PRCTICA No. 7 APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

JUAN DAVID ARIAS CORREA

CARLOS MARIO BUITRAGO HERNANDEZ

ALVARO SOTELO GALVIS

FUNDAMENTOS ELECTRNICA ANALOGA

JORGE ELIECER HERNANDEZ

INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES

FACULTAD DE INGENIERIA

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

MEDELLIN-ANTIOQUIA

16-02-2014

1. OBJETIVO

Identificar la utilidad de los amplificadores operacionales en el diseo de aplicaciones

electrnicas.

2. PROCEDIMIENTO

2.1 Consulte la hoja de especificaciones del amplificador operacional LM324 e

identifique los siguientes parmetros: voltajes mximos de polarizacin, voltaje offset

de entrada, corriente offset de entrada, corriente de polarizacin de entrada,

impedancia de entrada, ganancia de voltaje en lazo abierto, razn de rechazo en modo

comn y slew rate. Tambin consulte las hojas de datos de los circuitos integrados

AD624AD, LM3914 y LM3915.

Definiciones bsicas:

Voltaje offset de entrada (VIO): Tambin conocida como voltaje de desvi, es el voltaje presente en Vo cuando el V en las entradas del OpAmp es cero.

Corriente de polarizacin de entrada (IB): Es el promedio entre las corrientes de la entrada inversora y no inversora.

IB =IBn + IBp

2

Corriente offset de entrada (IIO): Es la diferencia entra la corriente en la entrada no inversora y la inversora del OpAmp.

IIO = IBp IBn

Ganancia en lazo abierto (AVOL): Es la ganancia que tiene un OpAmp cuando no existe ningn camino de realimentacin entre la entrada y la salida.

Caractersticas del LM324 Voltaje mximo de polarizacin

VCC , VEE = 16 VVCC = 32 V

CARACTERISTICA SIMBOLO Mnimo Tpico Mximo Unidades

Voltaje offset de entrada ( TA = 25 C)

VIO - 2.0 7.0 Mv

Corriente offset de entrada ( TA = 25 C)

IIO - 5.0 50 Na

Corriente de polarizacin de entrada.

IB - - 90 - 250 Na

Ganancia de lazo abierto (RL = 2K, VCC = 15V) Para oscilaciones grandes Vo

AVOL 25 15

100

-

- -

V/Mv

Accin de rechazo en modo comn.

CMR 65 70 - Db

Slew Rate (VCC = 5V, VI = 0.5V a 3V, RL

= 3K, CL = 100pF, Gan = 1)

SR - 0.4 - V/s

2.2 Estudie el funcionamiento del circuito amplificador de instrumentacin mostrado en la figura1. Responda de qu modo el valor de la resistencia R1 determina la ganancia del amplificador.

Amplificador de instrumentacin

Los amplificadores instrumentales amplifican la diferencia entre 2 seales. Por esto son

llamados amplificadores diferenciales. Tienen una particularidad y es que tienen un CMR

muy alto, es decir que la ganancia en modo comn afectar muy poco a la ganancia en

modo diferencial y se comportar de una forma casi ideal.

Figura 1.

Este anlisis se har de forma ideal y definiremos que no hay entrada por lo tanto al

hacer el respectivo anlisis en los respectivos nodos, teniendo en cuenta como fueron

denotados los nodos, se encuentran las siguientes ecuaciones.

Nodo A 0 =V1 V2

R1+

V1 Vo1100k

Nodo B V1 V2

R1=

V2 Vo2100k

Nodo C Vo1 Vi1

100k=

Vi1 Vo100k

Nodo D Vo2 Vi2

100k=

Vi2100k

Resolviendo:

VO = (V2 V1) (1 +200k

R1)

Dependiendo del valor de R1 la ganancia que tendr la resta (V2 V1) variara, lo cual

en otras palabras significa, que a mayor valor de R1 menor ser la ganancia, igual

analizando el circuito sabremos que siempre ser mayor a 1 ese nivel de ganancia, ya

que se requerira una ganancia tericamente infinita para volver el circuito sin

ganancia.

2.3 Analice el funcionamiento del circuito mostrado en la figura 2. Considerando que el

voltaje VIN vara entre 0 y 6 V, explique cmo varan los voltajes de salida V1 a V8, en

funcin de VIN.

El amplificador operacional como comparador de voltaje.

Si V1 > V2 => (V1-V2)>0 => Vout = +Vcc. Si V1 < V2 => (V1-V2) Vout = -Vcc.

Esta condicin muestra la forma en que se comporta el amplificador operacional al ser

empleado como comparador de dos seales.

Figura 2.

Esta tabla se obtuvo al analizar el circuito, ya que la parte del circuito conectada a sus

entradas negativas tiene la misma corriente.

3. SIMULACIN: 3.1 Simule en PSPICE el circuito amplificador de instrumentacin mostrado en la figura 1. Utilice para la simulacin amplificadores operacionales LM324 polarizados con 9 y -9 V. Simule a la entrada del circuito para: V1 = 100Sen (2*pi*5000*t) mV.

V2 = 500Sen (2*pi*5000*t) mV.

Obtenga grficas de la ganancia de voltaje en modo diferencial. Repita la simulacin para

el caso en que V1 = 0 V

NOTA: Dicha simulacin se realizara con un valor de R1 de 100k.

Con dicha resistencia la ganancia total ser de 3.

La ganancia resultante en este circuito fue de 2.907 lo cual est de acuerdo con la

formula terica demostrada arriba.

Analizando otra vez el problema con voltaje V1=0V el resultado es:

Lo cual nos da un resultado favorable, con una amplificacin aproximadamente igual a

3.

Time

0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms

V(V2:+)- V(V1:+) V(R6:2)

-2.0V

0V

2.0V

AMPLIFICACION

DIFERENCIA ENTRE V1 Y V2 (842.590u,1.1576)

(52.677u,398.587m)

Time

0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms

V(V2:+) V(R6:2)

-2.0V

0V

2.0V

SALIDAENTRADA

(452.310u,1.5005)(45.227u,494.389m)

3.2 Realice una parametrizacin de la resistencia R1 desde algn valor pequeo hasta

100K y observe la ganancia de voltaje del circuito

()

NOTA: Este problema se analizara con el caso en que v1=0.

1k

10k

50k

100k

Time

0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms

V(V2:+) V(R6:2)

-10V

0V

10V

(261.665u,8.6159)

(45.111u,494.113m)

Time

0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms

V(R6:2) V(V2:+)

-10V

0V

10V

(60.315u,473.976m)

(60.315u,8.6141)

Time

0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms

V(V2:+) V(R6:2)

-4.0V

0V

4.0V

(244.161u,2.4380)

(44.148u,491.575m)

Time

0s 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms

V(V2:+) V(R6:2)

-2.0V

0V

2.0V

SALIDAENTRADA

(452.310u,1.5005)(45.227u,494.389m)

3.3 Simule en PSPICE el circuito mostrado en la figura 2. Utilice para la simulacin Amplificadores operacionales LM324 polarizados con 6V y 0V. Realice un barrido DC de VIN y observe los voltajes V1 a V8.

NOTA: Ya que la versin utilizada de PSPICE es la de evaluacin solo se logr realizar el

montaje de 3 amplificadores operacionales.

V_V20V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V 5.5V 6.0V

V(RA:1) V(RB:1) V(RC:1)

0V

2.0V

4.0V

6.0V

Estas graficas muestran la situacin que pasa en este circuito. Al aumentar el voltaje

ingresado en las entradas positivas del amplificador operacional, y contando que los

potenciales en las entradas negativas del mismo se van reduciendo gracias a la

disipacin de potencia generadas por las resistencias, se va a llegar a la situacin en la

cual al aumentar el potencial ingresado en la entrada positiva llega a un punto en que

en cada uno de los amplificadores operacionales el potencial Vp>Vn, lo cual genera que

en la salida salga un voltaje Vcc+, la grfica nos demuestra que dicha afirmacin es

correcta y la segunda grafica muestra que cuando est cerca a cumplirse dicha condicin

el amplificador empieza a tener actividad.

4. EXPERIMENTO

4.1 El amplificador de instrumentacin. Construya el circuito amplificador de

instrumentacin mostrado en la figura 1, utilizando amplificadores operacionales

LM324 polarizados con 9V y -9V. Utilice en lugar del resistor R1, un potencimetro de

100K . Con ayuda de los instrumentos del laboratorio verifique el funcionamiento del

amplificador. Explique a continuacin la verificacin realizada

Al realizar el experimento nos dimos cuenta, como ya se haba demostrado

anteriormente que la amplificacin depende de la resistencia R1 la nica variable en el

circuito. A mayor resistencia se le colocara al potencimetro menor era la la

amplificacin

V_V2

0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V 5.5V 6.0V

V(RA:1) V(RB:1) V(RC:1) V(R2:2) V(R3:2) V(R4:2)

0V

2.0V

4.0V

6.0V

Vp>Vn

Vp>Vn

Vp>Vn

Al emplear una resistencia aproximadamente menor a 5k el circuito no era capaz de

amplificar correctamente la seal. Ya que su resultado era una seal que sobrepasaba

la amplitud soportada por el circuito con la polarizacin suministrada.

NOTA: se emple un voltaje V1=0 Y V2=1VPP.

4.2 El amplificador operacional como comparador de voltajes. Construya el circuito

mostrado en la figura 2, utilizando amplificadores operacionales LM324 polarizados con

6V y 0V (fuente fija). Conecte entre cada nodo de salida (V1 a V8) y tierra, un resistor de

330 y un diodo emisor de luz (LED), este arreglo le ayudar a observar claramente el

funcionamiento del circuito. Vare el voltaje de VIN entre 0 y 6V (fuente variable) y

observe los voltajes de salida V1 a V8, observe tambin el estado de los LEDs. Escriba

sus observaciones y conclusiones sobre el montaje de esta aplicacin.

Mientras el voltaje VIN va aumentando se van encendiendo los led conectados a las

respectivas salidas de los amplificadores. Al llegar a un voltaje de 0.8v en VIN por

ejemplo el led del amplificador nmero 8 se enciende, y al estar en 1.6v se encienden

simultneamente el amplificador nmero 8 y el 7, y as sucesivamente hasta llegar a un

voltaje de 5.4v en el cual se encienden la totalidad de los leds.

Amplificador Voltaje

1 5,02 V

2 4.7 V

3 4.02 V

4 3.4 V

5 2.69 V

6 2.05 V

7 1.4 V

8 0.75 V

4.3 Considerando el diagrama de bloques mostrado en la figura 3 y los circuitos ya

implementados en esta prctica, disee una aplicacin en la que una variable fsica

(temperatura) sea sensada y convertida a voltaje por un transductor LM35, luego ese

voltaje sea amplificado y finalmente se indique mediante un arreglo de LEDs, el nivel de

la variable fsica. Figura 3. Diagrama de bloques de una aplicacin con amplificadores

operacionales.

Como transductor puede utilizarse el CI LM35, consulte su hoja de especificaciones.

La ganancia del amplificador de voltaje debe ser variable, con el fin de asegurarse que

a temperatura ambiente (25C) slo encienda el LED 8.

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisin calibrada de 1C. Su rango de medicin abarca desde -55C hasta 150C. La salida es lineal y cada grado centgrado equivale a 10mV, por lo tanto:

150C = 1500mV -55C = -550mV1

Al montar el circuito conectamos el LM35 a 6v y a tierra en su polarizacin. Al mover el

valor de la resistencia R1 la cual se mont con un potencimetro, logramos encontrar

un valor adecuado de dicha resistencia en la cual solo el leds del amplificador numero 8

estaba encendido a temperatura ambiente. Al generar estmulos externos como colocar

un encendedor cerca de dicho sensor, se logr encender adecuadamente los dems leds

lo cual demostr que el circuito funcionaba adecuadamente.

CONCLUSIONES

El amplificador operacional no solo sirve para amplificar una seal de

entrada, tambin sirve para sumar o restar seales, al mismo tiempo que si es

necesario, logra amplificarlas.

el amplificador operacional puede funcionar como un comparador de voltajes

se logr entender la lgica aplicad al sensor de temperatura LM35

Los voltajes de saturacin de los amplificadores operacionales deben tenerse

siempre en cuenta para no deteriorar la seal que se desea obtener

se logr comprender los tres principales axiomas de la teora de los

amplificadores operacionales

La tensin de entrada diferencial es nula.

No existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada.

En bucle cerrado, la entrada (-) ser regulada al potencial de entrada (+) o de

referencia.