Escuela Politécnica Nacional EPN. Hualpa Vivanco Marlon Jahir
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Trabajo Preparatorio de AMPLIFICADORES OPERACIONALES (PARTE I) (9 de junio del 2022) Hualpa Marlon marlon.hualpa@epn.edu.ec Laboratorio de Circuitos Electrónicos GR2-1 EPN
I. DESARROLLO DE LAS PREGUNTAS A. Consultar las características técnicas y distribución de pines de los amplificadores operacionales LM741 y LM358. Adelante se muestran las características y distribución de pines de ambos amplificadores. Amplificador LM741 • No requiere compensación en frecuencia • Posee una capacidad de anular el voltaje offset • Impedancia alta de entrada: 1 𝑀Ω • Impedancia baja de salida: 150 Ω • Ancho de banda: 1 𝑀𝐻𝑧 • Ganancia de tensión de lazo abierto: 110000 • Alto rango de tensión en modo común • Posee protección contra cortocircuitos • Tensión máxima de entrada: ±13 𝑉 • Tensión máxima de salida: ±14 𝑉 • Relación de rechazo de modo común: 90 𝑑𝐵 • Corriente de polarización: 200 𝑛𝐴 Así mismo la distribución de pines del amplificador previamente mencionado:
• • • • • •
Ganancia de voltaje típica de 100 Posee una ganancia de 100 dB. Oscilación de voltaje de salida típico de 28 V Compensación de entrada de corriente típica de 5 A El cortocircuito para GND: 40 mínima y 60 típicos Se utiliza como acoplador de impedancia y ganancia de frecuencia. Por otra parte, la distribución de sus pines es la siguiente:
Fig. 2. Distribución de pines del amplificador operacional LM358. B. Dibujar el diagrama de bloques interno típico de un amplificador operacional. La estructura interna de un amplificador operacional está conformada por 3 etapas, el cual se verá reflejado en el siguiente esquema:
Fig. 1. Distribución de pines del amplificador operacional LM741 Amplificador LM358 • Tiene un gran ancho de banda. • Compensación de entrada de voltaje típico de 2.9 V
Fig. 3. Diagrama de bloques interno típico de un amplificador operacional [1].
Escuela Politécnica Nacional EPN. Hualpa Vivanco Marlon Jahir C. Definir los siguientes términos de un amplificador operacional: Adelante se presenta una breve reseña de los términos previamente solicitados: • Tierra virtual. Es un nodo de un circuito que mantiene a un potencial de referencia constante no necesariamente debe estar conectado directamente al potencial de referencia, en ciertos casos, se considera que el potencial de referencia es el de la superficie de la tierra y, en consecuencia, el nodo de referencia se denomina "tierra" • Voltaje de compensación de entrada. Es el voltaje de corriente continua (CC) que debe aplicarse entre las dos terminales de entrada de un amplificador operacional para anular o poner a cero la salida • Corriente de polarización de entrada. Es la pequeña cantidad de corriente que atraviesa las conexiones de entrada del amplificador operacional para polarizar adecuadamente los circuitos internos. • Resistencia de entrada diferencial. Es la resistencia vista entre las dos entradas del amplificador operacional, cuando es conectado a lazo abierto, es decir, sin reacción. • Resistencia de entrada en modo común. Es la resistencia de una de las entradas con respecto a masa, cuando se aísla la otra entrada. • Corriente de compensación de entrada. Es el voltaje de corriente continua (CC) que debe aplicarse entre las dos terminales de entrada de un amplificador operacional para anular o poner a cero la salida. • Resistencia de salida. Es la medida entre los dos terminales de salida estando los terminales de entrada en circuito abierto D. Diseñar un amplificador inversor que cumpla con las condiciones de diseño detalladas en la Tabla 1. TABLA I. DATOS PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS AMPLIFICADOR INVERSOR. 𝑮𝒓𝒖𝒑𝒐 𝑽𝒊𝒏𝒑−𝒑 |𝑨𝒗 | 𝒇 𝑗𝑢𝑒𝑣𝑒𝑠 14 − 16 400 [𝑚𝑉] 30 1 𝑘𝐻𝑧 𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑒𝑠 9 − 11 𝑦 11 − 13 500 [𝑚𝑉] 25 2 𝑘𝐻𝑧 𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑒𝑠 14 − 16 𝑦 16 − 18 600 [𝑚𝑉] 20 3 𝑘𝐻𝑧
2 Adelante se muestra el posible esquemático:
Fig. 4. Amplificador operacional inversor E. Diseñar un amplificador no inversor que cumpla con las condiciones de diseño detalladas en la Tabla 2. TABLA II. DATOS PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS AMPLIFICADOR INVERSOR
𝑮𝒓𝒖𝒑𝒐 𝑗𝑢𝑒𝑣𝑒𝑠 14 − 16 𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑒𝑠 9 − 11 𝑦 11 − 13 𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑒𝑠 14 − 16 𝑦 16 − 18
𝑽𝒊𝒏𝒑−𝒑 600 [𝑚𝑉] 500 [𝑚𝑉] 400 [𝑚𝑉]
|𝑨𝒗 | 31 24 29
Teniendo en cuenta los anteriores valores, para este caso se tiene que: • 𝑉𝑜 = 600𝑚𝑉 ∗ 21 = 12.6𝑉 Sea: • 𝑉𝐶𝐶 = 9 𝑉 • 𝑉𝐸𝐸 = −9 𝑉 𝑅 • 𝐴𝑣 𝑁𝐼 = 𝑓 + 1 = 21 𝑅𝑖
•
→
𝑅𝑓 𝑅𝑖
= 21 − 1 = 20
Sea: • 𝑅𝑓 = 20 𝑘Ω • 𝑅𝑖 = 1 𝑘Ω Luego: −1 • 𝐵 = |𝐴𝑣 𝑁𝐼 | = 0.03 Adelante se muestra el posible esquemático:
Tomando en cuenta los valores de la TABLA I, se comienza por calcular lo siguiente: • • •
𝑉𝑜 = 400𝑚𝑉 ∗ 30 = 12𝑉 Sea: 𝑉𝐶𝐶 = 9 𝑉 𝑉𝐸𝐸 = −9 𝑉
•
𝐴𝑣 𝑁𝐼 =
•
→
𝑅𝑓
• •
Sea: 𝑅𝑓 = 45 𝑘Ω 𝑅𝑖 = 1.5 𝑘Ω
𝑅𝑖
𝑅𝑓 𝑅𝑖
𝒇 1 𝑘𝐻𝑧 2 𝑘𝐻𝑧 3 𝑘𝐻𝑧
= 30
= 30
Fig. 5. Amplificador operacional no inversor
Escuela Politécnica Nacional EPN. Hualpa Vivanco Marlon Jahir F. Dibujar la señal resultante en una hoja de papel milimetrado, si se tiene un circuito sumador no inversor en el cual el Vin(1) es una señal triangular de frecuencia 4 kHz y amplitud 2 V, y el Vin(2) es una señal cuadrada de amplitud 3 V con una frecuencia de 2 kHz. Adelante se muestra la forma de onda solicitada:
3 valor de la resistencia 𝑅𝑥 , tal y como se muestra a continuación: 𝑅𝑓 • 𝑅𝑥 = 𝐴− +1−𝐴+
𝑅𝑓
•
𝑅𝑥 =
•
𝑅𝑥 = [3+2]+1−[4+3] = −12𝑘Ω
[|𝐴𝑣3 |+|𝐴𝑣4 |]+1−[|𝐴𝑣1 |+|𝐴𝑣1 |] 12𝑘
El signo negativo de 𝑅𝑥 indica que es un peso negativo, por lo cual, debe ser colocado al pin inversor a tierra. Por lo cual, se presenta el siguiente esquemático:
Fig. 6. Voltaje de salida del circuito sumador de una señal cuadrada con una triangular. G. Diseñar un circuito sumador restador, que permita obtener la ecuación lineal dada en la Tabla 3.
Fig. 7 Circuito sumador y restador de sañales. Luego el voltaje de salida será:
TABLA III. ECUACIÓN CIRCUITO SUMADOR RESTADOR. 𝑮𝒓𝒖𝒑𝒐 𝑽𝒊𝒏𝒑−𝒑 𝑗𝑢𝑒𝑣𝑒𝑠 14 − 16 𝑣𝑜 = 4𝑣1 + 3𝑣2 − 3𝑣3 − 2𝑣4 𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑒𝑠 9 − 11 𝑦 11 − 13 𝑣𝑜 = 4𝑣1 + 2𝑣2 − 6𝑣3 − 1𝑣4 𝑣𝑖𝑒𝑟𝑛𝑒𝑠 14 − 16 𝑦 16 − 18 𝑣𝑜 = 4𝑣1 + 3𝑣2 − 1𝑣3 − 1𝑣4 Se conoce que: • 𝐴𝑣1 = 4 • 𝐴𝑣2 = 3 • 𝐴𝑣3 = −3 • 𝐴𝑣4 = −2 Además, se dispone a conectar 𝑅3 y 𝑅4 al lado negativo, dado que sus ganancias son negativas, y así mismo, se deberá conectar 𝑅1 y 𝑅2 al pin positivo dado que sus ganancias son positivas. Por otra parte, tomando en cuenta esto, se procederá a escoger el valor de 𝑅𝑓 donde este deberá ser múltiplo de 4, 3, y 2. En este caso, se procede a escoger 12 𝑘Ω. Luego, se procederá a escoger las resistencias para cada entrada: •
𝑅1 =
•
𝑅2 =
•
𝑅3 =
•
𝑅4 =
𝑅𝑓 𝐴𝑣1 𝑅𝑓 𝐴𝑣2 𝑅𝑓 𝐴𝑣3 𝑅𝑓 𝐴𝑣4
= = = =
12𝑘Ω 4 12𝑘Ω 3 12𝑘Ω 4 12𝑘Ω 2
𝑉1
𝑉2
𝑉3
𝑉4
•
𝑉𝑜 = 𝑅𝑓 [
•
𝑉𝑜 = 12𝑘Ω [
•
𝑉𝑜 = 4𝑉1 + 3𝑉2 − 3𝑉3 − 2𝑉4
𝑅1
+
𝑅2 𝑉1
3𝑘Ω
− +
𝑅3 𝑉2
−
4𝑘Ω
]
𝑅4 𝑉3
−
4𝑘Ω
−
𝑉4
]
6𝑘Ω
Cumpliendo con lo solicitado.
= 3𝑘Ω = 4𝑘Ω = 4𝑘Ω
II. BIBLIOGRAFÍA
= 6𝑘Ω
Luego, se suman los pesos de las ganancias positivas 𝐴+ contra los pesos de las negativas 𝐴− para poder hallar el
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Circuitos electrónicos ejercicios y aplicaciones, Tarquino Sánchez Almeida.Publicación: Escuela Politécnica Nacional, Primera Edición, 2015