Universidad Don Bosco Facultad de Ingeniería Escuela de Electrónica

Instituto de Investigación e Innovación en Electrónica

Asignatura: Diseño Electrónico Analógico Guía 1: Simulación del Amplificador Operacional Ideal

Lugar de Ejecución: Laboratorio de Fundamentos Generales (3.21)

Indicadores de Logros

▪ Utilizando el simulador HSpice de Synopsys construye un amplificador operacional a partir de componentes ideales básicos y comprueba su funcionamiento con un circuito seguidor de voltaje

▪ Crea un símbolo del amplificador operacional ideal y lo utiliza en la simulación de un circuito amplificador inversor

Materiales y Equipos

▪ 1 computadora con acceso a internet y la máquina virtual FEDORA 15 X64 ▪ 1 acceso al servidor de licencias Synopsys

Introducción Teórica

Un amplificador operacional u op-amp por sus siglas en inglés es un amplificador de muy alta ganancia que tiene una impedancia de entrada muy alta (por lo general de algunos megaohms) y una impedancia de salida baja (de menos de 100 Ω). La Figura 1(a) muestra un amplificador operacional básico, la entrada (+) produce una salida que está en fase con la señal aplicada, en tanto que la entrada (-) produce una salida de polaridad opuesta. La Figura 1(b) muestra el circuito equivalente de CA práctico del amplificador operacional, el cual contiene una fuente de voltaje dependiente de la diferencia de voltaje de entrada V+ y V-, como se ve, la señal de entrada aplicada entre las terminales de entrada experimenta una impedancia de entrada Ri que suele ser muy alta. Se muestra que el voltaje de salida debe ser la ganancia del amplificador (Ad) por la señal de entrada tomada a través de una impedancia de salida Ro, la que por lo general es muy baja. El circuito de un amplificador operacional ideal, como el de la Figura 1(c), solo contiene la fuente dependiente por lo tanto tiene una impedancia de entrada infinita, una impedancia de salida cero y una ganancia de voltaje Ad infinita.

(a) (b) (c)

Figura 1. (a) Amplificador operacional básico, (b) equivalente de CA del op-amp práctico y (c) equivalente de CA del op-amp ideal.

Amplificador Inversor La Figura 2(a) muestra la conexión de un circuito básico con op-amp conocido como amplificador inversor. Dicho circuito funciona como un multiplicador de ganancia constante. Se aplica una señal de entrada V1 a través de un resistor R1 a la entrada negativa. La salida se conecta de nuevo a la misma entrada negativa por medio de un resistor Rf. La entrada positiva se conecta a tierra. Como la señal V1 se aplica esencialmente a la entrada negativa, la fase de la salida resultante es la opuesta a la de la señal de entrada.

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La Figura 2(b) muestra el amplificador operacional reemplazado por su circuito equivalente ideal y la Figura 2(c) el mismo circuito redibujado para analizarlo mejor.

(a) (b) (c)

Figura 2. (a) Amplificador inversor, (b) Amplificador con el equivalente ideal y (c) Circuito redibujado para un mejor análisis.

Aplicando el principio de superposición, podemos resolver para el voltaje V1 en función de los componentes producidos por cada una de las fuentes. Para la fuente V1 únicamente (-AVVi establecida a cero) tenemos (1) y para la –AVVi únicamente (V1 se hace cero) tenemos (2).

𝑉𝑖1 =𝑅𝑓

𝑅1+𝑅𝑓𝑉1 (1) y 𝑉𝑖2 =

𝑅1

𝑅1+𝑅𝑓−𝐴𝑉𝑉1 (2)

Por tanto, el voltaje total Vi es igual a la suma de Vi1+ Vi2 que da como resultado (3) y si AV>> 1 y AVR1 >> Rf, tenemos como resultado (4) y resolviendo para Vo/Vi se obtiene (5), la cual nos muestra que la relación del voltaje de salida al voltaje de entrada depende sólo de los valores de los resistores R1 y Rf siempre que AV sea muy grande.

𝑉𝑖 =𝑅𝑓

𝑅𝑓+(1+𝐴𝑉)𝑅1𝑉1 (3), 𝑉𝑖 =

𝑅𝑓

𝐴𝑉𝑅1𝑉1 (4) y

𝑉𝑜

𝑉𝑖= −

𝑅𝑓

𝑅1 (5)

Seguidor unitario o seguidor de voltaje El circuito seguidor unitario o seguidor de voltaje como se muestra en la Figura 3, proporciona una ganancia unitaria sin inversión de polaridad o fase, es decir que V0= V1 (6). Por la alta impedancia de entrada del op-amp circuitos seguidores son utilizados para hacer adaptaciones de impedancia entre circuitos.

Figura 3. Circuito seguidor unitario o seguidor de voltaje

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Procedimiento Parte I. Realización de diagrama esquemático del circuito con Custom Compiler

1. Encienda la computadora, ejecute el programa VMware Player, abra la máquina virtual Fedora

64-bit que se encuentra en el directorio fundamentos/vídeos, de clic en abrir y luego en el botón Power On.

2. Una vez cargado el sistema operativo Fedora ingrese con el usuario: usuario 0 y contraseña:

usuario. 3. Ubique el puntero del mouse en la parte inferior de la pantalla, aparecerá el panel de tareas. Ver

Figura 4. En este de clic en el ícono de Administrador de Archivos , vaya a la carpeta Documents, y cree dentro de esta otra carpeta donde almacenará todos los archivos que generará en esta práctica, para ello de clic derecho ahí, luego Create New…, Folder y coloque un nombre para la carpeta.

Figura 4. Panel de Tareas.

4. Una vez creada la carpeta, regrese al panel de tareas, de clic en el ícono de LXTerminal y en la ventana que se abre digite el comando custom_compiler y presione Enter, deberá aparecer la ventana de Custom Compiler que se muestra en la Figura 5. Si es así continúe con el paso 6, si se muestra algún mensaje de error realice el paso 5.

Figura 5. Ventana de Custom Compiler.

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5. Cierre el terminal y compruebe que la fecha y hora del sistema operativo de la máquina virtual

sea correcta, si es así notifique al docente de laboratorio ya que probablemente hay problemas

en la conexión de Internet o con el servidor de licencias, pero si hay error en la fecha u hora

cámbiela dando clic en el ícono de inicio , Administration, Date & Time e ingresando la

contraseña (usuario), presione OK al finalizar, de un clic en cualquier parte de la pantalla, si

aparece la ventana de “XScreenSaver”, ingrese la contraseña y presione OK. Repita de nuevo el

paso 4.

6. A continuación, se creará una nueva librería para las celdas a realizar durante la práctica, para ello

en la ventana de Custom Compiler de clic en el menú Tools y luego en la opción Library Manager,

se abrirá la pestaña que se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Ventana Library Manager - Custom Compiler.

7. En esta pestaña de clic en el menú File, luego en la opción New y finalmente en Library…, se abrirá

una ventana como la que se muestra en la Figura 7. Coloque un nombre a la librería y escoja como

directorio la carpeta que creó en el paso 3. Presione el botón OK.

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Figura 7. Ventana New Library.

8. Para crear una vista de celda, seleccione en el menú File de la pestaña de “Library Manager”

(Figura 6) la opción New y CellView…, en la ventana que se abre en la opción “Libraries”

seleccione el nombre de la librería que creó, en la opción “Cell Categories” seleccione “All”, abajo

en “Cell Name” coloque un nombre para la celda, en la opción “View Name” seleccione

“schematic” y automáticamente en la opción “Editor” se colocará “Schematic Editor” (Ver Figura

8).

Figura 8. Ventana New CellView.

9. Presione el botón OK, se abrirá una pestaña con el editor para crear el esquemático del circuito. El circuito a implementar es el que se muestra en la Figura 9.

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Figura 9. Circuito seguidor de voltaje con modelo de op-amp ideal.

10. Para agregar los elementos en el editor puede dar clic en el menú Add y luego en la opción

Instance…, con el ícono “Add Instance” que tiene la siguiente forma o de manera más simple presionando la tecla “i”. Cualquiera de las opciones abre la ventana “Add Instance”.

11. Seleccione la librería analogLib, y en esta la celda vsin. La vista automáticamente se coloca como

Symbol, coloque como nombre para esta fuente senoidal V1 y coloque en los parámetros una amplitud de 1 V y una frecuencia de 1000 Hz. Ver Figura 10.

Figura 10. Ventana Add Instance para fuente de voltaje senoidal.

12. Una vez colocados todos los parámetros no cierre la ventana, sino de un clic en alguna parte del

esquemático para colocar la fuente creada, como podrá observar es posible seguir insertando más elementos de este tipo, como solo se necesita uno presione la tecla ESC para cerrar la ventana “Add Instance”.

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NOTAS IMPORTANTES

Nota 1: Para modificar alguna propiedad en el esquemático debe de dar un clic izquierdo en el elemento deseado para seleccionarlo y luego presionar la tecla “q”, así se abrirá la ventana de propiedades donde podrá cambiar lo que necesite.

Nota 2: Si se necesita mover de posición un elemento simplemente de clic izquierdo con el mouse sobre este y sin soltar el botón se arrastra hasta la posición deseada y se suelte el botón. Si necesita girarlo debe de dar un clic izquierdo en el elemento para seleccionarlo y luego presionar la tecla “r” y si necesita invertir la imagen como espejo se presiona “shift+r”.

13. Ingrese ahora una fuente de voltaje controlada por voltaje, para ello presione la tecla “i”, seleccione la librería analogLib y la celda vcvs, coloque como Voltage Gain: 100 y coloque la fuente en algún lugar del editor, no presione la tecla ESC ni cierre la ventana “Add instance” ya que se introducirán otros elementos.

14. Una vez colocada la fuente, siempre en la librería analogLib busque la celda gnd y coloque tres de

estos elementos en el editor. 15. Ingrese una resistencia (librería analogLib y celda: res) con el valor que da el editor por defecto,

se le cambiará en el siguiente paso. 16. Cierre la ventana “Add Instance” dando clic en el botón Cancel, de un clic sobre la resistencia y

luego presione la tecla “q”, deberá abrirse una ventana para modificar los parámetros del elemento, coloque el nombre de RL, el valor de resistencia de 100k Ohms y luego presione el botón “Apply Changes”. Ver Figura 12.

Figura 12. Ventana del editor de propiedades.

17. La ventana queda abierta para solamente dar clic en otro elemento y modificar sus propiedades. Cierre la ventana de editor de propiedades y coloque los elementos en las posiciones indicadas en la Figura 9 para proceder a unirlos.

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18. Para unirlos presione la tecla “w” o de clic en el ícono “Add Wire” que tiene la siguiente forma

, luego de un clic izquierdo en uno de los extremos de uno de los elementos a unir y luego de otro clic en el extremo del otro elemento (puede dar clics intermedios para que el alambre vaya tomando alguna dirección específica), al finalizar todas las uniones presione la tecla ESC para liberar la herramienta “Add Wire”.

19. El circuito debe quedar de manera similar al mostrado en la Figura 14. Presione la tecla ESC y de

un clic sobre el alambre que va al terminal positivo de la fuente de voltaje controlada por voltaje y presione la letra “q” para colocarle como nombre Vp, seleccione la opción “Name Visibility” y presione el botón “Apply Changes” (Ver Figura 13) o presione la tecla “Enter” para que los cambios surtan efecto.

20. De la misma forma coloque al alambre que se conecta a la resistencia de carga RL el nombre de

Vo.

Figura 13. Colocar nombre a alambre.

Figura 14. Esquemático del seguidor de voltaje con modelo de op-amp ideal.

21. De clic en el ícono Check and Save que tiene la siguiente forma o presione las teclas Shift+X para guardar el trabajo realizado y chequear si no ha habido algún error.

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22. En la ventana de consola que se debió abrir en la parte de abajo del esquemático se deberá indicar si ha ocurrido algún error, si todo está bien deberá aparecer al final que el diseño se ha completado, tal como se muestra en la Figura 15. Si la ventana de consola no aparece vaya al inicio de la ventana del Custom Compiler y seleccione el ícono Console (Ver Figura 5).

Figura 15. Ventana de consola del Custom Compiler.

Parte II. Simulación del circuito con Hspice

23. En la pestaña del editor del esquemático seleccione del menú Tools la opción SAE, en la ventana que se abre seleccione del menú Setup la opción Simulator…, en esta ventana seleccione como el directorio de resultados la carpeta que creó en el paso 3, deje los otros parámetros por defecto de la ventana Simulator y presione OK.

24. De nuevo en la pestaña de SAE seleccione del menú Setup la opción Analyses…, se abrirá la

ventana que se muestra en la Figura 16, ahí seleccione el tipo de análisis tran y coloque pasos de tiempo de 0.01m y el tiempo de parada de 10m segundos, tal como se muestra en la figura y presione OK.

Figura 16. Ventana para editar/crear análisis.

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25. De clic en la primera celda de la columna “Expression” y luego en el ícono “Select Output in

Design” como se muestra en la Figura 17. Esto lo llevará al esquemático del circuito donde deberá dar clic izquierdo sobre el alambre que nombró como Vp.

Figura 17. Seleccionar salidas para la simulación.

26. Dando clic en la siguiente celda de la columna “Expression” realice el mismo procedimiento para

seleccionar el alambre nombrado como Vo.

Figura 18. Expresiones y análisis.

27. En la pestaña de SAE seleccione del menú Simulation la opción Nestlist and Run, se abrirá la

pestaña de monitor de trabajo y si todo está bien deberá indicar su estado como “Finished” y WaveView “Running” (Ver Figura 19). También aparecerá la ventana Custom Wave View mostrando las señales de Vp y Vo.

Figura 19. Simulación correcta del circuito: trabajo finalizado y ventana de Custom Wave View con

las gráficas obtenidas.

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28. Con la opción “Vertical cursor” (ver Figura 20) puede medir el valor de ambas señales, arrastre el cursor a uno de los picos de la señal, como podrá observar el voltaje de salida Vo es muy cercano al de entrada Vp.

Figura 20. Uso del cursor vertical.

29. Busque en el panel de tareas la ventana del esquemático y cambie el parámetro voltage gain de

la fuente de voltaje controlada por voltaje a 1000. Chequee y guarde el esquemático y corra de nuevo la simulación (en la pestaña de SAE del menú Simulation la opción Nestlist and Run). Anote el valor de Vp: _____ y Vo: _____. Como puede observar la salida y la entrada son prácticamente idénticas, pero existen pequeñas diferencias. Esto debido a que la ganancia del op-amp simulado no posee ganancia de lazo abierto infinita.

30. Cambie el valor de ganancia de la fuente controlada a 10, chequee y guarde el esquemático.

Realice de nuevo la simulación para corroborar el efecto de tener una ganancia finita en el op-amp. Anote el valor de Vp: _____ y Vo: _____.

31. Cierre las pestañas de Custom Wave View, job monitor y SAE.

Parte III. Elaboración de símbolo del circuito

32. Ahora se creará un símbolo para el amplificador operacional, para no afectar este circuito se guardará el diseño creado con otro nombre dando clic dentro de la ventana del esquemático en el menú Design y luego en la opción Save As. Coloque otro nombre a Cell y presione el botón OK.

Figura 21. Guardar la celda con otro nombre.

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33. Contrario a otros programas el archivo que acabamos de guardar no es el que queda abierto, sino

el que se creó al principio y en el que hemos estado trabajando, y que ahora no hay inconveniente

en alterarlo pues ya se guardó una copia del original con otro nombre.

34. Coloque como ganancia de voltaje de la fuente controlada 1000, elimine la fuente de voltaje

senoidal, la resistencia de carga y las terminales gnd conectadas a estos elementos dando un solo

clic en el ícono “Delete” que tiene la siguiente forma y luego en los elementos que desea

eliminar.

35. Presione la tecla ESC para liberar la herramienta “Delete”, disponga los alambres y nómbrelos de

tal manera que queden de manera similar a la Figura 22 (es necesario que Vo quede al frente por

la forma del símbolo del operacional).

Figura 22. Circuito modificado.

36. Ahora se procederá a insertar pines en las entradas y salidas del circuito, para ello de clic en el

símbolo “Add Pin” que tiene la siguiente forma o presionando la tecla “p”, aparecerán las

opciones para esta herramienta, en la opción “Type” puede seleccionar si el pin será de entrada

(input) o de salida (output), para Vp y Vn serán de entrada y solamente para Vo será de salida,

recuerde que puede rotarlos presionando la tecla “R”, al colocarlos estos tomarán el nombre del

alambre (Ver Figura 23).

Figura 23. Añadir pines.

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37. Guarde y chequee el circuito , del menú Design, seleccione New CellView y de las opciones

de esta seleccione From CellView, aparecerá la ventana que se muestra en la Figura 24. La celda

fuente y de destino debe tener el mismo nombre, pero mientras la celda fuente tiene una vista

de esquemático la de destino debe tener una vista de símbolo y un editor de símbolo.

Figura 24. Ventana para generar una vista de celda a partir de otra.

38. Presione OK, se mostrará la pestaña del editor de símbolos donde se muestra el símbolo del

amplificador operacional que debe ser similar a como se muestra en la Figura 25.

Figura 25. Símbolo del amplificador operacional.

39. Borre las etiquetas y marco para que el símbolo quede como el mostrado en la Figura 26.

Figura 26. Símbolo del amplificador operacional modificado.

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40. En la pestaña de símbolo del menú ADD seleccione Shape , se abrirán las opciones de esta

herramienta, seleccione Path (ver Figura 27) y dibuje el triángulo del símbolo del amplificador

operacional (al final de doble clic para cerrar la figura). Para agregar los signos + y – para el símbolo

seleccione del menú ADD la opción Label y agregue una con el texto + y otra con el texto – y

ubíquelas dentro del símbolo. El resultado debe ser similar a lo mostrado en la Figura 27.

Figura 27. Dibujo de la forma del símbolo del amplificador operacional.

41. Guarde el símbolo y cierre la pestaña del editor de símbolo. En la pestaña del editor del

esquemático del menú Design seleccione la opción New… para crear una nueva vista de celda,

seleccione la librería que creó y en la opción “Cell Categories” seleccione “All”, abajo en “Cell

Name” coloque un nuevo nombre para la celda, en la opción “View Name” seleccione “schematic”

y automáticamente en la opción “Editor” se colocará “Schematic Editor” (Ver Figura 28).

Figura 28. Crear nueva vista de celda.

42. En la ventana del editor de esquemáticos que se abre presione la tecla “i” para agregar el

amplificador operacional creado, para ello seleccione la librería que se creó y la celda donde se

encuentra el símbolo del amplificador operacional. (Ver Figura 29).

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Figura 29. Selección de elemento creado.

43. Arme el circuito que se muestra en la Figura 30, además nombre los alambres de entrada y salida

como Vin y Vout respectivamente.

Figura 30. Circuito utilizando el símbolo creado.

44. Chequee y guarde el circuito y luego repita los pasos del 23 al 28, solo que esta vez las señales

que deseamos ver no son Vp y Vo sino Vin y Vout. Anote los valores obtenidos Vin:_____, Vout:

_____ y calcule la ganancia del circuito: ________. ¿Se obtiene el valor de ganancia esperado?

Si___, No___. ¿por qué? ______________________________________________.

45. Cambie el valor de R1 por 2k. Chequeé y guarde el circuito y corra de nuevo la simulación. Anote

los valores obtenidos Vin:_____, Vout: _____ y ganancia del circuito: ________.

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46. Cierre todas las ventanas de Synopsys y la ventana del terminal, apague correctamente la

máquina virtual de Fedora, para ello de clic en el ícono de inicio, luego en Logout y Shutdown,

espere a que se apague el sistema operativo y luego proceda a apagar la computadora física.

Figura 31. Apagar correctamente la máquina virtual.

Discusión de Resultados

1. Presente las gráficas obtenidas y las respuestas a las preguntas realizadas en el procedimiento.

2. Realice otro símbolo para el Amplificador Operacional que tenga la entrada no inversora arriba y la inversora abajo, muestre el resultado al docente de laboratorio.

Tarea Práctica

1. Investigue empresas fabricantes de amplificadores operacionales que permiten descargar modelos en Spice, descargue un modelo y utilícelo para simular el circuito de la Figura 30.

Bibliografía

[1] Flores, M. Utilización del Editor de esquemáticos y Hspice para circuitos generales Parte I y II, Curso introductorio de Synopsys llevado a cabo en la Universidad Don Bosco, Soyapango, El Salvador en 2015.

[2] Flores, M. Tutorial Simulación General Synopsys – I. Consultado en junio de 2019 en: http://microelectronicdesignandsimulation.blogspot.com/p/tutorial-simulacion-general-synopsys-i.html

[3] Synopsys. About Us. Consultado en julio de 2019 en: https://www.synopsys.com/company.html

[4] Synopsys. Data Sheet Custom WaveView: Waveform Viewer and Simulation Post-processing Tool. Consultado en junio de 2019 en: https://www.synopsys.com/content/dam/synopsys/verification/datasheets/Custom-WaveView-ds.pdf