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“USO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL”

Escuela Académico Profesional de Física, Universidad Nacional de Trujillo Avenida Juan Pablo II s/n, Trujillo, Perú

7 de Diciembre del 2015 En el presente informe realizaremos la medición de algunas características del amplificador

operacional real. Para ello, aplicaremos el Amplificador Operaciones (Amp-Op.) en la realización

de amplificadores inversores y no inversores. Además estudiaremos el comportamiento del

amplificador seguidor de voltaje a Amp-Op. Utilizando los Amp-Op. en la realización de

amplificadores sumadores inversores y no inversores, se pretende diseñar un amplificador

sumador-diferenciador.

I. MARCO TEÓRICO

Un amplificador operacional es un amplificador de DC

de alta ganancia de uso en un rango de frecuencia de 0

a 1MHz típicamente, por tanto es posible realizar un

estudio de sus aplicaciones y de algunas características

importantes en DC, mediante la conexión externa de

resistores, se puede medir la corriente de desbalance

de entrada, la corriente de polarización, el voltaje de

desbalance de entrada, así como realizar

amplificadores en los cuales se ajusta la ganancia de

voltaje y a su vez combinar varios voltajes en forma

aditiva o sustractiva con ponderación, resultando los

amplificadores denominados inversores, no inversores,

sumador-inversor, sumador-no-inversor o la

combinación de estos dos últimos originando sumador-

diferenciador, el cual recibe el nombre de restador

cuando sólo intervienen dos señales.

II. MATERIALES Y EQUIPOS:

Fuente de Salida entre ±9 a ±12 V (implementar

según instrucciones del profesor en un extremo del

protoboard). También se puede usar dos fuentes

ajustable de 0 a 15 V o baterías de 9 V.

1 Multímetro.

1 IC LM324 empaque Cuádruple de Amp-Op.

1 transistor 2N3904.

Resistencias de ½ W: 4.7 KΩ, 22 KΩ , 33 KΩ , 10 KΩ,

100 KΩ.

2 Condensadores: 0.47 𝜇𝐹 (16 V de rango o

mayor).

III. MÉTODO Y ESQUEMA EXPERIMENTAL

1. Armar la fuente de voltaje simétrica indicada por el

profesor responsable de laboratorio.

2. Determinación de la existencia del voltaje de

desbalance de entrada: Armar el circuito de la Figura

1 con uno de los Amp-Op. Del paquete (chip), con

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Ra=R=10 KΩ, Rf = 100 KΩ y Vi = 0. Alimentamos el chip

VCC = +10 y VEE = -10 V (alimentación que mantendrá

durante toda la practica). Medimos luego el voltaje

de salida, si es diferente de cero, aplicamos mediante

un divisor de voltaje construido con una pila y un

potenciómetro (ver figura 2) y compense la

desviación de cero de la salida, medimos el voltaje en

el divisor y lo anotamos.

3. Determinación de la existencia de la corriente de

balance de entrada: Armado el circuito de la figura 1

con uno de los Amp-Op. Ra=10 KΩ, Rf = 100 KΩ y Vi =

0. Alimentamos el chip (los cuatro Amp-Op.) y

medimos el voltaje de salida. Lo anotamos para usos

posteriores.

4. Amplificador Inversor: Restituir R =10 KΩ y mediante

el divisor de voltaje que implementamos en el paso 1,

aplicar el voltaje de entrada Vi entre -0.5 y +0.5 V (8

medidas como mínimo). Registramos el voltaje de

salida para cada Vi.

5. Amplificador No-Inversor: Retirar el divisor de

voltaje de Ra y conectamos ese extremo a tierra,

desconectamos el extremo de R de tierra y aplicamos

el divisor de voltaje en dicho extremo. Se debe dar

voltajes entre -0.5 y +0.5 en el divisor y registramos el

voltaje de salida para cada voltaje de entrada.

6. Amplificador Sumador Inversor: Armamos el circuito

de la Figura 1 con Ra= 22 KΩ, Rf = 68 KΩ, R = 10 KΩ y

colocamos una nueva resistencia Rb = 33 KΩ en forma

paralela a Ra pero con solo el extremo del

amplificador conectado juntas, mediante divisores de

voltaje conectamos voltajes Va y Vb a los extremos

libres de Ra y Rb. Medimos, luego, experimentalmente

las ganancias de cada entrada así como el resultado

de la aplicación conjunta Va y Vb. (Tomar solamente

valores positivos de voltaje en este paso).

7. Amplificador Sumador No-Inversor: Con Ra = 33 KΩ,

Rf = 68 KΩ, conecte a la entrada + del Amp-Op. Por

uno de sus extremos dos resistencias con valores R1 =

10 KΩ y R2 = 4,7 KΩ, medimos los resultados en Vo , al

aplicar tensiones V1 y V2 como entradas en las

resistencias R1 y R2. (Al igual que el paso anterior,

sólo para voltajes positivos).

8. Amplificador Sumador – Diferenciador (restador):

Combine los amplificadores resultados en los pasos 5

y 6, y construya un amplificador Sumador-

diferenciador. Realizar las medidas correspondientes.

9. Amplificador Seguidor de Voltaje: Retire todas las

resistencias del Amp-Op. Y una la salida y la entrada

(-), construir un divisor de voltaje con un

potenciómetro de 10 KΩ o mayor y una pila, la salida

del divisor debemos conectarla a la entrada (+) del

Amp-Op. Midiendo la salida del circuito para varios

voltajes en el divisor midiendo también con el VOM

los voltajes que suministra el divisor de voltaje.

Figura 1. Determinación de la existencia del

voltaje de desbalance de entrada.

Figura 2. Circuito de Divisor de voltaje de +0.5 a -

0.5 V

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IV. ANALISIS Y RESULTADOS:

Luego de lograr armar la fuente simétrica,

procedemos a realizar las mediciones pedidas en el

paso 2, lo cual nos resultó que Vo= 0V.

En la realización del paso 3, obtuvimos el siguiente

voltaje de salida: Vo= 10.7 mV

Con la realización del paso 4, obtuvimos una serie de valores, mostrados en la tabla siguiente:

Tabla 1 : Resultados de la parte 4.

Vi (V) Vo (V)

-0.5 4.99

-0.46 4.72

-0.41 4.23

-0.37 3.82

-0.31 3.21

-0.26 2.65

-0.2 2.08

-0.13 1.36

0.03 -0.27

0.06 -0.54

Ahora, al igual que en el paso 4, obtuvimos otra serie de valores, la cual mostramos en la tabla siguiente:

Tabla 2 : Resultados de la parte 5.

Vi (V) Vo (V)

-0.49 -5.37

-0.35 -3.83

-0.23 -2.55

-0.32 -3.53

-0.2 -2.22

-0.12 -1.29

0.07 0.73

0.21 2.32

0.32 3.48

0.5 5.55

En el paso 6, obtuvimos los siguientes resultados:

Tabla 3: Medida tomada con Vb=0V

Va Vo

1.16 -3.53

0.29 -0.86

Tabla 4: Medida tomada con Va=0V

Vb Vo

0.29 -0.58

0.59 -1.2

Tabla 5: Medida tomada con voltaje en Va y Vb

Va Vb Vo

0.53 1.01 -3.69

0.42 0.85 -3.03

En el paso 7, para un amplificador sumador no-inversor, obtuvimos las siguientes medidas.

Tabla 6: Medida tomada con V2=0V

V1 Vo

1.19 1.17

0.65 0.64

Tabla 7: Medida tomada con V1=0V

V2 Vo

0.54 1.13

0.41 0.86

Tabla 8: Medida tomada con voltaje en V1 y V2

V1 V2 Vo

0.85 0.44 1.75

1.22 0.56 2.37

Para el paso 8, proponemos la siguiente configuración:

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Y las medidas de esta configuración nos resulta:

Tabla 9: Medida tomada con voltajes en Va, Vb y V1

Va (V) Vb (V) V1 (V) Vo (V)

0.25 0.77 0.13 4.09

0.53 1.21 0.14 5.75

Del paso 3, teniendo que Vo= 10.7 mV, podemos determinar la corriente de desbalance de entrada:

𝐼𝐷𝑒𝑠 =10.7𝑚𝑉

10 𝐾Ω= 1.07𝜇𝐴

Ya que en la realidad los amplificadores operacionales siempre presentan pequeñas corrientes de entrada. Graficando la información de la tabla 1, resulta:

Donde la pendiente de la recta nos representa la ganancia del amplificador inversor. La cual resulto de −10 . Ahora, determinando la ganancia del amplificador inversor teóricamente:

𝑉0

𝑉𝑎= − (

𝑅𝐹

𝑅𝑎) = − (

100 𝐾Ω

10 𝐾Ω) = −10

De la información de la tabla 2, graficando esta tenemos:

Donde la pendiente de la gráfica representa la ganancia del amplificador no inversor. La cual resulto de 11. Si determinamos la ganancia teóricamente:

𝑉0

𝑉1= (1 +

𝑅𝐹

𝑅𝑎) = (1 +

100 𝐾Ω

10 𝐾Ω) = 11

Para las medidas de la tabla 3 y 4, existe una ganancia igual a la determinada en el amplificador inversor. Ahora, vamos a determinar el Vo teóricamente, cuando se aplica un Va y Vb diferente de cero, usando la información de la tabla 5, tenemos:

𝑉0 = −𝑅𝐹 (𝑉𝑎

𝑅𝑎+

𝑉𝑏

𝑅𝑏)

𝑉0 = −68𝐾Ω (0.53𝑉

22𝐾Ω+

1.01𝑉

33𝐾Ω) = 3.71 𝑉

Y comparando con el que se midió, existe un error relativo porcentual de 2%. Ahora como en el caso anterior, vamos a determinar el voltaje de salida del amplificador sumador no inversor; cuando se aplica un V1 y V2 diferente de cero, de la información de la tabla 8, tenemos:

𝑉0 = (1 +𝑅𝐹

𝑅𝑎) (

𝑉1

𝑅1+

𝑉2

𝑅2)(

𝑅1𝑅2

𝑅1 + 𝑅2)

𝑉0 = (1 +68𝐾Ω

33𝐾Ω) (

0.85𝑉

10𝐾Ω+

0.44𝑉

4.7𝐾Ω) (

10𝑥4.7

10 + 4.7)𝐾Ω

𝑉0 = 1.748𝑉

Comparando con el resultado medido en la tabla 8, hay un error de 0.1%.

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V. CONCLUSIONES:

Logramos mostrar que un amplificador

operacional real, tiene unas pequeñas

corrientes de desbalance, comparado con

el amplificador operacional ideal. Donde el

valor de dicha corriente resulto de 1.07𝜇𝐴.

Logramos determinar las ganancias del

amplificador inversor como también del no

inversor, los cuales resultaron de -10 y 11

respectivamente.

Pudimos comprobar la teoría sobre el

amplificador sumador inversor y del

amplificador sumador no-inversor, las

cuales caen en un error relativo de un 2%

y un 0.1%, pudiendo decir que estos

valores tienen un alto nivel de confianza.

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

Albert Malvino, David J. Bates, Principios de

Electronica; 7 Ed. Mac Graw Hill.

www.monografias.com/trabajos74/amplificad

or-operacional-scr/amplificador-scr.shtml

Joseph E. Edminister M.S.E., Circuitos

Eléctricos, Segunda Edición, Mc Graw-Hill,

México, 2009