2016 1 iee316 lab2 guiía práctica

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

LABORATORIO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

LABORATORIO N° 2

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Y FILTROS ACTIVOS

CODIGO NOMBRE EVALUACION

P.E. (6)

GUIA (14)

NOTA

Horario Mesa Fecha

_____________________ Firma del Docente

Observaciones:

2016-1

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU LABORATORIO DE INGENIERIA ELECTRONICA IEE316

Laboratorio 3

1. El OPAMP COMO COMPARADOR (3 ptos)

El OPAMP es capaz de comparar el valor de tensión aplicado a una entrada con

respecto a la otra entrada. Cuando la tensión en la entrada no inversora es mayor que la tensión en la entrada inversora, la salida se irá a un potencial de saturación de aproximadamente 5 V positivos. Cuando la tensión en la entrada inversora es mayor que la tensión en la entrada no inversora, la salida se irá a un potencial de saturación de aproximadamente 5 V negativos. Cuando la tensión en ambas entradas es exactamente (!) la misma, la salida sería teóricamente 0 V.

Figura 1: OPAM usado como Comparador

Procedimiento Implementar el circuito propuesto en la figura 1, medir los voltajes con respeto a tierra y completar la siguiente tabla:

ENTRADAS V1 (-) 4v 2v 1v 4v 0v 3v V2 (+) 1v 3v 0v 4v 1v 2v

SALIDA Vo

Conclusiones y Observaciones

a) Es adecuado el comportamiento del circuito como comparador? Explicar

…………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………… LABORATORIO 2 1


b) ¿Qué puedes decir sobre el comportamiento cuando ambas entradas están con el

voltaje de 4V? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… 2. EL OPAM COMO AMPLIFICADOR

2.1 AMPLIFICADOR NO INVERSOR ( 1.5 ptos.)

El amplificador no inversor tiene la propiedad de mantener la misma polaridad del voltaje de entrada a la salida, este tipo de amplificadores se implementan con amplificadores operacionales y resistencias como se muestra en la figura siguiente.

Figura 2: Amplificador no inversor

Tomando en cuenta que la corriente entre las entradas positiva y negativa del amplificador operacional (ambas Ix) es despreciable, se puede concluir que: Vy = Vx = Vi ... (9) I1=I2 … (10) Donde, Vy: Voltaje en la entrada positiva del amplificador operacional. Vx: Voltaje en la entrada negativa del amplificador operacional. Vi: Voltaje de entrada al amplificador no inversor. Vo: Voltaje a la salida del amplificador no inversor. I1: Corriente de paso por la resistencia R1. I2: Corriente de paso por la resistencia R2. Debido a la ecuación (10) se puede afirmar: (0-Vx)/R1 = (Vx-Vo)/R2 …(11) Reemplazando la ecuación (9) en la (11) se obtiene lo siguiente: LABORATORIO 2 2


-Vi/R1 = (Vi-Vo)/R2... (12) Despejando Vo/Vi de (12) se obtiene la ganancia del amplificador no inversor: Vo

=1+ + R2

…….. (13)

Vi

R1

Implementar el circuito mostrado en la figura 2, empleando el amplificador operacional 741 y reemplazando los valores de las resistencias de la siguiente forma: R1:1 K R2:10 K R3: 10 K Se alimenta el circuito con +10V, tierra y – 10V dc. La entrada Vi será una señal senoidal de 1 Vpp, tomada del generador de señales. Mida la señal a la salida con el osciloscopio. ¿Cuál es el valor a la salida Vo (en Vpp) del amplificador no inversor? ……………………………………………………………………………………………………

¿Es adecuado el comportamiento del circuito implementado? Explicar …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………

2.2 AMPLIFICADOR INVERSOR (1.5 ptos.)

Este amplificador tiene la propiedad de invertir la polaridad de la señal que ingresa

al circuito, además amplifica la señal.

Figura 3: Amplificador inversor Para hallar la ganancia del amplificador inversor se utilizan las siguientes ecuaciones:

I1= I2 …(1)

(Vi-0)/R1 = I1 …(2)

LABORATORIO 2 3


(0- Vo)/R2 =I2 (3)

Igualando I1 e I2 obtenemos: Vo

= R2

……(4)

Vi

R1

Implemente el circuito mostrado en la figura 3, con los siguientes valores de resistencias: R2: 10 K R1:1 K Se alimenta el circuito con +10V, tierra y – 10V dc La entrada Vi será una señal

senoidal de 1 Vpp . Mida el voltaje a la salida del amplificador y diga si cumple con

lo esperado según la fórmula de ganancia. Anote:

Vaor teórico: ________________ Valor experimental= _________________ …………………………………………………………………………………………………

3. FILTROS ACTIVOS

1. Introducción El filtro es un sistema diseñado para obtener una característica de transferencia deseada. Esto es, opera sobre una señal (o señales) de entrada en una forma predeterminada. Los filtros lineales pasivos por lo general se consideran parte del estudio de circuitos, redes o sistemas lineales. Están compuestos de una combinación de resistores, inductores y capacitores. Aunque es posible obtener una amplia variedad de características de transferencia utilizando estos elementos, a menudo se requiere gran cantidad de componentes. Esto conduce a buscar alternativas a filtros pasivos. Los filtros activos contienen amplificadores, lo cual permite diseñar una amplia gama de funciones de transferencia (dentro de las restricciones relacionadas con las propiedades de la función de transferencia). La palabra filtro se refiere a la eliminación de porciones no deseadas del espectro de frecuencia. En principio se aplicaba a sistemas que eliminaban componentes de frecuencia no deseados de una señal en el tiempo. La palabra se utiliza en forma más general para incluir sistemas que simplemente ponderen los distintos componentes de frecuencia de una función en una forma predeterminada. En este tema se presentan los detalles prácticos de los filtros activos. En primer lugar consideraremos los filtros pasa bajos, pasa altos y luego veremos como formar un filtro pasa banda.

2. Objetivos

Introducir al alumno en el concepto de los filtros activos diseñados con

amplificadores operacionales. Conocer el Amplificador Operacional como filtro activo.

LABORATORIO 2 4


3. Materiales

1 resistencia de 4.7 K . 2

resistencias de 5.6 K . 1

resistencia de 12 K . 1



OPAMP 741. 1 condensador de 1.5 nF cerámico

1 condensador de 10 nF cerámico 1

condensador de 33 nF cerámico

4. Teoría

Un filtro pasa bajos (LPF) es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en

frecuencia se permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 o continua hasta una determinada frecuencia. Presentan ceros a alta frecuencia y polos a bajas frecuencia. Una posible aplicación de este tipo de filtro sería la de hacer que las bajas frecuencias de una señal de audio fuesen a un altavoz para sonidos graves

Un filtro paso alto (HPF) es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en

frecuencia se atenúan las componentes de baja frecuencia pero no las de alta frecuencia, éstas incluso pueden amplificarse en los filtros activos. La alta o baja frecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la aplicación. Una posible aplicación de este tipo de filtro sería la de hacer que las altas frecuencias de una señal de audio fuesen a un altavoz para sonidos agudos mientras que un filtro paso bajo haría lo propio con los graves. Otra aplicación sería la de eliminar los ruidos que provienen de la red eléctrica (50 o 60 Hz) en un circuito cuyas señales fueran más altas. Un filtro paso banda es un tipo de filtro electrónico que deja pasar un determinado

rango de frecuencias de una señal y atenúa el paso del resto. Un circuito simple de este tipo de filtros es un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en el que se deja pasar la frecuencia de resonancia, que sería la

frecuencia central fc y las componentes frecuenciales próximas a ésta, en el diagrama

hasta f1 y f2.

Figura 1: Filtro Pasa Bandas.

LABORATORIO 2 5


Otra forma de construir un filtro paso banda puede ser usar un filtro paso bajo en serie

con un filtro paso alto entre los que hay un rango de frecuencias que ambos dejan

pasar.

5. APLICACIONES ( 8 ptos.)

5.1 Filtro pasa bajos de segundo Orden

Implementar el amplificador de la figura 2. Pida la verificación del jefe de práctica

antes de energizar el circuito, no desarme el circuito que está por implementar.

Figura 2: Filtro pasa bajos.

Considere una Vi = 2 Vpp sinusoidal, alimente el OPAMP con +12 VDC y –12 VDC, conecte la señal Vi al circuito y variando la frecuencia de la señal de entrada, mida la

amplitud de la señal de salida Vo. Llene la siguiente tabla (2 paginas!):

Vipp (V) Frecuencia (Hz) Vopp (V) Ganancia

20*log(Vo/Vi)

2 50

2 100

2 500

2 1 K

2 2 K

2 3 K

2 4 K

2 5 K

LABORATORIO 2 6


2 10 K

2 50 K

2 20 K

2 100 K

De los valores obtenidos en la tabla anterior, grafique el diagrama de Bode aproximado.

¿Cuánto es la frecuencia de Corte? ¿Cuánto es la pendiente de corte del filtro en dB/década? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

Filtro pasa altos de segundo Orden

Implementar el amplificador de la figura 3. Pida la verificación del JP antes de

energizar el circuito, no desarme el circuito que está por implementar.

LABORATORIO 2 7


Figura 3: Filtro pasa altos.

Considere una Vi = 2 Vpp sinusoidal, alimente el OPAMP con +12 VDC y –12 VDC. Llene la siguiente tabla:


20*log(Vo/Vi)

2 30

2 40

2 50

2 100

2 200

2 300

2 400

2 500

2 600

2 1 K

2 2 K

2 3 K

2 4 K

2 5 K

2 10 K

2 20 K

2 100 K

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De los valores obtenidos en la tabla anterior, grafique el diagrama de Bode

aproximado.

¿Cuánto es la frecuencia de Corte? ¿Cuánto es la pendiente de corte del filtro en dB/década? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

Filtro pasa banda de segundo Orden

Implementar el amplificador de la figura 4. Pida la verificación del JP antes de

energizar el circuito, no desarme el circuito que está por implementar. LABORATORIO 2 9


Figura 4: Filtro pasa banda.

Considere una Vi = 2 Vpp sinusoidal, alimente el OPAMP con +12 VDC y –12 VDC.

Llene la siguiente tabla:


20*log(Vo/Vi)

2 30

2 40

2 50

2 100

2 200

2 300

2 400

2 500

2 600

2 1 K

2 2 K

2 3 K

2 4 K

2 5 K

2 10 K

2 20 K

2 100 K

LABORATORIO 2 10


De los valores obtenidos en la tabla anterior, grafique el diagrama de Bode

aproximado.

¿Cuánto es la frecuencia de corte en alta frecuencia y en baja frecuencia?, y ¿Cuánto es la pendiente de corte del filtro en baja y alta frecuencia en dB/década? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

San Miguel, 4 de abril de 2016

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ANEXOS

Figura 5: Configuración de pines del UA741 y del TL081.

Figura 6: Vista externa del LM741.

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