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UNIVERSIDAD DE PUERTO RICORECINTO UNIVERSITARIO DE MAYAGUEZ

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LABORATORIO DE ELECTRONICA II

INEL 4512MANUAL DE EXPERIMENTOS

Revisado por: José J. De Jesús LópezSupervisado por: Rogelio Palomera

UNIVERSIDAD DE PUERTO RICORECINTO UNIVERSITARIO DE MAYAGUEZ

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Introducción

Este manual de Laboratorio ha sido escrito para estudiantes del curso de Electrónica II, enfatizando principalmente en el análisis de circuitos basados en transistores, aplicaciones y diseño. Este está compuesto por 10 experimentos los cuales están distribuidos en forma tal que el estudiante aproveche y refuerce eficazmente los experimentos realizados.

Los estudiantes al finalizar este curso deberán estar en capacidad de:

1. Conocer y ser capaz de usar eficazmente circuitos basados en transistores.

2. Poder corroborar experimentalmente lo que se mide en la practica con respecto a los resultados teóricos.

3. Entender que los modelos son aproximaciones para una situación física, por lo que deben ser adaptados y modificados siempre que sea necesario, para hacer que se cumpla según lo especificado y la realidad.

4. Poder diseñar circuitos digitales sencillos siguiendo un grupo de especificaciones proporcionados.

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Programación del curso

Semana

Actividad Titulo de experimento

01 -- Presentación del Curso02 Experimento 01 Ancho de banda de un Emisor Común03 Experimento 02 Amplificadores realimentados04 Experimento 03 Diseño de osciladores05 Experimento 04 Amplificadores Operacionales y sus aplicaciones06 Experimento 05 Osciladores No lineales con Amplificadores operacionales07 Examen parcial08 Experimento 06 Amplificadores tipo Norton09 Experimento 07 Diseño de filtros activos10 Experimento 08 Amplificadores de potencia11 Experimento 09 Otros ejemplos de circuitos integrados I12 Experimento 10 Otros ejemplos de circuitos integrados II13 Experimento 11 Conversión de datos A/D y D/A16 Examen Final

(Entrega de proyecto)

Equipo Por Cada Experimento

Experimento/Equipamiento 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Osciloscopio x x x x x x x x x xFuente de Voltaje Dual x x x x x x x x x x xGenerador de funciones x x x x x x x x xMultímetro Digital x x x x x xBoard x x x x x x x x x x x

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Dispositivos requeridos

Dispositivos Valores Semiconductores 2N3904, 2N3906, 1N914, Led.

Circuitos Integrados LM741, LM3900, LM555, CD4016

Resistencias 47, 100, 150, 180, 330, 870, 1K, 2k, 2.7k, 3.3k, 3.9k, 4.7k, 6.8k, 8k, 8.43k, 10k, 15k, 22k, 27k, 30k, 47k, 100k, 220k, 1M, 2M.

Potenciómetros 10 K, 100 K.

Capacitores 0.15nF, 1nF, 2.2nF, 3.3nF, 10nF, 22nF, 10F, 1F, 2.2F, 4.7F, 10F, 15F, 47F.

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ContenidoIntroducción

Programa del curso

Equipos por cada experimento

Dispositivos Requeridos

Experimento 1: Ancho de banda de un Emisor Común

Experimento 2: Amplificadores realimentados

Experimento 3: Diseño de osciladores

Experimento 4: Amplificadores Operacionales y sus aplicaciones

Experimento 5: Osciladores No lineales con Amplificadores operacionales

Experimento 6: Amplificadores tipo Norton

Experimento 7: Diseño de filtros activos

Experimento 8: Amplificadores de potencia

Experimento 9: Otros ejemplos de circuitos integrados I

Experimento 10: Otros ejemplos de circuitos integrados II

Experimento 11: Conversión de datos A/D y D

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EXPERIMENTO 01

Ancho de Banda de un Emisor Común

Objetivos

1. Utilizar circuitos RC como modelos para representar la respuesta de frecuencia de un amplificador y graficar experimentalmente dicha respuesta.

2. Entender cómo los condensadores externos al transistor afectan la frecuencia de corte inferior de un amplificador y cómo las capacitancias internas del transistor afectan la frecuencia de corte superior.

Equipos

Fuente de poder variableGenerador de señalOsciloscopioMultímetroBreadboard

Dispositivos

Resistencias Capacitores Transistor 10 K 1 F (3) Q2N3904 4.7 K 10 F (3) 150 1 nF 2.7 K 0.15 nF 3.9 K (2)

Fundamento Teórico

La respuesta de un amplificador a una señal dada depende en realidad de la frecuencia que esa señal tenga; esto puede tener un efecto pronunciado sobre el rango de utilidad de una red sencilla o de multietapas.

Típicamente, la respuesta en frecuencia de un amplificador tiene la forma ilustrada en la figura 1-1. Se distinguen tres intervalos de frecuencia, según se muestra en la figura: frecuencia baja, frecuencia media y frecuencia alta. En frecuencias medias, los capacitores de un ampl. A frecuencias bajas los capacitores de acoplamiento y de emisor ya no pueden aproximarse por un corto circuito, debido al incremento en la reactancia de estos elementos.

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Figura 1-1. Respuesta de frecuencia de un amplificador

Para determinar la frecuencia de corte baja, debida normalmente a las reactancia de los capacitores de acoplamiento o de desvío Cc, Cs y CE, se realiza una analogía con una red de primer orden como la que se muestra en la figura 1-2, y cuya respuesta en frecuencia se tiene en la figura 1-3. Para esta red, la frecuencia en la que deceae la ganancia por un factor de 0.707 es 1/RC rad/s.

Figura 1-2

Figura 1-3

Por analogía con el circuito de la figura 1-2, y suponiendo que las constantes de tiempo están suficientemente separadas, para determinar la frecuencia baja de corte para el sistema se procede de la manera siguiente:

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- Se apaga la señal y se cortocircuitan todos los capacitores de acoplamiento o de desvío, excepto uno de ellos.

- Para el capacitor que no se cortocircuitó, se obtiene la resistencia equivalente vista por el capacitor;

- Se calcula la constante de tiempo RC, y su inversa w=1/RC- Se repite el procedimiento para cada uno de los capacitores de acoplamiento y

desvío.- Si w1, w2,..wn son las frecuencias calculadas, entonces la frecuencia baja fL

satisface max(w1, w2, ..wn)/2 < fL < (w1+w2+...wn)/2 .

En el extremo de alta frecuencia hay dos factores que definen el punto de –3 dB; la capacitancias pequeñas de la red (parásitas del transistor o introducidas por el

diseñador) y la dependencia con la frecuencia de h fe( β ). Para determinar la frecuencia de

corte superior es necesario el valor practico de f T del transistor. Esta es la frecuencia en donde la ganancia en corriente de un amplificador emisor común en corto circuito es unitaria. Por lo general esta frecuencia está en el orden de los MHz.

Una forma aproximada de calcularla es interpretándola como el producto de la ganancia por el ancho de banda.

f T=h fe+ f B

donde h fe es la ganancia en corriente y f B es el ancho de banda.

Pre-Laboratorio

1. Realizar las simulaciones en PSPICE de los circuitos a realizarse y encuentre la frecuencia de corte para cada uno de los condensadores.

2. Calcular la frecuencia de corte de cada uno de los condensadores.

Procedimiento

1. Conecte los condensadores externos que determinan la frecuencia de corte superior, como se muestra en la figura 1-2. Utilice una señal de entrada que no cause distorsión en la banda media de frecuencia.

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Figura 1-4

2. Determine la frecuencia de corte superior (fH) y la frecuencia de corte inferior (fL) para los valores de las capacitancias que aparecen en la siguiente tabla.

C1, C2 (uF) C4, C5 (nF) CE (uF)10, 10 1, 1 1010, 10 0.15, 0.15 101, 1 1, 1 101, 1 0.15, 0.15 1

3. Para trazar las curvas de respuesta de frecuencia para cada caso, varíe la frecuencia de la señal de entrada desde 1 KHz hasta una decada después de la frecuencia de corte superior para cada caso. Establezca un intervalo apropiado para tomar una buena cantidad de valores sin tardar mucho tiempo.

4. Debe observar que a partir de cierta frecuencia la ganancia aumenta y/o disminuye hasta alcanzar un nivel constante. Recuerde que el cambio no es abrupto, por lo que debe tomar valores más cerca entre sí en esta área para poder determinar con más exactitud la(s) frecuencia(s) de corte.

Referencias1. Floyd, Thomas L. Electronic Devices. Fifth edition. Prentice Hall, New Jersey 1999

2. MALIK. Electronic Circuits, Prentice Hall. 1995.

3. Gray, Paul & Meyer, Robert. “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”. Second Edition. Wiley & Sons. 1997.

4. Robert Boylestad and Louis Nashelsky, Electronica Teoría de Circuitos. Quinta edición. Prentice Hall.

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EXPERIMENTO 01

Ancho De Banda De Un Emisor Común

Hoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________

Sección:___________________ Instructor:__________________

1. - Punto de operación del amplificador.

VCE =____________ IC = _____________ IB =__________________

1.1 –Datos del amplificador en AC.

Vin: ______________ Vout: ______________

Av. : ______________

1.2 – Compare los resultados de los puntos 1.1 y sus cálculos teóricos.

2. – Determine la frecuencia de corte superior (fH) y la frecuencia de corte inferior (fL) para los valores de las capacitancias que aparecen en la tabla:

No. C1, C2(F) C4, C5(F) CE (F) fL fH

1 10,10 1.0, 1.0 102 10,10 0.15, 0.15 103 1.0, 1.0 1.0, 1.0 104 1.0, 1.0 0.15, 0.15 1.0

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3. – Trace la curva de transferencia para cada caso, varíe la frecuencia de la señal de entrada desde 1KHz hasta 100 MHz.

(1)

(2)

13

(3)

(4)

5. - Explique el efecto de cada condensador en relación con la frecuencia de corte del amplificador.

C1, C2:

C4 y C5:

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CE:

5. – Conclusiones.

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EXPERIMENTO 02

Amplificadores RealimentadosObjetivo

1. Estudiar el efecto que tiene la realimentación en las características de un amplificador.

Equipos Fuente de poder variableGenerador de señalOsciloscopioMultimetroBreadboard

Parte A.Realimentación de Transconductancia

Dispositivos

Resistencias Capacitores Transistor 10 K 2.2 F (2) Q2N3904 4.7 K 10 F 150 2.7 K 3.9 K (2)

Fundamento Teórico

El amplificador ideal de transconductancia suministra una corriente de salida proporcional a la tensión de la señal, independientemente de los valores de Rs y RL. Este amplificador debe tener una resistencia de entrada Rf infinita y una resistencia de salida R0 también infinita. Un amplificador de transconductancia práctico tiene, en realidad, una gran resistencia de entrada ( Ri >> Rs ) y por tanto debe ser excitado por una fuente de pequeña resistencia. Tiene una gran resistencia de salida (R0 >> Ri ) y por tanto excita una carga de pequeña resistencia.

En este laboratorio se analiza un amplificador de transconductancia con realimentación de topología corriente – serie, como se muestra en la figura 2-1. Este

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amplificador con esta topología tiene una resistencia de entradaRif =Ri D y una

resistencia de salida R0 f=R0(1+βGm)donde D=1+βA .Figura 2-1

La corriente de carga en un amplificador de realimentación de corriente – serie es directamente proporcional a la tensión de entrada, y tal corriente depende únicamente de RE y de ningún otro circuito o parámetro del transistor. La impedancia de salida con realimentación de corriente serie puede determinarse aplicando una señal en la salida con Vs en corto, produciéndose una corriente I, siendo la relación de V e I la impedancia de salida.

Pre-Laboratorio

1. Calcule el punto de operación para el circuito mostrado en la figura 2-2.

2. Realice la simulación en PSPICE del circuito a estudiarse.

Procedimiento1. Construya el circuito de la figura 1-2. Al construirlo procure que CE quede en una

posición accesible para que sea fácil de conectarlo y desconectarlo.

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Figura 2-22. Con CE conectado en paralelo a RE aplique una señal senoidal con una frecuencia de

5 KHz y ajuste la amplitud de la señal para obtener máxima salida sin distorsión.

3. Realice las medidas necesarias para determinar la ganancia de voltaje, corriente, resistencia de entrada y resistencia de salida.

4. Elimine el capacitor CE del circuito. Repita las medidas del paso anterior.

Parte B.Realimentación de Corriente

Dispositivos

Resistencias Capacitores Transistor 825 1 k

4.7F 10F

Q2N3904 (2)

3.3 k 47F 7.5 k 10 k (2) 15 k 100 k (2)

Fundamento Teórico

Un amplificador de corriente ideal se definiría como un amplificador con corriente de salida proporcional a la corriente de la señal, siendo el factor de proporcionalidad independiente de Rs y RL. Un amplificador de corriente ideal debería tener una resistencia de entrada Ri nula y una resistencia de salida Ro infinita. En la practica, el amplificador tendrá una resistencia de entrada baja y una resistencia de salida alta. Debe excitar una carga de baja resistencia (Ro >> RL), y ser excitado por una fuente de resistencia alta (Ri << Rs).

La figura 2-3 representa el circuito equivalente de Norton de un amplificador de

corriente. En este se observa que Ai≡I L/ I i ,con RL=0 , representa la amplificación en corto circuito, o ganancia.

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Figura 2-3Pre-Laboratorio

1. Realice las simulación en PSPICE del circuito a estudiarse.

Procedimiento

1. Construya el circuito de la figura 2-4.

Figura 2-4

2. Aplique una señal senoidal con una frecuencia de 5 KHz y ajuste la amplitud de la señal para obtener máxima salida sin distorsión.

3. Realice las medidas necesarias para determinar la ganancia de voltaje, corriente, resistencia de entrada y resistencia de salida.

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Referencias

6. Jacob Millman y Christos C. Halkias. Electrónica Integrada. Séptima edición1986. Editorial Hispano Europea, S.A.

7. Floyd, Thomas L. Electronic Devices. Fifth edition. Prentice Hall, New Jersey 1999

8. MALIK. Electronic Circuits, Prentice Hall. 1995.

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EXPERIMENTO 02

Amplificadores Realimentados

Hoja de respuesta

Nombre:___________________ ID:________________________


Parte A.Realimentación de Transconductancia

1. Punto de operación del amplificador.

VCE =__________ V, IC =__________ A, IB =___________ A

1.1 ¿Existen diferencias entre los valores medidos y los calculados por usted?. ¿Por qué?. ¿Que sugiere usted al respecto, si estos difieren mucho?.

2. Voltaje de salida máximo sin distorsión. Vout =_____________ V

2.1 Para el circuito en el punto 2, ¿Existe la realimentación? ¿Por qué?

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3. Datos del amplificador incluyendo CE:

AV =_____________ Zin =____________

AI =______________ Zo =____________

4. Datos del amplificador sin incluir CE:

AV =_____________ Zin =____________

AI =______________ Zo =____________

4.1 Compare los datos obtenidos en el numeral 3 con los del 4. Explique por qué la diferencia de resultados.

5. ¿Qué parámetros, cuando son alterados, logran que la ganancia estabilizada por la

realimentación se altere: el transistor, los condensadores, las resistencias o las

fuentes?

6. Conclusiones.

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Parte B.Realimentación de Corriente

1. Datos calculados

AV =_____________ Zin =____________

AI =______________ Zo =____________

2. Datos medidos

AV =_____________ Zin =____________

AI =______________ Zo =____________

3. Compare los datos obtenidos en el numeral 1 con los del 2. Explique por qué la diferencia de resultados.

4. ¿Qué parámetros, cuando son alterados, logran que la ganancia estabilizada por la

realimentación se altere: el transistor, los condensadores, las resistencias o las

fuentes?

5. Conclusiones.

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EXPERIMENTO 03

Diseño de osciladores

Objetivo

1. Entender el funcionamiento y diseño de un oscilador de corrimiento de fase con transistores, con puente de Wien, y con un amplificador operacional.

Equipos Fuente de poder variableOsciloscopioMultimetroBreadboard

Parte A.Oscilador De Corrimiento De Fase Con Transistores

Dispositivos

Resistencias Capacitores Transistor 10 K (2) 22 nF (3) Q2N3904 22 K 1 M

Fundamento Teórico

Un circuito oscilador proporciona entonces una señal de salida que varía constantemente. Si la señal de salida varía en forma senoidal, el circuito se denomina oscilador senoidal. Si el voltaje de salida aumenta rápidamente a un nivel de voltaje y después disminuye rápidamente a otro nivel de voltaje, por lo general, el circuito se conoce como oscilador de pulsos o de onda cuadrada.

Si se utiliza un transistor como elemento activo de la etapa del amplificador, la salida de la red realimentada se carga de modo apreciable mediante la resistencia

de entrada relativamente baja (hie )del transistor. Desde luego, podría utilizarse una etapa de entrada de emisor - seguidor seguida por una etapa de amplificador de emisor común. Sin embargo, si se desea sólo una etapa de transistor resulta más apropiado el empleo de una realimentación de voltaje en paralelo. En esta conexión, la señal de realimentación se acopla a través del resistor de realimentación R’ en

serie con la resistencia de entrada de la etapa del amplificadorRi .

La ecuación para calcular la frecuencia del oscilador es la siguiente:

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f = 12π RC

1

√6+4 (RC / R ) (1)

para que la ganancia de lazo sea mayor que la unidad, hay que satisfacer que la ganancia de corriente del transistor es

h fe>23+29 RRC

+4RC

R (2).Pre - Laboratorio

3. Realice los cálculos necesarios para diseñar un oscilador de corrimiento de fase de 1 Khz.


Procedimiento


Figura 3-1

2. Mida la frecuencia de salida del oscilador.

3. Mida el desfase de la señal de entrada con respecto a la señal de salida.

4. Observe en el osciloscopio la señal de salida de los condensadores C1, C2 y C3.

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Parte B.Oscilador con puente de Wien

Dispositivos

Resistencias Capacitores Transistor Potenciometro 10 K (3) 0.01 F (2) LM741 10 K

Fundamento Teórico

El oscilador de puente de Wein es un circuito practico que utiliza un amp-op y un circuito puente RC, con la frecuencia del oscilador fijada por los componentes R y C. Los resistores R1 y R2, y los capacitores C1 y C2 forman los elementos de

ajuste de frecuencia, en tanto que los resistores R f y Ri forman parte del circuito de realimentación. La salida del amp-op está conectada como la entrada del puente (figura 3-2).

Figura 3-2

Despreciando los efectos de carga de las impedancias de entrada y salida del amp-op, el análisis del circuito puente produce.

R f

R i=

R1

R2+

C2

C1y

f o=1

2π RC y

R f

R i=2

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De tal modo una relación de R f con Ri mayor que 2 producirá la suficiente ganancia de lazo en el circuito para que oscile a la frecuencia calculada.

Pre - Laboratorio

1. Realice los cálculos necesarios para diseñar un oscilador de puente Wein.


Procedimiento


Figura 3-3

2. Varíe el potenciometro hasta que la señal del oscilador aparezca sin distorsión.


4. Observe simultáneamente el voltaje de salida y de realimentación positiva del oscilador.

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Parte C.Oscilador De Corrimiento De Fase Con Amp-OP.

Dispositivos

Resistencias Capacitores OPAM Potenciómetro 1 K (3) 27 K

0.1 F (3) LM741 10 K

Fundamento Teórico

En la figura 3-4a es un oscilador por desplazamiento o corrimiento de fase con tres redes de adelanto de fase en la malla de retroalimentación. El amplificador opera con 180º de desplazamiento de fase porque la entrada se aplica por la terminal inversora. Como se recuerda, la red de adelanto produce un desplazamiento de fase entre 0º y 90º, dependiendo de la frecuencia especifica a la cual el desfasamiento total de las tres redes suma 180º (aproximadamente 60º para cada red). En ese momento el desfasamiento total de la malla es de 360º, lo que equivale a 0º.

La figura 3-4b muestra otra opción de diseño. En este caso se usan tres redes de atraso de fase. El funcionamiento es similar, ya que el amplificador produce 180º de desfasamiento las tres redes contribuyen con otros 180º para cierta frecuencia específica.

Figura 3-4: Osciladores de corrimiento de fase

Si el amp-op brinda ganancia mayor que 29, resulta una ganancia de lazo mayor que la unidad y el circuito actúa como oscilador.

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La frecuencia de salida del oscilador está determinada por la siguiente ecuación:

f 0=1

2 π RC √6

PRE - Laboratorio

1. Realice los cálculos necesarios para diseñar un oscilador de corrimiento de fase con Opam-op.


Procedimiento


Figura 3-5

2. Varíe el potenciometro hasta que la señal del oscilador aparezca sin distorsión.


4. Desconecte la fuente de poder y mida la resistencia total (Rf) de realimentación del oscilador.

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5. Observe simultáneamente el voltaje de salida del oscilador y el voltaje de salida del capacitor C3.

Referencias

9. Robert Boylestad and Louis Nashelsky, Electrónica Teoría de Circuitos. Quinta edición. Prentice Hall.


11. Howard M. Berlín. “Electronic Devices”. 5ta. edición. Prentice Hall, New Jersey 1999.

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EXPERIMENTO 03

Diseño de Osciladores

Hoja de respuesta

Nombre:___________________ ID:________________________


Parte A.Oscilador De Corrimiento De Fase Con Transistores

1. ¿Cuál es la frecuencia de oscilación del circuito? ¿Existen diferencias entre los valores medidos y los calculados por usted?

2. ¿Cuál es el voltaje de salida del oscilador?

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3. Gráfica de la señal de salida del oscilador.

4. ¿Cuál es el desfase entre la señal de entrada con respecto a la señal de salida? ¿Por qué?.

Parte B.Oscilador con puente de Wien

1. ¿Cuál es el comportamiento del circuito al variar el potenciometro? ¿Por qué ocurre esto?

2. ¿Cuál es la frecuencia de oscilación del circuito? Existen diferencias entre los valores medidos y los calculados por usted?

3. Gráfica de la señal de salida del oscilador.

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4. En el paso 4, ¿qué fracción del voltaje de salida encontraste al medir el voltaje de realimentación positiva?


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Parte C.Oscilador De Corrimiento De Fase Con Amp-OP.

1. ¿Cuál es el comportamiento del circuito al variar el potenciometro? Explique porque ocurre esto.

2. ¿Cuál es la frecuencia de oscilación del circuito? Existen diferencias entre los valores medidos y los calculados por usted?

3. Gráfica la señal de salida del oscilador.


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5. ¿Cuál es el valor de la resistencia Rf?

6. ¿Cuál es el desfase entre la señal de entrada con respecto a la señal de salida? ¿Por qué?.

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EXPERIMENTO 04

Amplificador operacional y sus aplicaciones.

Objetivos2. Medir el voltaje de entrada de offset, la corriente de polarización de entrada, la

corriente de entrada de offset, el CMRR y el Slew Rate de un amplificador operacional.

3. Conocer el funcionamiento de un amplificador integrador y un amplificador logarítmico.

Equipos Fuente de poder variableGenerador de señalOsciloscopioBreadboard

Parte A.Medición de parámetros offset, CMRR y Slew Rate de un amplificador operacional.

Dispositivos

Resistencias Amplificador operacional 100 (2) LM741 10 K (2) 100 K (2) 1 M

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Fundamento Teórico

Un amplificador operacional ideal está perfectamente equilibrado, o sea que Vo = 0 cuando V1 = V2. Un amplificador operacional real tiene un cierto desequilibrio provocado por la falta de apareamiento de los transistores de entrada. Este desapareamiento provoca unas corrientes de polarización desiguales a través de los terminales de entrada, y se requiere una tensión de equilibrio entre dichos terminales para tener también equilibrada la salida.

Los parámetros offset que pueden encontrarse en los terminales de entrada y de salida son los siguientes: Corriente de polarización de entrada. La corriente de polarización de entrada es la

semi-suma de las corrientes separadas que fluyen por los dos terminales de entrada de un amplificador desequilibrado, tal como se muestra en la figura 4-1a.

Corriente offset de entrada. La corriente offset de entrada, I io , es la diferencia entre las corrientes separadas que entran en los terminales de entrada de un

amplificador equilibrado. Como indica la figura 4-1a, tenemos I io=I B 1−I B 2 cuando Vo = 0.

Tensión offset de entrada. Es la tension V io que debe aplicarse entre los terminales de entrada para equilibrar el amplificador, como se muestra en la figura 4-1a.

Tensión offset de salida. Es la diferencia entre las tensiones continuas de los dos terminales de salida (o entre el terminal de salida a tierra para un amplificador con una sola salida) cuando los dos terminales de entrada estan conectados a tierra (figura 4-1b).

Figura 4-1

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El CMRR es la relación de rechazo del modo común. El CMRR se define en la ecuación siguiente

CMRR=20 logAV (d )

ACM

donde AVd es la ganancia de tensión diferencial, y ACM es la ganancia de tensión de modo común.

Slew Rate (SR): Es la máxima frecuencia en el cual el voltaje de salida puede cambiar sin introducir alguna distorsión a la señal, este es medido en V/s. PRE-Laboratorio

1. Realizar las simulaciones en PSPICE de los circuitos a realizarse.

2. Estudiar las hojas de especificaciones del amplificador operacional LM741C.Procedimiento

1. Construya el circuito que se muestra en la figura 4-2.

Figura 4-2

2. Mida el voltaje de salida, Vos. El voltaje offset de entrada es encontrado por división del voltaje de salida entre la ganancia de laso cerrado.

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3. Construya el circuito que se muestra en la figura 4-3Figura 4-3

4. Mida el voltaje a través de las resistencias R1 y R2. Utilice la ley de Ohm para calcular la corriente en cada resistencia.


Figura 4-4

6. Coloque el generador a 1 Vpp a una frecuencia de 1 KHz. Mida el voltaje de salida, Vout (cm).


Figura 4-5

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8. Aplique un voltaje de 5 Vpp con el generador de señal a una frecuencia de 10 KHz.9. Mida el voltaje de salida Vout (pp).

10. Mida el t, el tiempo en microsegundos que se toma el voltaje de salida en cambiar desde su valor mínimo a su valor máximo y viceversa.

Parte B.Integrador con amp-op.

DispositivosResistencias Capacitor Amplificador

operacional 10 K (2) 0.0022F LM741 100 K (1)

Fundamento TeóricoCuando la realimentación del amplificador operacional es un capacitor el circuito

resultante es llamado integrador. La expresión de la tensión de salida es proporcional a la integral de la señal de entrada e inversamente proporcional a la constante de tiempo ( t =RC), que generalmente se hace igual a la unidad. El circuito equivalente de tierra virtual muestra que una expresión entre los voltajes de entrada y de salida puede deducirse a partir de la corriente I, que fluye de la entrada a la salida. La tierra virtual significa que se puede considerar el voltaje en un punto de union de R y C como la conexión a tierra

(puesto que V 1≈0 V ), pero que ninguna corriente circula hacia tierra en ese punto.

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PRE-Laboratorio


Procedimiento


41

Figura 4-6

2. Aplique un voltaje de 1 Vpp con el generador de señal a una frecuencia de 10 KHz.

3. Mida el voltaje de salida (Vout).

4. Ajuste el generador a una frecuencia de: 4 KHz y repita el paso anterior. 100 Hz y repita el paso anterior.

Parte C.El amplificador logarítmico.

Dispositivos

Resistencias Capacitor Diodo Transistor Amplificador operacional

100 K (2) 0.01F 1N4001 2N3904 LM741

Fundamento Teórico

Un rango dinámico es definido como la diferencia entre la más pequeña y la más grande de las señales de interés. Las señales que poseen un rango dinámico grande

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pueden presentar un problema para convertirse de A/D y para transmisiones. Para algunas señales, el rango dinámico puede ser comprimido con un amplificador logarítmico. En otras palabras, un amplificador logarítmico es un amplificador no lineal que convierte un cambio grande en la señal de entrada en un cambio pequeño en la señal de salida. Además, los amplificadores logarítmicos pueden realizar ciertas operaciones aritméticas.

El amplificador logarítmico explota la característica logarítmica de una unión pn. Como el voltaje es incrementado a través de la unión, la corriente crece exponencialmente. El amplificador logarítmico básico está formado por una unión pn colocada en la realimentación de un amplificador inversor, causando que el voltaje de salida sea proporcional al logaritmo del voltaje de entrada. La señal de entrada es convertida a una fuente de corriente por la resistencia de entrada y la tierra virtual. El diodo convierte esta corriente en un voltaje pequeño que atraviesa la unión. Como resultado, el rango dinámico de la señal de entrada es comprimido ( y es de polaridad opuesta al de la señal de entrada, ya que este es un amplificador inversor).

Pre-Laboratorio

1. Realizar la simulación en PSPICE.

2. Leer el fundamento teórico y revisar las referencias.

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Procedimiento

Construya el circuito que se muestra en la figura 4-7.

Figura 4-7

1. Aplique una señal de +1 V hasta +12V de forma triangular a una frecuencia de 1 KHz.

2. Observe la forma de onda de salida del amplificador.

3. Cambie la forma de onda de entrada triangular a una onda senoidal.

4. Observe la forma de onda de salida del amplificador.

Referencias


13. David Buchla. Electronic Devices. Fifth edition. Prentice Hall, New Jersey 1999


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15. Muhammad H. Rashid, Microelectronic Circuits: analysis and design. PWS Publishing Company.

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EXPERIMENTO 04

Amplificador operacional y sus aplicaciones.

Hoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________


Parte A.Medicion de parametros offset, CMRR y Slew Rate de un amplificador operacional.

1. ¿En la figura 4-2, cuál es el Voltaje offset de entrada?

2. ¿Cuál es el voltaje entre la resistencia R1 y R2? Calcule la corriente en cada resistencia.

3. Determine la corriente de polarizacion de entrada.

4. Determine la corriente offset de entrada.

5. ¿En la figura 4-4, Cuál es el voltaje de salida Vout (cm)?

46

6. Determine la ganancia en modo comun.

7. Determine el CMRR en decibeles.

8. Grafique la forma de onda de entrada y salida de la figura 4-5.

9. ¿Cuál es el t, el tiempo en microsegundos que se toma el voltaje de salida en cambiar desde su valor minimo a su valor maximo y viceversa?

10. Calcule el “Slew Rate”, V/t.

47

Parte B.Integrador con amp-op.

1. ¿Cuál es el voltaje de salida (Vout)?

2. Realice la grafica del voltaje de entrada y salida del integrador. Entrada

Salida

48

3. Existe desfase en la señal de salida. ¿Si existe, por qué?

4. ¿Qué sucede cuando se disminuye la frecuencia de la señal de entrada?

5. ¿Cuál es la frecuencia mínima a la cual el circuito de la figura 4-6 actúa como integrador?

Parte C.El amplificador logarítmico.

1. ¿Cuál es el voltaje de salida (Vout)?

2. Realice la gráfica del voltaje de entrada y salida del amplificador logarítmico. Entrada

49

Salida

3. Existe desfase en la señal de salida. ¿Si existe, por qué?

4. Realice la gráfica de la sección #4 del voltaje de entrada y salida del amplificador logarítmico.

Entrada

50

Salida

5. Explique la curva de transferencia para el amplificador logarítmico.

51

EXPERIMENTO 05

Circuitos no lineales con Amplificadores OperacionalesObjetivos1. Aprender las características y funcionamiento de un Schmitt Trigger

2. Construir un “inverting Schmitt Trigger” y un “no invertting Schmitt Trigger”

Equipos

Fuente de poder variableGenerador de señalOsciloscopioMultímetroBreadboard

DispositivosoResistencias Comparador 7.5 K LM741 10 K (2) 15 K

Fundamento Teórico

Un Schmitt trigger compara una forma de onda regular o irregular con una señal de referencia y convierte la forma de onda de entrada a una onda cuadrada o de pulso. Un disparador Schmitt se conoce como un circuito de ajuste. También se conoce como multivibrador biestable, porque tiene dos estados estables, alto y bajo. Puede permanecer en un estado indefinidamente; se mueve al otro estado estable solo cuando se aplica una señal “triggering”.

UN disparador Schmitt trigger utiliza el amplificador operacional aplicando realimentación positiva y forzándolo a operar en saturación, con una curva de operación tipo histéresis.

El disparador puede ser del tipo No Invertidor (figura 5-1a) o Invertidor (figura 5-1b). Las curvas de transferencia respectivas se muestran en la figura 5.2

52

En la figura 5.2 Vsat es el valor en el cual se satura el amplificador operacional, y para el disparador invertidor:

Va=R1

R fVsat

(1)

53

Para el disparador no invertidor

Vb=R1

R1+R fVsat

(2)

El proceso de histéresis se obtiene de la interpretación de las curvas:

Para el disparador invertidor:

Si Vo = Vsat, Vi suficientemente positivo, Vo no cambiará al otro valor estable

Vo = - Vsat hasta que Vi no disminuya al valor Vi=−

R1

R fVsat

, una vez que Vo = -Vsat,

el valor no cambia mientras Vi <+

R1

R2Vsat

se le llama curva de histéresis porque el valor de Vi para un cambio de Vo depende de donde provenga Vi y del valor inicial de Vo.

Los valores (1) y (2) provienen del uso del amplificador operacional como comparador.

Para el circuito de la figura (5.1a):

V +=R f

R1 R fV i+

R1

R1+RfVo

(4)

Si Vo = + Vsat, el valor de Vi requerido para mantener este estado es

V +=R f

R1 R fV i+

R1

R1+RfV sat>0

54

o sea V i>−

R 1

RfV sat=−Va

(5)

Una vez en Vo = - Vsat, el valor de Vi necesario para mantener este estado es

V +=R f

R1 R fV i−

R1

R1+R fV sat<0

o sea V i<

R 1

R fV sat=Va

(6)

Una análisis similar para el otro tipo de disparador, con

V +−V −=R1

R1+RfV 0−V i

(7)

Proporciona el valor de Vb mostrado en (2).

Pre – Laboratorio

1. Realizar la simulación del circuito a realizarse.2. Leer el fundamento teórico

Procedimiento


Figura 5-3

55

2. Aplique con el generador una señal de 10V a una frecuencia de 400 Hz.

3. Observe en el Osciloscopio la señal de salida del circuito.


Figura 5-4.

5. Repita los pasos 2 y 3 del procedimiento.

Referencia

1. Muhammad H. Rashid. Microelectronic Circuits: Analysis and Design. PWS publishing company.

56

EXPERIMENTO 05

Circuitos no lineales con Amplificadores OperacionalesHoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________

Sección:____________________ Instructor:__________________

1. Gráfica de la forma de onda de salida, paso 3 del procedimiento

2. ¿La señal de salida está desfasada con respecto a la señal de entrada?

3. Gráfica de la función de transferencia del circuito.

57

4. Calcule la función de transferencia del circuito.

5. ¿Cuál es el voltaje de salida? ¿Existen diferencias entre los valores medidos y los calculados por usted?

6. Gráfica de la forma de onda de salida, paso 5 del procedimiento

58

7. ¿La señal de salida está desfasada con respecto a la señal de entrada?

8. Calcule la función de transferencia del circuito.

9. Gráfica de la función de transferencia del circuito.

59

10. ¿Cuál es el voltaje de salida? Existen diferencias entre los valores medidos y los calculados por usted?

60

EXPERIMENTO 06

Amplificadores tipo NortonObjetivos1. Estudiar el amplificador tipo Norton y conocer las diferencias y similitudes de este con el

amplificador operacional de voltaje LM741.

2. Conocer la configuración de un amplificador inversor y no inversor tipo Norton.


Dispositivos

Resistencias Capacitor Potenciometro Amplificador operacional

56 1 F 100 K LM3900 220 K 1 M 2 M 47 K

Fundamento Teórico

Existen aplicaciones del amplificador operacional que no requieren la capacidad de proveer salidas con signo positivo y negativo. En estos casos es innecesario y más costoso proveerle al amplificador operacional con dos fuentes de voltaje (+Vcc y –Vcc).

A pesar que el amplificador operacional estándar LM741 puede adaptarse a funcionar con una sola fuente con polaridad positiva (+Vcc), los componentes adicionales necesarios para lograrlo lo hacen relativamente costoso, además de ocupar mayor espacio.

Es aquí donde el amplificador operacional tipo Norton surge como una alternativa menos costosa y más simple. El mismo puede usarse en muchas aplicaciones del amplificador estándar; aunque no puede sustituirse directamente un tipo de amplificador por otro. Para realizar dicha sustitución es necesario hacer modificaciones al circuito original ó rediseñarlo.

El amplificador tipo Norton trabaja a partir de la diferencia de corriente a la entrada del terminal invertir, para ello es utilizado un espejo de corriente (current mirror) en la etapa de entrada del amplificador. Luego esta diferencia de corriente fluye por un paso de realimentación externo para producir el voltaje de salida.

Comercialmente este tipo de amplificador lo puede encontrar bajo el nombre de LM-3900 producido por National Semiconductor, o por MC-3401 producido por Motorola.

Principales diferencias entre el LM741 y el LM3900:

61

1. El LM-741 funciona con una diferencia de voltajes en la entrada mientras que el LM-3900 funciona con una diferencia de corriente.

2. El LM-741 necesita dos fuentes de polaridad para funcionar (+Vcc y –Vcc), mientras que el LM-3900 solo necesita una (+Vcc).

3. Para frecuencias bajas, la ganancia de lazo abierto del LM-3900 es de 200 x 10 3 y las del LM-3900 es de 2.8 x 103. Para frecuencias mayores de 1 KHz, el LM-3900 ofrece una amplificación de 10 dB mayor que la del LM-741.

4. El valor de los voltajes en los terminales de entrada del LM-741 está restringido debido a que el voltaje de modo común es de 2 Vdc. Para el LM-3900 no hay límites en los voltajes de entrada, siempre que estos se convierten en corriente por medio de resistencia externas.

5. En la salida del LM-3900 siempre existe un voltaje DC debido a que este amplificador opera solo con una fuente de voltaje externa de polarización externa (+Vcc). Por el contrario, en la salida del LM-741 si puede lograrse que el voltaje sea cero ya que existen dos fuentes de voltaje externas, una positiva y otra negativa, logrando un balance en cero.

6. La resistencia de realimentación en los LM-3900 debe ser mayor de 100 K para conservar la protección contra cortocircuito. En el LM-741 no hay restricciones sobre este particular.

7. El LM-3900 siempre requiere una resistencia Rx con un valor del doble que el de la resistencia de realimentación para completar el circuito de polarización. Por el contrario, en el LM-741 no siempre es necesario esa resistencia.

Pre-Laboratorio



Procedimiento1. Construya el circuito de la figura 6-1.

Figura 6-1

62

2. Aplique una señal senoidal de 100Hz y vaya aumentando el valor del voltaje hasta alcanzar una salida sin distorsión.

3. Registre las medidas necesarias para obtener la ganancia en voltaje a 100 Hz, 1 KHz, 10 KHz, 100 KHz.


Figura 6-2

5. Realice los pasos 3 y 4 del procedimiento con este circuito.

Referencias


17. David Buchla. Electronic Devices. Fifth edition. Prentice Hall, New Jersey 1999

18. Jacob Millman. Miroelectronics. New York, McGraw-Hill, Inc. 1979.

63

EXPERIMENTO 06

Amplificadores tipo NortonHoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________

Sección:____________________ Instructor:__________________

1. Tabla de datos para obtener la ganancia de lazo cerrado de la figura 5-2.

Frecuencia(Hz)

Vin Vout Ganancia Ganancia(dB) Experimental

Ganancia (dB) Teórica % Error

100

1K

10K

100K

1.1 ¿Qué sucede con la ganancia a medida que aumenta la frecuencia?

1.2 ¿Existe diferencia entre este amplificador inversor y el amplificador inversor estándar(LM741)?

64

1.3 Gráfica de la amplitud de salida contra la frecuencia.

2. Tabla de datos para obtener la ganancia de lazo cerrado de la figura 5-3.

Frecuencia(Hz)

Vin Vout Ganancia Ganancia(dB) Experimental

Ganancia (dB) Teórica % Error

100

1K

10K

100K

2.1 ¿Qué sucede con la ganancia a medida que aumenta la frecuencia?

2.2 ¿Cuál es la función de la resistencia variable (potenciometro) en el circuito?

2.3 ¿Existe diferencia entre este amplificador no inversor en y el amplificador no inversor estándar (LM741)? Justifique su respuesta.

65

2.4 Gráfica de la amplitud de salida contra la frecuencia.

3. Conclusiones.

66

EXPERIMENTO 07

Diseño de filtros activosObjetivos

3. Aprender a diseñar un filtro activo Butterworth pasa baja y pasa alto.

4. Construir y probar un filtro activo Butterworth pasa baja y pasa alto para una frecuencia especifica.


Dispositivos

Resistencias Capacitor Amplificador operacional

6.8 K (2) 0.0033 F LM741 27 K 47 K

Fundamento Teórico

Un filtro activo contiene resistencias, capacitancias y elementos que proveen ganancia, como transistores o amplificadores operacionales. La principal ventaja de los filtros activos es que pueden alcanzar las características de respuesta de frecuencia casi ideales y para un costo razonable para frecuencias cerca de 100 KHz. A pesar de esto, están limitados por el ancho de banda.

Los filtros activos se pueden diseñar para optimizar cualesquiera de varias características. Esto incluye la parte plana de respuesta de un pasabanda, la inclinación de la región de transición, o el desplazamiento de fase mínimo. Un filtro Butterworth tiene la característica más plana de un passbanda, pero no es tan escarpado como otros filtros y tiene características pobres de fase.

El orden de un filtro, también llamado él numero de polos, gobierna la inclinación de la transición fuera de las frecuencias de interés. En general, cuanto más alto es el orden, más escarpada es la respuesta. El valor de la pendiente para los filtros depende del tipo de filtro, pero es aproximadamente –20dB/decada para cada polo. Una manera rápida de determinar el número de polos es contar el número de los condensadores que son usados en una filtro.

La frecuencia de corte está dada por la siguiente ecuación:

f C= 12 π RC

En la frecuencia de corte el voltaje de salida es 0.707 del voltaje máximo de salida.

67

Para convertir un filtro activo pasa baja en un filtro activo pasa alta solo hay que intercambiar las Resistencias R1 y R2 con los capacitores C1 y C2.

Pre-Laboratorio



Procedimiento


Figura 7-1. Filtro Butterwoth pasa baja.

12. Aplique una señal de entrada de 5 Vpp a una frecuencia de 100 Hz.

13. Observe la señal de salida del filtro.

14. Varíe la frecuencia del generador como se muestra en la tabla 7-1, manteniendo constante el voltaje de entrada de 5 Vpp. Coloque los resultados obtenidos en la tabla.

68


Figura 7-2. Filtro Butterworth pasa alto

16. Aplique una señal de entrada de 5 Vpp a una frecuencia de 100 Hz.

17. Observe la señal de salida del filtro.

18. Varíe la frecuencia del generador como se muestra en la tabla 7-2, manteniendo constante el voltaje de entrada de 5 Vpp. Coloque los resultados obtenidos en la tabla.

Referencias

19. Howard M. Berlin. Electronic Devices. Fifth edition. Prentice Hall, New Jersey 1999

20. David Buchla. Electronics Fundamentals Circuits, Devices, And Applications. Third edition. Prentice Hall, New Jersey 1995

69

EXPERIMENTO 07

Diseño de filtros activosHoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________


1. Gráfica de la señal de salida del filtro Butterworth Pasa Baja.

2. Respuesta de frecuencia Tabla 7-1.

Frecuencia de entrada

(Hz)Vin Vout

Ganancia medida

Vout / VinGanancia en dB medida

Ganancia en dB calculada

100 5V5006008001 K4 K5 K6 K8 K10 K

3. ¿ Cuál es la frecuencia de corte experimental de este filtro?

4. Gráfica de la señal de salida del filtro Butterworth Pasa alta.

70

5. Respuesta de frecuencia Tabla 7-2.

Frecuencia de entrada

(Hz)Vin Vout

Ganancia medida

Vout / VinGanancia en dB medida

Ganancia en dB calculada

100 5V5006008001 K4 K5 K6 K8 K10 K

6. ¿ Cuál es la frecuencia de corte experimental de este filtro?

71

EXPERIMENTO 08

Amplificadores de potenciaObjetivos5. Construir un amplificador Push-Pull.6. Predecir y medir el funcionamiento del amplificador Push-Pull.

Equipos Fuente de poder variableGenerador de señalOsciloscopioBreadboardMultímetro

DispositivosResistencias Diodos Transistor

330 1N914 (2) 2N3904 10 K (2) 2N3906

Fundamento Teórico

Los amplificadores estudiados hasta ahora son amplificadores de pequeña señal polarizados continuamente. Este tipo de amplificador es llamado clase A y no es muy eficiente. Para pequeña señal esto no importa, pero cuando una cantidad significativa de potencia debe ser entregada, un amplificador clase B ofrece mejores ventajas. Un amplificador clase B posee dos transistores, los cuales conducen alternadamente durante el medio ciclo positivo y negativo de la señal de entrada. Este tipo de amplificador es el Puss Pull, el cual se muestra en la figura 8-1.

Figura 8-1. Amplificador Puss Pull Básico

El diodo de cada transistor (unión base – emisor) requiere aproximadamente 0.7V antes de conducir. La señal de salida es igual a la señal de entrada a excepción de la caída de 0.7V de los diodos en ambos ciclos, el positivo y el negativo. Esto causa una distorsión en la salida llamada distorsión de cruce por cero. Este problema puede ser eliminado usando dos diodos para polarizar los transistores.

72

Esta polarización ofrece otras ventajas, como por ejemplo; si la temperatura aumenta, la corriente de salida tiende a incrementar.

Pre-Laboratorio

1. Investigar los métodos para verificar el funcionamiento correcto de un transistor NPN y PNP.

2. Realizar la simulación del circuito a realizarse.

Procedimiento

1. Construya el amplificador Puss Pull básico que se muestra en la figura 8-1.

2. Ajuste el generador de señal a 10 Vpp a una frecuencia de 1.0 KHz.

3. Observe simultáneamente la forma de onda de entrada y salida del amplificador.

4. Construya el amplificador Puss Pull que se muestra en la figura 8-2.

Figura 8-2. Amplificador Push Pull Estabilizado.

5. Sin aplicarle la señal de entrada al circuito mida el voltaje de emisor de los transistores.

6. Realice los pasos 2 y 3 del procedimiento.

7. Mida el voltaje pico de salida del amplificador.

73

Referencias

21. Sedra / Smith. Microelectronic Circuits. Fourth edition. New York, 1998.

22. David Buchla. Electronics Fundamentals Circuits, Devices, And Applications. Third edition. Prentice Hall, New Jersey 1995.

74

EXPERIMENTO 08

Amplificadores de potenciaHoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________


1. Gráfica de la señal de entrada y salida del amplificador Push Pull básico. Entrada

Salida

2. Existe alguna diferencia de amplitud entre la forma de onda de entrada y la de salida? ¿A qué se debe?

75

3. Gráfica de la señal de entrada y salida del amplificador Push Pull Estabilizado.

Entrada

Salida

4. Existe alguna diferencia de amplitud entre la forma de onda de salida del amplificador Push Pull Básico y la forma de onda de salida del Push Pull Estabilizado? ¿A qué se debe?

76

5. Datos del análisis DC del amplificador Push Pull Estabilizado.

Parámetros DC Valor Calculado Valor MedidoV E

0V

V B1

V B 2

6. Conclusiones

77

EXPERIMENTO 09

El PLL 567, decodificador de tonosObjetivos

7. Conocer el funcionamiento de un Phase Locked Loop (PLL).

8. Aprender las características y funcionamiento del PLL 567.


DispositivosResistencias Capacitores Diodo PLL

180 0.1 F (2) Led 567 1 K 4.7 F 15 K 10 F

Fundamento Teórico

PLL's. El oscilador enganchado en fase es un sistema de realimentación consistente en un comparador de fase, un filtro paso bajo, un amplificador de la señal error y un oscilador controlado por tensión (VCO) en el camino de la realimentación.

Figura 9-1. El esquema de bloques de un sistema básico PLL

Quizás el punto más importante a tener en cuenta cuando diseñamos el PLL es que es un sistema de realimentación como cualquier otro y, de lo que se deduce, que está caracterizado matemáticamente con las mismas ecuaciones que aplican a los otros sistemas de realimentación más convencionales. Sin embargo, los parámetros de las ecuaciones son algo diferentes ya que en los PLL's la señal de error de

78

realimentación es un error de fase mientras que en los convencionales es una señal error de voltaje o corriente.

El principio básico del funcionamiento de un PLL puede explicarse como sigue: Cuando no hay señal aplicada a la entrada del sistema, la tensión Vd(t) que controla el VCO tiene un valor cero. El VCO oscila a una frecuencia, f0 que es conocida como frecuencia libre de oscilación. Cuando se aplica una señal a la entrada del sistema, el detector de fase compara la fase y la frecuencia de dicha señal con la frecuencia del VCO y genera un voltaje de error Ve(t) que es proporcional a la diferencia de fase y frecuencia entre las dos de señales. Este voltaje de error es entonces filtrado, ampliado, y aplicado a la entrada de control del VCO. De esta manera, la tensión de control Vd(t) fuerza a que la frecuencia de

oscilación del VCO varíe de manera que reduzca la diferencia de frecuencia entre f 0 y la señal de entrada f i . Si la frecuencia de entrada f i está suficientemente próxima a la de f 0 , la naturaleza de la realimentación del PLL provoca que el oscilador VCO sincronice y enganche con la señal entrante. Una vez enganchado, la frecuencia del VCO es idéntica a la de la señal de entrada a excepción de una diferencia de fase finita.

Esta diferencia de fase neta es f E , donde:

f E = f 0 - f i

es la diferencia de fase necesaria para generar el voltaje de error corrector Vd para conseguir el

desplazamiento de la frecuencia libre del VCO para igualarse a la frecuencia f i de la señal de entrada y así mantener el PLL enganchado. Esta capacidad de autocorrección del sistema también permite al PLL "encarrilar" los cambios de frecuencia con la señal de entrada una vez se ha enganchado. La gama de las frecuencias sobre las que el PLL puede mantener el enganche con una señal de entrada se define como “gama de enganche o cierre” del sistema. La banda de las frecuencias sobre las que el PLL pueden engancharse con una señal de entrada conocida como “gama de captura” del sistema y nunca es mayor que la gama de enganche.

El porcentaje del ancho de banda está determinado por la siguiente ecuación:

%bandwidth=

f 2− f 4

f 0×100

El rango de enganche es la diferencia entre f 2 -f 4 y el rango de captura es la diferencia entre f 3 -f 1 .

79

Pre - Laboratorio


5. Leer el fundamento teórico, revisar las referencias y la hoja de datos del 567 (data sheet).

Procedimiento1. Construya el circuito que se muestra en la figura 9-2.

Figura 9-2. PLL 567, decodificador de tonos

2. Ajuste el generador de señal a 2 Vpp a una frecuencia de 200 Hz.

3. Incremente lentamente la frecuencia del generador de señal hasta que el Led se apague. Verifique la

frecuenciaf 1 de entrada en que se apagó el Led.

4. Incremente lentamente la frecuencia del generador de señal hasta que el Led se encienda. Verifique la

frecuenciaf 2 de entrada en que se encendió el Led.

5. Ajuste la frecuencia del generador a 2KHz y luego decremente lentamente la frecuencia hasta que el

Led se apague. Verifique la frecuenciaf 3 de entrada en que se apagó el Led.

6. Decremente lentamente la frecuencia hasta que el Led se encienda. Verifique la frecuencia f 4 de entrada en que se encendió el Led.

7. Ajuste el generador a 200 Hz y mida la frecuencia f 0 en el pin 5 del decodificador de tonos 567.

Referencias

23. Howard M. Berlin. Electronic Devices. Fifth edition. Prentice Hall, New Jersey 1999.

80

EXPERIMENTO 09

El PLL 567, decodificador de tonosHoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________


1. ¿Cuál es el voltaje de salida del circuito?

2. Complete la tabla 9-1

f 1Hz

f 2Hz

f 3Hz

f 4Hz

f 0 medida Hz

f 0 calculadaHz

% Ancho de banda %

3. ¿Existe diferencia entre laf 0 calculada y la medida? ¿Por qué?

4. ¿Cuál es la frecuencia que se observa el pin 5 del decodificador de tonos 567?

5. Determine el rango de enganche del circuito.

81

6. Determine el rango de captura del circuito.

7. Conclusiones

82

EXPERIMENTO 10

Ejemplos de CIObjetivos

9. Conocer y entender la operación del 555 bajo la configuración de monoestable en un circuito multivibrador.

10. Estudiar la operación de una Compuerta de Transmisión CMOS y su aplicación en un circuito muestreador.


Parte A.Multivibrador Aestable con el CI 555Dispositivos

Resistencias Capacitores IC Diodos

1 K 0.01 F 555 1N914 (2) 3.3 K 1 F 15 K

Fundamento Teórico

Como se puede observar en la figura 10-1 el 555 está formado por dos comparadores de voltaje, un flip flop, una etapa de salida de corriente, un divisor de voltaje resistivo y un transistor de descarga.

En la figura 10-1 se puede observar que la red de resistencias que forman el divisor de voltaje, fija e 1/3 Vcc y 2/3 Vcc los puntos de referencia de los dos comparadores de voltaje internos. Dependiendo de la amplitud de las señales externas que se apliquen, los niveles de salida de los comparadores cambian, provocando que el flip flop cambie el estado de salida y/o active el transistor de descarga.

83

Figura 10-1

Normalmente la red externa (figura 10-2) para la configuración Aestable está compuesta por dos resistencias y un capacitor, el cual indica la señal de salida del 555, alto (carga de C) o bajo (descarga de C).

Figura 10-2

Fácilmente podemos comprobar que el proceso de carga se realiza a través de Ra, Rb y C, y el de descarga solamente a través de Rb y C, por lo que se hace un tanto difícil tener una buena manipulación del “Duty Cicle” de la señal de salida. Para solucionar este problema, podemos alterar un poco la red de la figura 10-2 introduciendo dos diodos que permitan separar los pasos de carga y descarga del condensador.

84

En esta configuración se ha logrado separar el paso de carga (Ra y C) con el de descarga (Rb y C).

Basándonos en lo anterior podemos definir las siguientes ecuaciones:

tH=0. 693( Ra C )tL=0 .693 (Rb C )

Duty Cicle =

Ra

Ra+Rb

donde tH es definido como el tiempo necesario para que el capacitor se cargue desde 1/3 de Vcc hasta 2/3 de Vcc.

Pre – Laboratorio


6. Leer la siguiente referencia: Floyd, Thomas L. Electronic Devices. Fifth edition. Prentice Hall, New Jersey

1999

Procedimiento


Figura 10-39. Observe la forma de onda de salida del circuito.

10. Mida la frecuencia de salida del circuito.

11. Intercambie las resistencias R1 y R2. R1 ahora es de 15 K.

85

12. Repita los pasos 2 y 3 del procedimiento.

Parte B.Compuertas Análogas de Transmisión (4016); Circuitos De Muestreo

Dispositivos

Resistencias Capacitores CI Amplificador Operacional

50 15 F CD4016 LM741 1 K

Fundamento Teórico

Un circuito especial que no tiene contraparte TTL o ECL es la compuerta de transmisión o interruptor bilateral, el cual actúa esencialmente como un interruptor de un solo disparo y un solo polo controlado por un nivel lógico de entrada.

En la figura 10-4 encontramos la configuración básica del interruptor bilateral. Este consta de un P-MOSFET y un N-MOSFET en paralelo de modo que ambas polaridades de voltaje puedan ser cambiadas. La entrada de control y su inverso se utilizan para encender el interruptor (cerrado) y/o apagarlo (abierto). Cuando el control está en “high”, ambos MOSFET se encienden y el interruptor se encuentra cerrado. Cuando el control está en “low”, ambos MOSFET se apagan y el interruptor está abierto. Idealmente, este circuito opera como un relevador electromecánico.

En la practica, no es un corto circuito perfecto cuando el interruptor está cerrado, su resistencia es generalmente de 200. En el estado abierto, la resistencia del interruptor es bastante grande, comúnmente del orden de 1012, que para la mayoría de los propósitos es un circuito abierto.

A este circuito se le llama interruptor bilateral puesto que los terminales de entrada y salida pueden ser intercambiados. Las señales aplicadas a la entrada pueden ser digitales o analógicas, siempre y cuando estén dentro del nivel de VDD.

El circuito integrado 4016 contiene 4 interruptores bilaterales. Cada interruptor está controlado de manera independiente por su propia entrada de control. Dado que los interruptores son bidireccionales cualesquiera de sus terminales puede servir como entrada o salida.

Estos interruptores son utilizados para hacer un muestreo de las señales, ya que cumplen los siguientes requerimientos:

Una elevada resistencia de aislamiento cuando los interruptores (transistores)están desconectados.

Una baja resistencia si los interruptores están conectados o cerrados. Una elevada velocidad de conmutación entre los dos estados de los interruptores.

El teorema de muestreo de Nyquist es el siguiente:

86

Si una señal continua, S(t), tiene una banda de frecuencia tal que fm sea la mayor frecuencia comprendida dentro de dicha banda, dicha señal podrá reconstruirse sin distorsión a partir de muestras de la señal tomadas a una frecuencia fs siendo fs > 2 fm.

En la figura 10-4 se ofrece las formas de las tres señales principales: señal muestreadora S(t) señal a muestrear S (t) señal muestreada

Figura 10-4

Debe tenerse en cuenta que para la reconstrucción de la señal original, a partir de la muestreada, se emplea un filtro de paso bajo, el cual deberá tener una función de transferencia.

Pre – Laboratorio

6. Realizar las simulación en PSPICE de los circuitos a realizarse.

7. Leer el fundamento teórico, revisar las referencias y la hoja de datos del 4016 (data sheet).

Procedimiento

87

1. Construya el circuito que se muestra de la figura 10-5.

Figura 10-5

2. Aplique una señal de reloj con una frecuencia de 10 KHz., ajuste el generador de señal a muestrearse a una frecuencia de 1 KHz y una amplitud máxima de 400 mV. Observe la forma de onda de salida y si esta no está estabilizada varíe la frecuencia del generador hasta que la salida se estabilice.

3. Varíe la frecuencia de la señal a muestrearse hasta que la frecuencia de la muestreadora sea menor o igual que 2 veces la muestreada.

4. Coloque a la salida del circuito de la figura 10-5 el filtro pasa baja que se muestra en la figura 10-6.

88

Figura 10-6. Filtro pasa baja

5. Observe la forma de onda de salida y varíe el potenciometro hasta que la señal salida sea igual a la señal de entrada (VG) del muestreador.

Referencias


2. Howard M. Berlin. Electronic Devices. Fifth edition. Prentice Hall, New Jersey 1999.

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EXPERIMENTO 10

Ejemplos de CIHoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________


Parte A.Multivibrador Aestable con el CI 5551. Gráfica de la señal de salida.

2. ¿Cuál es la frecuencia de salida del circuito? ¿Existe diferencia entre la frecuencia medida y la calculada?

3. Determine el “Duty Cicle” de la señal de salida del circuito.

90

4. Gráfica de la señal de salida.

5. ¿Cuál es la frecuencia de salida del circuito? ¿Existe diferencia entre la frecuencia medida y la calculada?

91

6. Conclusión

Parte B.Compuertas Análogas de Transmisión (4016); Circuitos De Muestreo1. Gráfica de la señal de salida del paso 2 del procedimiento.

92

2. Gráfica de la señal de salida del paso 3 del procedimiento.

3. ¿Qué problemas pueden surgir si no se cumple el teorema de Nyquist?

4. ¿Cuál es el valor de Rf?

Rf =_______ .

5. Explique el valor de esta resistencia.

6. Conclusión

93

EXPERIMENTO 11

Conversión de datos de Digital a Análogos y de Análogos a DigitalObjetivos

11. Estudiar y entender el funcionamiento de un convertidor de digital a análogo utilizando el convertidor de tipo escalera.

12. Estudiar y entender el funcionamiento de un convertidor de análogo a digital.

Equipos Fuente de poder variableBreadboardMultímetro

Dispositivos

Resistencias Amplificador Operacional

Potenciometros Diodo

1 K (3) LM741 10 K (2) Led 2 K (6) 10 K 30 K 100

Fundamento Teórico

Muchas de las señales de voltaje y corriente que se presentan en electrónica son lineales, con relación a que varían continuamente dentro de cierto intervalo de valores. En los dispositivos y computadoras digitales las señales son a uno o dos niveles que representan los valores binarios de uno o cero.

Si las señales que se utilizan en algunas operaciones digitales son voltajes lineales (analógicos), por ejemplo, voltajes DC que representan temperatura, presión o posición, un circuito debe convertir este voltaje analógico en un valor digital; siendo este circuito un convertidor analógico – digital (A/D). Cuando una computadora tiene un valor digital y se requiere como voltaje analógico en la salida, se utiliza un convertidor digital- analógico.

La conversión digital - analógica puede lograrse empleando diversos métodos. Uno de los esquemas más comunes que se estudiará en esta practica utiliza una red de resistores, llamada red en escalera ( ver figura 11-1 ). Una red de este tipo acepta entradas de valores binarios, por lo común, 0V o Vref, y brinda un voltaje de salida proporcional al valor de entrada binario el cual, es luego amplificado por la configuración no invertidora formada por el amplificador operacional 741.

En el circuito que se muestra en la figura 11-2 para la conversión de análogo a digital el experimentador aparece como parte del circuito (indicador lógico). El funcionamiento se explica brevemente: la salida del comparador determina si el valor análogo de entrada es mayor o menor que el valor de referencia. El experimentador interpretará la salida del comparador y decidirá si debe o no cambiar

94

la entrada del convertidor a análogo para equiparar lo más posible el voltaje de entrada y el de referencia. Las dos formas en la cual se puede controlar este convertidor se explica brevemente a continuación:

1. Aproximación tipo escalera: se comienza comparando la entrada con el nivel 0000, si la entrada es mayor entonces se incrementa de 0000 a 0001; si aun la entrada es mayor entonces se va incrementando sucesivamente (0010, 0011, 0100, etc.) hasta que la salida del convertidor D/A exceda el voltaje de entrada.

2. Aproximación Sucesiva: se comienza comparando la entrada con el valor 1000, si la entrada es mayor entonces el bit más significativo es “1”; si es menor entonces ese bit es “0”. Ahora se compara la entrada con el nivel correspondiente 1100 ó 0100 según lo determinado anteriormente. Si la entrada es mayor al nivel en cuestión entonces el segundo bit más significativo es “1”; si la entrada es menor entonces este bit es “0”. En forma similar se van comparando los bits restantes.

Procedimiento

1. Construya el circuito que se muestra en la figura 11-1. La referencia de voltaje es de 5V para la escalera. Los interruptores representan la facilidad de cambiar el nivel de voltaje para cada bit individualmente.

Figura 11-1. Convertidor D/A tipo escalera

2. Coloque en la entrada la combinación binaria 0001.

3. Mida el voltaje de salida equivalente.

4. Siga controlando la entrada del convertidor en aproximación sucesiva.


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Figura 11-2. Convertidor Análogo Digital

6. Varíe los potenciometros para variar el voltaje de entrada para el comparador.

7. Mida el voltaje de entrada Vin.

8. Determine la combinación binaria que representa dicho nivel por el método de aproximación sucesiva. Mientras más alto es el voltaje de entrada, mayor es el numero de pasos necesarios para conseguir la combinación.

Referencias

1. Malik, Electronic Circuit, Prentice Hall. 1995.

2. Mauro, Robert. Engineering Electronics a Practical Approach. Prentice Hall, New Jersey, 1989.

96

EXPERIMENTO 11

Conversión de datos de Análogos a Digital y de Digital a AnálogosHoja de reporte

Nombre:___________________ ID:________________________


1. Utilizando el método de conversión digital - analógica de aproximación Sucesiva, determine el nivel lógico de la entrada. Llene la tabla con los resultados obtenidos.

#DigitalValor

% ErrorTeórico Aproximación Sucesiva

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

1.1 Explique el funcionamiento del circuito

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2. Realice una lista de valores para las resistencias Ra y Rb, y determine el nivel lógico correspondiente al voltaje Vin mediante el método de aproximación Sucesiva.

A) Método de aproximación Sucesiva.

Resistencia () NumeroBinario

Vin(Volts)

Ra Rb

1

2

3

4

3. Explique el funcionamiento del circuito.

4. Conclusiones

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