INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO “SANTIAGO MARIÑO”

EXTENSION PORLAMAR INGENIERIA ELECTRONICA

Laboratorio de Instrumentación ElectrónicaPráctica Nº 1 y 2

APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Guillermo Ríos C I 18.010.029Luis Barrientos C I 20.902.981

OBJETIVOS

• Realizar los montajes y simulaciones correspondientes, una vez identificados cada uno de los terminales del amplificador operacional (AO).

• Diseñar un Amplificador de Instrumentación (AI) para ser utilizado en un circuito de acondicionamiento.

• Entender y explicar el funcionamiento de los Amplificadores con Circuitos Integrados.

• Realizar los montajes correctamente y visualizar en el osciloscopio las señales de entrada y salida de los amplificadores operacionales

PREPARACIÓN

• - Clase dada en la parte teoría de la unidad III del aula virtual. Configuraciones básicas de los Amplificadores Operacionales.

• - Ver bibliografía.• PRE-LABORATORIO• 1. Defina Amplificador Operacional Ideal.• 2. Configuraciones básicas de los A.O. Explique el funcionamiento y genere las

ecuaciones• matemáticas del Amplificador inversos y no inversor.• 3. Estudie los conceptos de Amplificador de Instrumentación, explique el

funcionamiento.• 4. Parámetros importantes del Amplificador de Instrumentación.• 5. Encapsulados existentes en mercado para ser utilizados como Amplificadores de• Instrumentación

COMPONENTES Y EQUIPOS A USAR

• Componentes:• Amplificadores Operacionales LM741 y Resistencias (1K, 10K, 100K) varias.• Equipos:• Multímetro o tester, fuente de voltaje, Osciloscopio, generador de señales, puntas

de pruebas, pinzas y Protoboard.• Material:• Manual ECG y cables.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

• Los fundamentos básicos del amplificador operacional ideal son relativamente sencillos. Quizás, lo mejor para entender el amplificador operacional ideal es olvidar todos los pensamientos convencionales sobre los componentes de los amplificadores operacionales, transistores, tubos u otros cualesquiera. En lugar de pensar en ellos, debería pensarse en términos generales y considerarse el amplificador como una caja con sus terminales de entrada y salida. Se intentara entonces tratar el amplificador ideal que es un dispositivo de acople directo con entrada diferencial, y un único terminal de salida. El amplificador solo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común . Una señal positiva en la entrada inversora produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora produce una señal positiva de salida. Con una tensión de entrada diferencial Ein, la tensión de salida, Eo, será, Avo x Ein, donde Avo es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizaran siempre independientemente de la aplicación. Se utilizan tensiones de alimentación bipolares.

PROPIEDADES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

• La ganancia en tensión es infinita.

• La resistencia de entrada es infinita.

• La resistencia de salida es cero.

• El ancho de banda es infinito.

• La tensión de entrada diferencial es nula.

• No existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada.

Amplificador Operacional LM 741

• LM 741 Amplificador operacional• Identificación de pines :

Amplificador Operacional Inversor

• Vi⁄Ri = −Vs⁄R2 Vs = −Ve(R1⁄R2) G = Rf⁄Ri

Rf

RiVi −

Vs

Out+

Salida Invertida 180 grados

R respecto a Vi

Características del Amplificador Inversor

• En este tipo de circuito la entrada positiva del amplificador esta conectada a tierra a través de una resistencia R, y la señal se aplica a la entrada negativa a través de Ri, con realimentación desde la salida a través de Rf. Aplicando las propiedades expuestas anteriormente del AO ideal, las características distintivas de este circuito se pueden analizar de la siguiente manera.

• Si la corriente de entrada es Iin entonces, Iin = Ein⁄Rin, si Is = 0, If = Iin,• If = −Eo⁄Rf esto es debido a la inversión, • Ein⁄Rin = −Eo⁄Rf, entonces la Ganancia = Eo⁄Ein = −Rf⁄Rin• G=−Rf⁄Rin (no limitada de rango, Rf puede ser 0 para G=0• Impedancia de entrada = Rin• If = Iin , independientemente de Rf• El nudo suma es un punto de tierra virtual al mismo potencial que la entrada(+)• En bucle cerrado, la entrada(−) será regulada al potencia de la entrada(+) o de

referencia.• La salida esta desfasada 180 grados con respecto a la entrada Vi

Amplificador Operacional No Inversor

• Vs = Vi × G G = (R1 + R2)⁄R2 Vs = Vi (R1+R2)⁄R2

• +

ViVs

− If R1 o Rf

Iin R2 o Ri

Características del Amplificador No Inversor

• La segunda configuración básica del AO ideal es el amplificador no inversor. En este circuito la tensión Vi se aplica en la entrada (+), y una fracción de la señal de salida Vs se aplica a la entrada (−) a través del divisor de tensión Rf − Ri y no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, entonces :

• Iin = Vi⁄Ri , If = Iin , Vs = If (Ri + Rf) , si sustituimos : • Vs =(Vi⁄Ri)(Ri + Rf) , tenemos entonces en términos de ganancia :• Vs⁄Vi = (Ri + Rf)⁄Ri esta es la ecuación de ganancia para el AO no inversor• Ganancia = (Ri + Rf)⁄Ri el limite inferior de ganancia (1) cuando Ri = ∞ o Rf = 0• Impedancia de entrada = ∞• If = Iin , independiente de Rf

Amplificador Operacional Diferencial

Ganancia = Vs⁄(Vi1−Vi2) = (Rf⁄Ri)

» Ri SP Rf

Vi2 Is

– V

Vi1 Iin

Ri Rf

−

+

Vs

Características del Amplificador Diferencial

• Ganancia en modo diferencial ( Vi1 ≠ Vi2 ) :• Vs⁄(Vi1 − Vi2) = (Rf⁄Ri)

• Ganancia en modo común ( Vi1 = Vi2 ) : a. Cuando (Rf⁄Ri) = (Rf⁄Ri) = 0 , b. Cuando (Rf⁄Ri) ≠ (Rf⁄Ri) = (Rf.Ri − Rf.Ri) ⁄ (Ri.Ri + Ri.Rf)Esta configuración es única porque puede rechazar una señal común a ambas entradas. Esto se debe a la propiedad de tensión de entrada diferencial nula.Si Vi1 y Vi2 son idénticas, el análisis es sencillo. Vi1 se dividirá entre Ri y Rf, apareciendo una menor tensión (vcm1)en Rf. Debido a la ganancia infinita del amplificador y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual (vcm2) debe aparecer en el nudo suma SP. Puesto que las dos redes Ri y Rf son idénticas y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vs debe estar a potencial nulo, para que vcm2 se mantenga igual a vcm1. De esta manera eliminamos ruido no deseable en modo común mientras amplificamos la señal entrante.

Amplificador de Instrumentación

+ R6 R7Vi2 − R3 + R2 Vs

− R1 − R4 R5

Vi1 +

Características y Funcionamiento del Amplificador de Instrumentación

Una de las mas útiles aplicaciones de los AO integrados es la configuración amplificador dc con entrada diferencial. Esta configuración generalmente se denomina como amplificador de instrumentación o AI, debido a su inherente rechazo del ruido en modo común y a la amplificación lineal de las señales deseadas que proporciona.Este circuito y sus variaciones, están muy difundidas para uso de procesamiento de señal. Las señales dc y de baja frecuencia, comúnmente se reciben de un transductor como los estudiados en el tema 2 de instrumentación electrónica, estos se amplifican y entonces se transmiten en forma de señal unipolar. Como la señal de entrada solo suministra unos pocos milivoltios, mientras que el ruido de entrada de modo común puede ser de varios voltios, factores tales como la deriva y el ruido de entrada del amplificador serán críticos para la precisión global del circuito. Igualmente importantes sol las corrientes de polarización y el rechazo en modo común de la configuración del circuito. Este tipo de circuito incrementa la impedancia de entrada por el orden de 1.000.000.000.000 Ω, tiene una corriente de entrada de 2 nA y la capacidad de amplificar señales diferenciales superpuestas sobre ± 11 voltios de ruido en modo común. Existen en el mercado modelos de AO Cuádruples por chip como por ejemplo : TL074, LM324, LM124, LM358, son muy prácticos para este tipo de circuitería ya que son de muy buenas prestaciones y muy bajo ruido en su etapa de amplificación.

Practica 1

• Escoja un valor adecuado de ganancia de voltaje para amplificar la señal de entrada Vi = 0,5v.Sen(6285t). Energice con ±12Vdc

• Tipo de Circuito : Amplificador Inversor Rf

Ra −

Vi + Vs

R

Montaje y Simulación del Amplificador Inversor

• Equipos y Materiales• Amplificador operacional LM741• Resistencia 1K (2pz)• Resistencia 10K (1pz)• Protoboard• Osciloscopio• Generador de señales• Fuente simétrica dc• Cables• ECG Manual• VideocámaraFormula según configuración inversor:Vs = −Vi(R2⁄R1) a partir de aquí tomamos el valor Ri como 1KΩ y Rf 10kΩ, de esta manera obtendremos un nivel de ganancia de G=10 en relación a la formula.Vi : 0,5v , si tenemos una Ganancia : 10 , entonces Vs : 5v como se muestra.

Montaje realizado en Software iCircuit OSX

Montaje AO Cambio RF aumento de Ganancia en Vs

Rf es 100K

En esta lamina se muestra el cambio de ganancia en la salida al subir el valor de Rf en el ciclo de realimentación. Es de hacer notar que con esta configuración se pudo alcanzar un máximo de ganancia de G : 24. Alcanzando un valor máximo de salida de 12 voltios desfasados con respecto a la entrada 180º, controlado por la alimentación máxima del circuito (12v). Para subir la ganancia deberíamos aumentar el valor de Vdc a mas de 12 voltios hasta conseguir el valor deseado.

Practica IIDiseñe un Amplificador de Instrumentación con las siguientes especificaciones:

• Ganancia diferencial Ad : 100 v⁄v.• Circuito de ajuste de ganancia fina.• Circuito de ajuste de rechazo de modo común.• Vi : 1mV• G : 1000• V : +15vdc• V : −15vdc• Monte su diseño de AI. Observe la salida del circuito y grafique la señal observada.• Explique lo observado.• Cuales de las resistencias se deben cambiar para variar la ganancia del AI• Diseñe según la ecuación Vs = 15V1 − 10V2 − 9V3 Vs = 1 voltio Si V1 y V2 = 0,001v entonces , Vs= 15(0,001) − 10(0,001) − 9 (V3) 1v = 0,015 − 0,01 − 9V3 , entonces 1 = 0,005 − 9 (V3) , 9V3 = −0,995V V3 = 0,110 voltios, que seria el valor del voltaje en la entrada del diferencial.

Montaje Realizado en Software iCircuit OSX

Componentes utilizados en el Montaje

• Amplificador Operacional LM741 (3pz)• Resistencias :• R4, R1 : 5KΩ• R3: 390Ω• R5, R6 : 500Ω• R8 : 20KΩ• R9 : 19,8KΩ• R2 : Potenciómetro de 100Ω• R7 : Potenciómetro de 100KΩ• R10: Potenciómetro de 500Ω El amplificador de instrumentación del montaje esta formado por dos preamplificadores en la etapa inicial no inversores, conectados a un tercer amplificador diferencial que forma parte de la segunda etapa del circuito, el cual realiza la amplificación final.

Video Osciloscopio Virtual Amplificador de Instrumentación Ganancia 1000

En esta fotografía podemos observar que en la entrada Vi el osciloscopio marca un valor de 893,22 uV y en la Salida Vout el voltímetro mide un voltaje de 896,1 milivoltios lo que indica una Ganancia : 1000

Video Osciloscopio Amplificador Inversor

Video Osciloscopio Amplificador Inversor Vi y Vs

Conclusiones

• Una vez realizados los montajes de Amplificadores operacionales, podemos deducir que estos circuitos son de gran importancia hoy en día en la industria electrónica en general, debido a su capacidad de amplificar y limpiar señales de captación primarias indispensables en todos los procesos de control.

• En la practica del amplificador de instrumentación se tomaron valores según la configuración de los amplificadores no inversores bajo los términos de ganancia requeridos según el montaje. Se pudo observar y comprobar el rango de amplificación a través del osciloscopio usando dos canales para poder conectar la entrada Vi y la salida Vs. Para poder variar la ganancia del amplificador se debe modificar el valor de R2 (ajuste fino), también se coloco un ajuste de offset con el potenciómetro de 500 Ω colocado en serie con R9 a tierra. El potenciómetro R7 de 100 K ajusta el voltaje mínimo de salida con un voltaje p−p 20 V. A 10 Mhz. Se hicieron cambios de valor en la frecuencia de Vi y el circuito mantuvo estabilidad.

• Este circuito presenta un nivel bastante bajo de ruido y una ganancia 1000. Ideal en el uso de transductores de señales electrónicas de alta precisión.