Electrónica Analógica II

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Resumen—. En el presente ensayo se trata de dar a

conocer las aplicaciones de los Comparadores con Amplificadores Operacionales en configuración de comparador con referente cero, Comparador con referencia diferente de cero, Comparador con histéresis con ventana regulable. En especial en este ensayo se hace un estudio profundo de los Comparadores con Amplificadores Operacionales.

Índice de Términos — Comparadores con

Amplificadores Operacionales.

I. INTRODUCCIÓN

Un comparador analiza una señal de voltaje en una entrada

respecto a un voltaje de referencia en la otra entrada. El

amplificador operacional de propósito general se utiliza como

sustituto de los CI diseñados específicamente para

aplicaciones de comparación.

Desafortunadamente, el voltaje de salida del amplificador

operacional no cambia con mucha velocidad. Además sus

salida cambia, entre los límites fijados por los voltajes de

saturación, +Vsat y - Vsat, alrededor de ± 13 V. Por tanto, su

salida no puede alimentar dispositivos, como los CI de lógica

digital TTL, que requieren niveles de voltaje entre 0 y +5 V.

Tanto el amplificador operacional de propósito general como

el comparador no operan con propiedad si hay ruido en

cualquier entrada. Para resolver este problema, se aprenderá

como con agregar retroalimentación positiva se resuelve el

problema de ruido

II. TEMA:

Comparadores con Amplificadores Operacionales.

III. OBJETIVOS

1. Diseñar calcular y comprobar el funcionamiento del

siguiente circuito Comparadores con Amplificadores

Operacionales.

2. Comparador con referente cero.

3. Comparador con referencia diferente de cero.

4. Comparador con histéresis con ventana regulable y

referente central regulable.

5. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de

un circuito detector de cruce por cero de una onda

sinusoidal.

6. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de

un circuito generador de funciones con las tres

señales.

IV. MARCO TEÓRICO

A. Los Comparadores.

Los comparadores son circuitos no lineales que, como su

nombre indica, sirven para comparar dos señales (una

de las cuales generalmente es una tensión de referencia)

y determinar cuál de ellas es mayor o menor. La tensión

de salida tiene dos estados (binaria) y se comporta como

un convertidor analógico-digital de 1 bit. Su utilización

en las aplicaciones de generación de señal, detección,

modulación de señal, etc, es muy importante y

constituye un bloque analógico básico en muchos

circuitos.

Cuando comparan lo hacen con respecto a una referencia

y la salida puede ser un estado alto (VOH) o un estado

bajo (VOL).

Si usamos como refencia cero voltios el circuito se

comporta como un detector de cruce por cero. Asi

podemos tener:

Detector de cruce por cero (Voltaje de referencia

terminal invertente.)

)(VVi VsatVs

)(VVi VsatVs

PRÁCTICA N11

Juan Valdez.

jvaldez@est.ups.edu.ec

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Detector de cruce por cero (Voltaje de referencia

terminal No invertente.)

)(VVi VsatVs

)(VVi VsatVs

B. Efectos de ruido sobre los circuitos

comparadores.

Los Amplificadores Operacionales pueden actuar como

comparadores cuando la ganancia diferencial en lazo

abierto sea alta (>10.000) y la velocidad no sea un factor

crítico. Como ejemplo, el OA 741 se comporta como un

elemento de entrada lineal si la tensión de entrada en

modo diferencia está comprendida entre los valores –

65µV<V <+65µV. Fuera de ese rango la etapa de salida

del amplificador entra en saturación y puede

comportarse como comparador.

En la figura se muestra una aplicación sencilla del OA

741 como comparador. El amplificador carece de

realimentación y en la figura también se puede observar

que siempre que Vi > VT, entonces la salida es baja, y

viceversa, si Vi < VT la salida es alta. Los límites alto y

bajo de V son establecidos por las tensiones de

alimentación; en este caso ±15V. La figura también

muestra un ejemplo del comportamiento de este circuito

a una entrada V analógica.

Aunque los OAs funcionalmente pueden actuar como

comparadores, sus limitaciones hacen que sean

inservibles para muchas aplicaciones. Tienen una

limitación en frecuencia importante, un slew-rate bajo

y unos retrasos tan elevados que únicamente son válidos

a frecuencias bajas. Además, los OAs están pensados

para actuar como amplificadores e incluyen técnicas de

compensación en frecuencia no necesarias cuando

operan como comparadores. A veces es necesario

añadir una circuitería adicional cuando los niveles de

tensión tienen que ser compatibles con TTL, ECL o

CMOS. Por estas limitaciones, se han desarrollado

comparadores monolíticos especialmente concebidos

para aplicaciones de comparación.

La función de un generador de señal es producir una

señal dependiente del tiempo con unas características

determinadas de frecuencia, amplitud y forma.

Para ejecutar la función de los generadores de señal se

emplea algún tipo de realimentación conjuntamente con

dispositivos que tengan características dependientes del

tiempo (normalmente condensadores).

C. Generador de onda triangular.

En la figura se muestra un circuito generador de onda

triangular bipolar básico. La onda triangular, VA, se

obtiene a la salida del circuito integrador 741. A la salida

del comparador 301 se presenta una señal de onda

cuadrada, VB.

El circuito integrador 741 y el circuito comparador 301

se conectan para construir un generador de onda

triangular.

D. Generador de onda cuadrada.

El siguiente circuito es un oscilador de relajación

hecho con un amplificador operacional con

realimentación positiva. La tensión en la entrada no

inversora del amplificador operacional es el

resultado de acoplar la tensión de salida a través de

un divisor de resistencias compuesto de R1 y R2.

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La tensión en la entrada inversora se desarrolla como

parte de una combinación RC. Si la entrada

diferencial es positiva, la salida del amplificador

operacional se satura cerca del valor positivo de la

fuente de alimentación. Por el contrario, si la entrada

diferencial es negativa, la salida se satura cerca del

valor negativo de la fuente de alimentación.

Cuando la salida se halla en un valor positivo, el

capacitor se carga hacia este valor en forma

exponencial con una constante de tiempo RC. En

algún punto, este crecimiento en la tensión de la

entrada inversora hace que el amplificador

operacional cambie al otro estado, donde la tensión

de salida es negativa.

Entonces el capacitor empieza a descargarse hacia

este valor negativo hasta que la entrada diferencial

se vuelve negativa.

E. Generador de onda senoidad.

Las propiedades de selección de frecuencias del puente de

Wien estudiadas en la teoría son muy adecuadas para la red de

realimentación de un oscilador. El oscilador de puente de

Wien se utiliza mucho en los instrumentos de laboratorio de

frecuencia variable llamados generadores de señales.

V. LISTADO DE MATERIALES

Cantidad Descripción Precio

2 TL084CN 4.00

11 AO 741 3.85

6 Pot. 10K 2.00

Varios Capacitores 0.75

Varias Resistencias 1.00

2 Diodos 00.50

Total $11.60

VI. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

A. Comparador con referente cero no ivertente.

Diseño:

U1

OPAMP_5T_VIRTUAL

R1

1kΩ

VEE

-12V

VCC

12V

XFG1

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

Cálculos:

Formas de Onda

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Verificación del funcionamiento en Laboratorio:

Forma de Onda Obteni en Laboratorio

B. Comparador con referente diferente de cero.

Diseño:

Cálculos:

Formas de Onda

Forma de Onda Obteni en Laboratorio

C. Comparador con histéresis con ventana regulable y

referente central regulable.

Diseño:

Cálculos:

Formas de las Ondas

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Forma de ondas obtenidas en laboratorio:

D. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de un

circuito detector de cruce por cero de una onda sinusoidal

Diseño:

Cálculos:

Forma de Onda

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Forma de onda obtenida en laboratorio:

E. Generador de funciones con las tres señales.

Diseño:

U1

LM741CJ

3

2

4

7

6

51

VCC

12V

VEE

-12V

U2

LM741CJ

3

2

4

7

6

51

VCC

12V

VEE

-12V

U3

LM741CJ

3

2

4

7

6

51

VCC

12V

VEE

-12V

U4

LM741CJ

3

2

4

7

6

51

VCC

12V

VEE

-12V

R1

10kΩ

C1

1µF

R2

100kΩ

R3

100kΩ

C2

0.1µF

R4100kΩ R5

100kΩ

R6

10Ω

Key=A

CONTROL DE FRECUENCIA

50%

U5

LM741CJ

3

2

4

7

6

51

VCC

12V

VEE

-12V

U6

LM741CJ

3

2

4

7

6

51

VCC

12V

VEE

-12V

U7

LM741CJ

3

2

4

7

6

51

VCC

12V

VEE

-12V

R7

1kΩ

R81MΩ

Key=A

AMPLITUD

50%

R9

1kΩ

R10

1kΩ

R11

1kΩ

R121kΩ

R131kΩ

R14

1MΩ

Key=A

OFFSET

50%

VDD

12V

VSS

-12V

S1

Key = Espacio

TRIANGULAR

SENOIDAD

CUADRADA

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

Cálculos:

Generador de onda Cuadrada:

Generador de onda Triangular:

Vs = Vi.t / τ t * 2 = 1 / f

13.5 = 2.0,3m / τ t = 0.3 ms

τ = 44 us

C = 0.1 uF R = 898 Ω

13 = 5.4 / R.C

RC = 1.538

C = 10 uF R = 153.8 k Ω

V = (R2 / R1).Vs

12 = (R2 / R1).13

R1 = 1 kΩ R2 = 923 Ω

Generador de onda Sinusoidal:

Vs = Vi.t / τ t * 2 = 1 / f

13.5 = 2.0,3m / τ t = 0.3 ms

τ = 44 us

C = 0.1 uF R = 898 Ω

13 = 5.4 / R.C

RC = 1.538

C = 10 uF R = 153.8 k Ω

V = (R2 / R1).Vs

12 = (R2 / R1).13

R1 = 1 kΩ

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Forma de Onda

Onda cuadrada

Variasion del offset

Variacion de la frecuencia

Variacion de la apliatud.

Onda seniodad

Variasion del offset

Variacion de la apliatud.

Variacion de la frecuencia

Onda triangular.

Variasion del offset

Variacion de la apliatud.

Variacion de la frecuencia

Forma de onda obtenida en laboratorio: Onda Senoidal:

Variando frecuencia y Amplitud:

Variando Amplitud, Frecuencia y Offset:

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Onda Cuadrada:

Variando frecuencia y Amplitud:

Variando Amplitud, Frecuencia y Offset:

Onda Triangular:

Variando frecuencia y Amplitud:

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Variando Amplitud, Frecuencia y Offset:

Combinando todas las formas de Onda Obtenemos:

VII. CONCLUSIONES

Traer todos los cálculos correspondientes para

dedicarse en el laboratorio solo a comprobar.

Traer todos los materiales correspondientes para

no pasar tiempo al momento de realizar las

prácticas.

Al realizar la práctica los valores calculados en

casa coincidieron con los valores obtenidos en el

laboratorio.

Luego de armar el circuito generador de

funciones procedimos a comprobar su

funcionamiento obteniéndose en el laboratorio a

la salida del circuito todas las señales correctas

estas son las formas de onda triangular cuadrada

y sinusoidal todas en forma correcta..

Como vimos luego de culminar con la

realización de la práctica este es un circuito muy

simple y a la vez muy útil para la comprobación

del funcionamiento de algunos circuitos

electrónicos ya que es un circuito completo que

tiene calibración de offset, amplitud y

frecuencia.

VIII. CONCLUSIONS

Bring all calculations to engage in the lab just to

check.

Bring all appropriate materials for not spending time

at the time of practice.

When making practice at home the calculated values

agreed with values obtained in the laboratory.

After assembling the circuit function generator

proceeded to test it obtained in the laboratory at the

output of all the right signals these are the triangular

waveforms sine square and all properly ..

As we saw after completing the practical realization

of this circuit is very simple but very useful for

checking the operation of some electronic circuits

since it is a complete circuit that has calibration

offset, amplitude and frequency.

REFERENCIAS

[1] http://www.lecroy.com/Applications/ProbesProbing/default.asp

[2] http://www.uv.es/gcamps/materialea/ [3] webdiee.cem.itesm.mx [4] Robert Boylestad & Louis Nashelsky, ―Teoría de circuitos

de electrónica‖, Prentice Hill, 1992