practica 7
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PRCTICA No. 7 APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
JUAN DAVID ARIAS CORREA
CARLOS MARIO BUITRAGO HERNANDEZ
ALVARO SOTELO GALVIS
FUNDAMENTOS ELECTRNICA ANALOGA
JORGE ELIECER HERNANDEZ
INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES
FACULTAD DE INGENIERIA
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
MEDELLIN-ANTIOQUIA
16-02-2014
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1. OBJETIVO
Identificar la utilidad de los amplificadores operacionales en el diseo de aplicaciones
electrnicas.
2. PROCEDIMIENTO
2.1 Consulte la hoja de especificaciones del amplificador operacional LM324 e
identifique los siguientes parmetros: voltajes mximos de polarizacin, voltaje offset
de entrada, corriente offset de entrada, corriente de polarizacin de entrada,
impedancia de entrada, ganancia de voltaje en lazo abierto, razn de rechazo en modo
comn y slew rate. Tambin consulte las hojas de datos de los circuitos integrados
AD624AD, LM3914 y LM3915.
Definiciones bsicas:
Voltaje offset de entrada (VIO): Tambin conocida como voltaje de desvi, es el voltaje presente en Vo cuando el V en las entradas del OpAmp es cero.
Corriente de polarizacin de entrada (IB): Es el promedio entre las corrientes de la entrada inversora y no inversora.
IB =IBn + IBp
2
Corriente offset de entrada (IIO): Es la diferencia entra la corriente en la entrada no inversora y la inversora del OpAmp.
IIO = IBp IBn
Ganancia en lazo abierto (AVOL): Es la ganancia que tiene un OpAmp cuando no existe ningn camino de realimentacin entre la entrada y la salida.
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Caractersticas del LM324 Voltaje mximo de polarizacin
VCC , VEE = 16 VVCC = 32 V
CARACTERISTICA SIMBOLO Mnimo Tpico Mximo Unidades
Voltaje offset de entrada ( TA = 25 C)
VIO - 2.0 7.0 Mv
Corriente offset de entrada ( TA = 25 C)
IIO - 5.0 50 Na
Corriente de polarizacin de entrada.
IB - - 90 - 250 Na
Ganancia de lazo abierto (RL = 2K, VCC = 15V) Para oscilaciones grandes Vo
AVOL 25 15
100
-
- -
V/Mv
Accin de rechazo en modo comn.
CMR 65 70 - Db
Slew Rate (VCC = 5V, VI = 0.5V a 3V, RL
= 3K, CL = 100pF, Gan = 1)
SR - 0.4 - V/s
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2.2 Estudie el funcionamiento del circuito amplificador de instrumentacin mostrado en la figura1. Responda de qu modo el valor de la resistencia R1 determina la ganancia del amplificador.
Amplificador de instrumentacin
Los amplificadores instrumentales amplifican la diferencia entre 2 seales. Por esto son
llamados amplificadores diferenciales. Tienen una particularidad y es que tienen un CMR
muy alto, es decir que la ganancia en modo comn afectar muy poco a la ganancia en
modo diferencial y se comportar de una forma casi ideal.
Figura 1.
Este anlisis se har de forma ideal y definiremos que no hay entrada por lo tanto al
hacer el respectivo anlisis en los respectivos nodos, teniendo en cuenta como fueron
denotados los nodos, se encuentran las siguientes ecuaciones.
Nodo A 0 =V1 V2
R1+
V1 Vo1100k
Nodo B V1 V2
R1=
V2 Vo2100k
Nodo C Vo1 Vi1
100k=
Vi1 Vo100k
Nodo D Vo2 Vi2
100k=
Vi2100k
Resolviendo:
VO = (V2 V1) (1 +200k
R1)
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Dependiendo del valor de R1 la ganancia que tendr la resta (V2 V1) variara, lo cual
en otras palabras significa, que a mayor valor de R1 menor ser la ganancia, igual
analizando el circuito sabremos que siempre ser mayor a 1 ese nivel de ganancia, ya
que se requerira una ganancia tericamente infinita para volver el circuito sin
ganancia.
2.3 Analice el funcionamiento del circuito mostrado en la figura 2. Considerando que el
voltaje VIN vara entre 0 y 6 V, explique cmo varan los voltajes de salida V1 a V8, en
funcin de VIN.
El amplificador operacional como comparador de voltaje.
Si V1 > V2 => (V1-V2)>0 => Vout = +Vcc. Si V1 < V2 => (V1-V2) Vout = -Vcc.
Esta condicin muestra la forma en que se comporta el amplificador operacional al ser
empleado como comparador de dos seales.
Figura 2.
Esta tabla se obtuvo al analizar el circuito, ya que la parte del circuito conectada a sus
entradas negativas tiene la misma corriente.
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3. SIMULACIN: 3.1 Simule en PSPICE el circuito amplificador de instrumentacin mostrado en la figura 1. Utilice para la simulacin amplificadores operacionales LM324 polarizados con 9 y -9 V. Simule a la entrada del circuito para: V1 = 100Sen (2*pi*5000*t) mV.
V2 = 500Sen (2*pi*5000*t) mV.
Obtenga grficas de la ganancia de voltaje en modo diferencial. Repita la simulacin para
el caso en que V1 = 0 V
NOTA: Dicha simulacin se realizara con un valor de R1 de 100k.
Con dicha resistencia la ganancia total ser de 3.
La ganancia resultante en este circuito fue de 2.907 lo cual est de acuerdo con la
formula terica demostrada arriba.
Analizando otra vez el problema con voltaje V1=0V el resultado es:
Lo cual nos da un resultado favorable, con una amplificacin aproximadamente igual a
3.
Time
0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms
V(V2:+)- V(V1:+) V(R6:2)
-2.0V
0V
2.0V
AMPLIFICACION
DIFERENCIA ENTRE V1 Y V2 (842.590u,1.1576)
(52.677u,398.587m)
Time
0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms
V(V2:+) V(R6:2)
-2.0V
0V
2.0V
SALIDAENTRADA
(452.310u,1.5005)(45.227u,494.389m)
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3.2 Realice una parametrizacin de la resistencia R1 desde algn valor pequeo hasta
100K y observe la ganancia de voltaje del circuito
()
NOTA: Este problema se analizara con el caso en que v1=0.
1k
10k
50k
100k
Time
0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms
V(V2:+) V(R6:2)
-10V
0V
10V
(261.665u,8.6159)
(45.111u,494.113m)
Time
0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms
V(R6:2) V(V2:+)
-10V
0V
10V
(60.315u,473.976m)
(60.315u,8.6141)
Time
0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms
V(V2:+) V(R6:2)
-4.0V
0V
4.0V
(244.161u,2.4380)
(44.148u,491.575m)
Time
0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms
V(V2:+) V(R6:2)
-2.0V
0V
2.0V
SALIDAENTRADA
(452.310u,1.5005)(45.227u,494.389m)
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3.3 Simule en PSPICE el circuito mostrado en la figura 2. Utilice para la simulacin Amplificadores operacionales LM324 polarizados con 6V y 0V. Realice un barrido DC de VIN y observe los voltajes V1 a V8.
NOTA: Ya que la versin utilizada de PSPICE es la de evaluacin solo se logr realizar el
montaje de 3 amplificadores operacionales.
V_V20V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V 5.5V 6.0V
V(RA:1) V(RB:1) V(RC:1)
0V
2.0V
4.0V
6.0V
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Estas graficas muestran la situacin que pasa en este circuito. Al aumentar el voltaje
ingresado en las entradas positivas del amplificador operacional, y contando que los
potenciales en las entradas negativas del mismo se van reduciendo gracias a la
disipacin de potencia generadas por las resistencias, se va a llegar a la situacin en la
cual al aumentar el potencial ingresado en la entrada positiva llega a un punto en que
en cada uno de los amplificadores operacionales el potencial Vp>Vn, lo cual genera que
en la salida salga un voltaje Vcc+, la grfica nos demuestra que dicha afirmacin es
correcta y la segunda grafica muestra que cuando est cerca a cumplirse dicha condicin
el amplificador empieza a tener actividad.
4. EXPERIMENTO
4.1 El amplificador de instrumentacin. Construya el circuito amplificador de
instrumentacin mostrado en la figura 1, utilizando amplificadores operacionales
LM324 polarizados con 9V y -9V. Utilice en lugar del resistor R1, un potencimetro de
100K . Con ayuda de los instrumentos del laboratorio verifique el funcionamiento del
amplificador. Explique a continuacin la verificacin realizada
Al realizar el experimento nos dimos cuenta, como ya se haba demostrado
anteriormente que la amplificacin depende de la resistencia R1 la nica variable en el
circuito. A mayor resistencia se le colocara al potencimetro menor era la la
amplificacin
V_V2
0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V 5.5V 6.0V
V(RA:1) V(RB:1) V(RC:1) V(R2:2) V(R3:2) V(R4:2)
0V
2.0V
4.0V
6.0V
Vp>Vn
Vp>Vn
Vp>Vn
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Al emplear una resistencia aproximadamente menor a 5k el circuito no era capaz de
amplificar correctamente la seal. Ya que su resultado era una seal que sobrepasaba
la amplitud soportada por el circuito con la polarizacin suministrada.
NOTA: se emple un voltaje V1=0 Y V2=1VPP.
4.2 El amplificador operacional como comparador de voltajes. Construya el circuito
mostrado en la figura 2, utilizando amplificadores operacionales LM324 polarizados con
6V y 0V (fuente fija). Conecte entre cada nodo de salida (V1 a V8) y tierra, un resistor de
330 y un diodo emisor de luz (LED), este arreglo le ayudar a observar claramente el
funcionamiento del circuito. Vare el voltaje de VIN entre 0 y 6V (fuente variable) y
observe los voltajes de salida V1 a V8, observe tambin el estado de los LEDs. Escriba
sus observaciones y conclusiones sobre el montaje de esta aplicacin.
Mientras el voltaje VIN va aumentando se van encendiendo los led conectados a las
respectivas salidas de los amplificadores. Al llegar a un voltaje de 0.8v en VIN por
ejemplo el led del amplificador nmero 8 se enciende, y al estar en 1.6v se encienden
simultneamente el amplificador nmero 8 y el 7, y as sucesivamente hasta llegar a un
voltaje de 5.4v en el cual se encienden la totalidad de los leds.
Amplificador Voltaje
1 5,02 V
2 4.7 V
3 4.02 V
4 3.4 V
5 2.69 V
6 2.05 V
7 1.4 V
8 0.75 V
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4.3 Considerando el diagrama de bloques mostrado en la figura 3 y los circuitos ya
implementados en esta prctica, disee una aplicacin en la que una variable fsica
(temperatura) sea sensada y convertida a voltaje por un transductor LM35, luego ese
voltaje sea amplificado y finalmente se indique mediante un arreglo de LEDs, el nivel de
la variable fsica. Figura 3. Diagrama de bloques de una aplicacin con amplificadores
operacionales.
Como transductor puede utilizarse el CI LM35, consulte su hoja de especificaciones.
La ganancia del amplificador de voltaje debe ser variable, con el fin de asegurarse que
a temperatura ambiente (25C) slo encienda el LED 8.
El LM35 es un sensor de temperatura con una precisin calibrada de 1C. Su rango de medicin abarca desde -55C hasta 150C. La salida es lineal y cada grado centgrado equivale a 10mV, por lo tanto:
150C = 1500mV -55C = -550mV1
Al montar el circuito conectamos el LM35 a 6v y a tierra en su polarizacin. Al mover el
valor de la resistencia R1 la cual se mont con un potencimetro, logramos encontrar
un valor adecuado de dicha resistencia en la cual solo el leds del amplificador numero 8
estaba encendido a temperatura ambiente. Al generar estmulos externos como colocar
un encendedor cerca de dicho sensor, se logr encender adecuadamente los dems leds
lo cual demostr que el circuito funcionaba adecuadamente.
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CONCLUSIONES
El amplificador operacional no solo sirve para amplificar una seal de
entrada, tambin sirve para sumar o restar seales, al mismo tiempo que si es
necesario, logra amplificarlas.
el amplificador operacional puede funcionar como un comparador de voltajes
se logr entender la lgica aplicad al sensor de temperatura LM35
Los voltajes de saturacin de los amplificadores operacionales deben tenerse
siempre en cuenta para no deteriorar la seal que se desea obtener
se logr comprender los tres principales axiomas de la teora de los
amplificadores operacionales
La tensin de entrada diferencial es nula.
No existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada.
En bucle cerrado, la entrada (-) ser regulada al potencial de entrada (+) o de
referencia.