invertir la polaridad de la fuente de alimentación, pues se quema inmediatamente el amplificador operacional.
b) Observar y respetar la correcta polaridad de los capacitores electrolíticos usados como filtros en la fuente de alimentación. Se usan en conjunto con los cerámicos, para filtrar la tensión continua que nos entrega la fuente de alimentación (Los capacitores de 100nF en paralelo se usan para reducir la impedancia de la fuente de alimentación en altas frecuencias. De no colocarlos se pueden evidenciar deformaciones de las señales amplificadas).
c) Los leds se han conectado para indicar en todo momento que el circuito está recibiendo alimentación de la fuente. Si bien se puede prescindir de ellos es recomendable su utilización.
2 - Dibujar el circuito esquemático en KICAD. En J1 ubicar un Jumper.
Parte A - Comportamiento en continua
a) No invertir la polaridad de la fuente de alimentación, pues se quema inmediatamente el amplificador operacional.
b) Observar y respetar la correcta polaridad de los capacitores electrolíticos usados como filtros en la fuente de alimentación. Se usan en conjunto con los cerámicos, para filtrar la tensión continua que nos entrega la fuente de alimentación (Los capacitores de 100nF en paralelo se usan para reducir la impedancia de la fuente de alimentación en altas frecuencias. De no colocarlos se pueden evidenciar deformaciones de las señales amplificadas).
c) Los leds se han conectado para indicar en todo momento que el circuito está recibiendo alimentación de la fuente. Si bien se puede prescindir de ellos es recomendable su utilización.
2 - Dibujar el circuito esquemático en KICAD. En J1 ubicar un Jumper.
Parte A - Comportamiento en continua
3 - Retirar del circuito el puente J1 y medir con el multímetro en el punto medio del PRESET (Va) los valores máximos y mínimos que entrega el divisor resistivo construido. Registrar y verificar los valores hallados contrastando en una tabla tanto los valores medidos y como los calculados.
4 - Antes de realizar más mediciones, conectar el nodo marcado como Vs, a GND y verificar que la tensión de salida Vo es muy cercana a los cero volts. De no ser asi volver a verificar el correcto conexionado. Si aún persistiera la situación y si la tensión de salida fuese cercana a los +12 V ó -12V es probable que el amplificador operacional esté quemado.
5 - Conectar ahora el puente J1.
6 - Con el fin de realizar un gráfico, realizar 11 mediciones, variando de un extremo a otro el cursor del preset, registrar nuevamente el valor máximo y mínimo medido en Va ¿Varió significativamente respecto de la medición realizada en el punto 3?. Cinco de esas mediciones deben ser valores de tensión Vs positivas, las otras cinco negativas; la restante se debe desconectar nuevamente J1 y conectar la entrada Vs a tierra (GND). Para esta última medición leer cuidadosamente el valor de tensión de salida. (Esa tensión se conoce como tensión residual de salida u offset). Tratar de tomar valores de tensión a intervalos regulares.
7 - Volcar los valores medidos en una tabla similar a la mostrada.
8 - Usando un programa graficador (elegir cualquiera: excel, mathcad etc...) dibujar la función transferencia del circuito (Vo en función de Vs). A partir de las mediciones realizadas, ¿dentro de qué rango de valores el circuito se comporta linealmente? ¿porqué el circuito dice ser un inversor?
Desafio: Observar en el osciloscopio el mismo gráfico realizado en el punto anterior. Capturar la imagen y explicar la manera que se realizó la medición.
Ayuda: Usar el osciloscopio en modo X - Y. Colocar un generador de señales en la entrada Vs. Ajustar su salida con los siguientes parámetros: Triangular, Vpp = 2V, f = 1 KHz.
9 - Contestar las siguientes preguntas y redactar los resultados del ensayo. (Para contestarlas quizás deba hacer algunas mediciones extras en el circuito).
5 - Conectar ahora el puente J1.
6 - Con el fin de realizar un gráfico, realizar 11 mediciones, variando de un extremo a otro el cursor del preset, registrar nuevamente el valor máximo y mínimo medido en Va ¿Varió significativamente respecto de la medición realizada en el punto 3?. Cinco de esas mediciones deben ser valores de tensión Vs positivas, las otras cinco negativas; la restante se debe desconectar nuevamente J1 y conectar la entrada Vs a tierra (GND). Para esta última medición leer cuidadosamente el valor de tensión de salida. (Esa tensión se conoce como tensión residual de salida u offset). Tratar de tomar valores de tensión a intervalos regulares.
7 - Volcar los valores medidos en una tabla similar a la mostrada.
Desafio: Observar en el osciloscopio el mismo gráfico realizado en el punto anterior. Capturar la imagen y explicar la manera que se realizó la medición.
Ayuda: Usar el osciloscopio en modo X - Y. Colocar un generador de señales en la entrada Vs. Ajustar su salida con los siguientes parámetros: Triangular, Vpp = 2V, f = 1 KHz.
9 - Contestar las siguientes preguntas y redactar los resultados del ensayo. (Para contestarlas quizás deba hacer algunas mediciones extras en el circuito).
- Dentro de la zona lineal ¿cuánto vale la ganancia de tensión del circuito? Exprese esa ganancia en veces y en dB.
- Si varía la tensión de alimentación, ¿cambia su ganancia? (no sobrepase el 75 % los valores máximos admisibles).
- Disminuir el valor de la tensión de alimentación. Observar en que momento deja de funcionar el circuito. Anotar la tensión mínima de alimentación que permite que el circuito funcione.
- Si aumenta el valor de R2 llevándola a 220KOhms, ¿aumenta o disminuye la ganancia de tensión?
- Si disminuye el valor de R1 a 5600 Ohms, ¿aumenta o disminuye la ganancia de tensión?
- Si desconecta la resistencia de carga RL ¿cambia la ganancia?
- Si en vez de conectar el terminal 4 (pin 4) a Vee = -12 V, lo desconecto de -12 V y lo conecto a tierra, ¿funciona de la misma manera el circuito? ¿qué cambios observa?
- Si disminuyo el valor R1 a 390 Ohms y R2 a 5600 Ohms, tratando de mantener la ganancia similar a los valores originales medir la nueva tensión Vs.
Parte B - Comportamiento en alterna
10 - Desconectar el puente J1 e inyectarle en Vs, con el generador de funciones, una señal senoidal a la entrada de 1 KHz, menor a 400 mV pico a pico. Capturar la imagen donde se muestre la tensión de salida y la de entrada de manera simultánea. Se debe mostrar el valor de tensión pico a pico de salida y el valor del período, usando los cursores.
11 - Aumentar la tensión de entrada usada en el punto anterior hasta que a la salida se observe un recorte de la señal. Llevar al límite la tensión de entrada, antes que se observe el recorte a la salida. Registrar ese valor y publicarlo. Explicar que sucede si aumento o disminuyo la tensión de alimentación, dentro de los regímenes máximos y mínimos operativos del amplificador operacional usado.
12 - Ensayar ahora el amplificador aumentando la frecuencia del generador hasta 1 MHz. Verificar que la ganancia de tensión deja de responder al cociente entre R2 y R1. (Nota: Los efectos del funcionamiento del amplificador con la frecuencia se verá en otra actividad)
13 - Reemplazar el amplificador operacional LM741 por el TL081. Comentar si existe alguna variación en el funcionamiento del circuito, fundamentalmente en lo que respecta al punto anterior.¿Este amplificador operacional mantiene la ganancia |-R2/R1| a una frecuencia de 1MHz? ¿Depende o no la ganancia de tensión en función de la frecuencia, con el tipo de amplificador operacional usado?
14 - Diseñar el PCB (No hacer) de tal manera que reuna dos requisitos: 1) sea de dimensiones inferiores a 60 mm x 60 mm y 2) que tanto las conexiones de alimentación como la entrada Vs y la salida Vo, coincidan perfectamente para su inserción en el protoboard mediante pines rectos.
15 - Redactar todo lo realizado, sin nombrar los números de los pasos hechos y publicar en el blog, obteniendo conclusiones de los experimentos. Incluir también la teoria que demuestra que la ganancia de tensión del circuito es función de los resistores R1 y R2.
Experiencia 2
Amplificador No Inversor y Buffer
1 - Armar el siguiente circuito.
2 - A partir de distintos ensayos capturar mediciones hechas con el osciloscopio inyectándole en la entrada Vs distintas amplitudes de señal senoidal a 1KHz. A través de esas imágenes se debe verificar su comportamiento como amplificador no inversor. Llevarlo al límite del recorte y consignar ese valor. Hallar por cálculo la ganancia y compararla con las mediciones efectuadas.
3 - Se dice que el amplificador no inversor a diferencia del anterior posee una impedancia de entrada (o resistencia de entrada) muchas veces superior. ¿Qué mediciones harían para refutar o aseverar lo dicho? Explicar el procedimiento realizado.
4 - Si retiramos el resistor R1 y hacemos un cortocircuito entre los terminales del resistor R2 convertimos el mismo en un amplificador con ganancia unitaria o buffer. Verificar su funcionamiento tomando una medición con el osciloscopio, y contestar: ¿Para qué puede servir este circuito? Dar un ejemplo.
4 - Si retiramos el resistor R1 y hacemos un cortocircuito entre los terminales del resistor R2 convertimos el mismo en un amplificador con ganancia unitaria o buffer. Verificar su funcionamiento tomando una medición con el osciloscopio, y contestar: ¿Para qué puede servir este circuito? Dar un ejemplo.
5 - Diseñar el PCB (No hacer) de tal manera que reuna dos requisitos: 1) sea de dimensiones inferiores a 60 mm x 60 mm y 2) que tanto las conexiones de alimentación como la entrada Vs y la salida Vo, coincidan perfectamente para su inserción en el protoboard mediante pines rectos.
6 - Redactar todo lo realizado, sin nombrar los números de los pasos hechos y publicar en el blog, obteniendo conclusiones de los experimentos. Incluir también la teoria que demuestra que la ganancia de tensión del circuito es función de los resistores R1 y R2.
Esta experiencia no será realizada en el año 2013.
6 - Redactar todo lo realizado, sin nombrar los números de los pasos hechos y publicar en el blog, obteniendo conclusiones de los experimentos. Incluir también la teoria que demuestra que la ganancia de tensión del circuito es función de los resistores R1 y R2.
Esta experiencia no será realizada en el año 2013.
Experiencia 3 (Opcional)
AO como comparador dentro de un uC
Algunos microcontroladores poseen amplificadores operacionales integrados. Estos amplificadores son usados a lazo abierto, esto es sin realimentación. Este periférico nos permite, sin necesidad de agregar hardware externo, realizar comparaciones entre un valor de tensión analógica externa contra otra generada internamente. La salida de esa comparación nos permitirá "disparar" un evento.
1 - Armar el siguiente circuito.
2 - Programar al microcontrolador usando el comparador interno, de tal manera que si la tensión analógica de entrada es menor a 2,5 volts y superior a 0V, y la misma se mantiene entre esos valores por más de 5 segundos, entonces se encenderá un led a la salida. Este led solamente se apagará si se desconecta la alimentación.
Tips:
- El CVREF (comparator voltage reference) ajustarlo asi: VRR = 0 (high range), VR <3:0> = 1000 (8 decimal) (ver ecuación 8-1 de la hoja de datos).
- CM bits <2:0> = 100. Cin- entrada de comparación.
- En C CCS ajustar según: VREF_HIGH for VDD*VALUE/32 + VDD/4
Tips:
- El CVREF (comparator voltage reference) ajustarlo asi: VRR = 0 (high range), VR <3:0> = 1000 (8 decimal) (ver ecuación 8-1 de la hoja de datos).
- CM bits <2:0> = 100. Cin- entrada de comparación.
- En C CCS ajustar según: VREF_HIGH for VDD*VALUE/32 + VDD/4
setup_comparator(A1_VR_OUT_ON_A2);
setup_vref(VREF_LOW | 12)
3 - Simular el circuito en el ISIS - PROTEUS. Una vez que se esté funcionando en el simulador proceder a grabarlo y verificar su correcto funcionamiento.
setup_vref(VREF_LOW | 12)
3 - Simular el circuito en el ISIS - PROTEUS. Una vez que se esté funcionando en el simulador proceder a grabarlo y verificar su correcto funcionamiento.
4 - Dar dos ejemplos de posibles usos del sistema ensayado.
Desafio: Diseñar el sistema anterior para que responda de la misma forma sin emplear microcontroladores. Dibujar el circuito. Simular su funcionamiento en el ISIS - PROTEUS.
6 - Redactar todo lo realizado, sin nombrar los números de los pasos hechos y publicar en el blog, obteniendo conclusiones de los experimentos.
Actividades que desarrollan los alumnos
- Toman apuntes en las clases teórico / prácticas.
- Calculan y estiman valores de tensión y resistores, usando fórmulas.
- Miden con distintos instrumentos señales producidas por los circuitos ensayados.
- Programan en C usando el compilador CCS.
- Depuran errores de software.
- Graban un microcontrolador.
- Ordenan la información.
- Redactan lo realizado en la actividad.
- Publican en el blog toda la experiencia.
Tiempo estimado para la realización de esta actividad
Dos semanas y media.
Materiales e insumos necesarios
- PC - Sistema Operativo Windows con conectividad a Internet.
- Programas: PROTEUS 7.4 o superior - MPLAB 8.3 o superior - PROTEL 99 SP6 - Compilador CCS V4.104 o superior.
- Osciloscopio RIGOL DS1102E con sus puntas de medición.
- Fuente de alimentación doble, regulada y regulable de 0 a 30 V y 0 a 3 A.
- Programas: PROTEUS 7.4 o superior - MPLAB 8.3 o superior - PROTEL 99 SP6 - Compilador CCS V4.104 o superior.
- Osciloscopio RIGOL DS1102E con sus puntas de medición.
- Fuente de alimentación doble, regulada y regulable de 0 a 30 V y 0 a 3 A.
- Generador de funciones GW Instek. Cable BNC - cocodrilo.
- Programador PICSTART PLUS con su fuente de 9V 1A y su cable de conexión a RS232.
- Protoboard.
- Programador PICSTART PLUS con su fuente de 9V 1A y su cable de conexión a RS232.
- Protoboard.
- Alambre para protoboard.
- Componentes electrónicos varios: LM741 - TL081 - PIC12F683 - Resistores - Capacitores.
- Cables banana cocodrilo.
- Herramientas: destornillador perillero, alicate, pinza de punta, bruselas.
- Componentes electrónicos varios: LM741 - TL081 - PIC12F683 - Resistores - Capacitores.
- Cables banana cocodrilo.
- Herramientas: destornillador perillero, alicate, pinza de punta, bruselas.
