Mediciones Sobre Circuitos Electrónicos. El Amplificador Operacional

orbital753 (56)in #stem-espanol • 6 years ago

Hola amigos, hoy les vengo a compartir una práctica de laboratorio que realicé en la universidad hace poco estudiando mediciones sobre circuitos electrónicos, en este caso en específico, el amplificador operacional.

Durante la práctica se buscó familiarizarse con el Amplificador Operacional, realizando un montaje de configuración diferencial. Primero se midió el voltaje offset. Se procedió a conectarle al circuito, un Voltaje AC y se calculó: La ganancia, el desfasaje entre la entrada y la salida y la respuesta de frecuencia para la entrada no inversora. Después, se le aplicó un voltaje AC a la entrada inversora y se medió la ganancia. Luego, se le aplicó al circuito un voltaje AC y DC para ver el funcionamiento de la configuración diferencial cuando presenta saturación. Por último, se medió La Relación del Rechazo de Modo Común (CMRR) y las Impedancias de Entrada que presenta el amplificador diferencial.

Marco Teórico:

Ec.1: Voltaje de salida del diferencial.

El amplificador operacional diferencial (Ver Fig.1) tiene como finalidad de amplificar la diferencia de dos señales de entrada pero que suprime la señal de entrada común a dichas entradas. El voltaje de salida tiene como ecuación:

En la Ec.1 vemos que, Ad es la ganancia diferencial y Ac es la ganancia de modo común (sucede cuando las entradas reciben el mismo voltaje). Se busca que esta última tenga un valor cercano a cero para disminuir la señal de ruido que aparece en ambas entradas. La ganancia de modo común se calcula experimentalmente. La relación entre la ganancia de modo diferencial y modo común se le conoce como CMRR (Ec.2) y sirve para medir la calidad del amplificador diferencial.

Ecuacion 2: CMRR

Los parámetros a considerar en las mediciones de un operacional diferencial aparte del CMRR está el voltaje offset, esta ocurre cuando se colocan ambas entradas en corto y se llevan a tierra viendo en la salida un voltaje en orden de los mV. Otro parámetro es la impedancia de entrada de la entrada no inversora Fig.2, la impedancia de entrada de la entrada inversora Fig.3 y la impedancia de salida.

Figura 2: Impedancia de la entrada no inversora:

Figura 3: Impedancia de la entrada inversora:

Metodología

Materiales:
2 Amplificadores operacionales modelo uA741.
2 Resistencias de 10K y 2 resistencias de 100K.
1 Multímetro Digital.
Osciloscopio Digital marca Tektronik
1 Potenciómetro de 5K
1 Protoboard
1 Generador de funciones
1 Fuente de voltaje Dc.
Pinzas, cables

Con el uso de un multímetro digital se midieron los valores de las resistencias.(Ver tabla 1); Se calculó el porcentaje de error y se observó si estaban en el rango de tolerancia (5%).

Se montó el Circuito de la Fig.1 en el Protoboard, quedando como en la Fig.4.

3) Se establecieron los valores de las fuentes de alimentación; Los valores fueron de (V+) = (V-) = 14.5 V.

4) Se procedió a medir el voltaje offset, para ello se colocaron las entradas a tierra y se midió el voltaje de salida del operacional. (Ver tabla 2 y Ver Fig. 5)

Se conectó en la entrada no inversora un voltaje sinusoidal de un 1 V (V1), a una frecuencia determinada (1Khz), conectando V2 a tierra (0V). anotando los datos más relevantes (Ver Tabla 3) y luego en la tabla 4 el voltaje de entrada y salida.

Figura 4: Amplificador Diferencial

Se establecieron los valores de las fuentes de alimentación; Los valores fueron de (V+) = (V-) = 14.5 V.

Se procedió a medir el voltaje offset, para ello se colocaron las entradas a tierra y se midió el voltaje de salida del operacional. Se registraron los valores en la Tabla 2; En laFig. 5 se observa la señal obtenida.

Figura 5: Voltage Offset.

Se procedió a conectar en la entrada no inversora un voltaje sinusoidal de un 1 V (V1), a una frecuencia determinada (1Khz), conectando V2 a tierra (0V). Se anotaron los datos más relevantes (Ver Tabla 3) y luego en la Tabla 4, el voltaje de entrada y salida. En la Fig. se aprecia la señal de salida y de entrada vista en el osciloscopio.

El acoplamiento del Osciloscopio fue en DC. Para la señal de entrada, se empleó el canal 1, y para la señal de salida, el canal 2 del Osciloscopio. Se aumentó la señal de entrada hasta observar el punto de saturación. Anotando los datos de la señal de salida saturada en la Tabla 5; Con el amplificador ya saturado, se procedió a colocar el osciloscopio en modo XY para observar la función de transferencia. (Ver Fig.8).

Figura 6: Funcion de trasferencia.

Se conectó a la entrada inversora (V2) una señal sinusoidal (1V) a una frecuencia de 1khz, y se colocó V1 a tierra (0V). Se dejó el osciloscopio en modo DC. Se registraron los datos más relevantes (Ver tabla 7) y en la Fig.9 se observa la señal de entrada y salida.

Figura 7: Señal de entrada y salida cuando V2=1V y V1=0V

Se procedió a calcular la relación de rechazo de modo común. Para ello se hizo lo siguiente:

Primero, se colocó una señal de entrada para V1=V2=1V y se anotó la amplitud de la señal de salida, con ello, se calculó la ganancia de modo común (Acm).

Se calculó la ganancia diferencial (Ad1) teniendo V1=0V y V2=1V; Para la ganancia diferencial (Ad2) se tomó a V2=0V y V1=1V. Con dichos resultados se buscó el promedio de la ganancia.

Figura 8: simulación cuando V1=1V y V2=0v

Figura 9: Simulación V1=0V y V2=1V

Figura 10: Resultados osciloscopio digital V1=0V y V2=1V

Luego, se halló la relación Ad/Acm y por último, secalculóel CMRR con la Ec.2. Todos los resultados obtenidos anteriormente se registraron en la Tabla 8

Se Aplicó al operacional un voltaje AC y DC para que presentara saturación (Ver Fig 10) y un voltaje AC y DC en donde no se observó saturación (Ver Fig.11), registrando la señal de entrada y de salida en las imágenes anteriormente mencionadas.

Figura 11: Entradas DC y AC que presentan saturación

Figura 12:Entradas DC y AC sin presentar saturación

Para el cálculo de las impedancias se empleó un potenciómetro de 5KΩ para variar el valor del voltaje DC de entrada y un seguidor de voltaje para evitar que la señal que entra al amplificador diferencial sea distorsionada generando un ruido.

El voltaje empleado para el cálculo de ambas impedancias fue de 1V en DC.

Para el cálculo de la impedancia de entrada en V1 postiva se montó el circuito de la Fig.2. Se usó una resistencia de prueba de Rp= 99KΩ conectándola en serie con la resistencia de 10KΩ; Se procedió a calcular el voltaje de Rp y el voltaje de las entradas entre V1 y V2 empleando el multímetro. Luego, se buscó la corriente I que pasa por Rp empleando Ley de Ohm (V=R.I), y por último, se determinó el valor de la resistencia de entrada. En la Tabla 9 se anotó el valor de la resistencia de entrada.

Para el cálculo de la impedancia de entrada en V1 negativa, se montó el circuito de la Fig. 3.Se usó una resistencia de prueba de Rp= 9,8KΩ conectándola en serie con la resistencia de 10KΩ; Se procedió a calcular el voltaje de Rp y el voltaje de las entradas entre V1 y V2 empleando el multímetro. Luego, se buscó la corriente I que pasa por Rp empleando Ley de Ohm (V=R.I), y por último, se determinó el valor de la resistencia de entrada. En la Tabla 10 se anotó el valor de la resistencia de entrada.

Resultados:

Análisis de resultados:

Según los valores medidos de las resistencias se obtuvieron los siguientes errores porcentuales: R1=1.4%; R2=1.4%; R11=1.2%; R22=0.4%. Estos porcentajes están dentro del rango de la tolerancia de cada resistencia el cual es 5%.

La función de transferencia, nos muestra cuando el Amplificador Operacional funciona linealmente, el valor de la ganancia del operacional es la pendiente positiva vista en la Fig.8,se muestra también cuando deja de ser lineal (la línea horizontal vista en la Figura), esto último, ocurre cuando el operacional, comienza a presentar una saturación en la señal de salida 14.4V. Esto ocurre porque el voltaje de entrada aplicado 1,48 V por la fuente de alimentación DC provoca que el voltaje de salida comience a acercarse a los valores de las fuentes de alimentación DC del operacional.

Con estos voltajes de entrada y salida se obtuvo una ganancia experimental de 9.80 Se esperaba una ganancia teórica de 10; Esto arroja un error porcentual del 2%, indicando así, que las mediciones están dentro del rango de tolerancia de cada componente, recordando que el operacional alcanza el valor de saturación a 1-2 V por debajo del voltaje DC.

Tras realizar los cálculos con los valores obtenidos con las mediciones en el laboratorio se obtuvo un voltaje de “Offset” de 30mV(pico), según la hoja de especificaciones se esperaba un valor de 15mV aproximadamente, lo cual produce un error de 100% lo cual es bastante elevado, sin embargo se puede utilizar debido a que su valor no supera el orden de los mV, este porcentaje de error es producto de la cantidad de uso que se la ha dado al amplificador operacional el cual se ha desgastado, por lo tanto las mediciones posteriores presentaran un rango de error posiblemente muy considerable.

La relación de Rechazo en Modo Común obtenida tras realizar las mediciones en el laboratorio fue de: 38.9dB mientras se esperaba un valor cercano al que es mostrado en la hoja del fabricante el cual es de 70dB, esto se ve reflejado en un error del 40%. Este hecho junto al resultado obtenido al medir el voltaje de “Offset” nos indica que los Amplificadores Operacionales, aunque se pueden utilizar no están en las mejores condiciones y (por ende, no trabajaran de la mejor manera).

Para medir la impedancia de la entrada positiva del amplificador diferencial cuando la entrada negativa está conectada a tierra: Se obtuvo un valor para la resistencia de entrada de 110.371K. Teóricamente se obtuvo la suma de las dos resistencias R11=10K y R22=100K. Es decir, se esperaba una resistencia de 110K, obtuvimos un error de 0.34% es decir, un valor muy cercano al esperado

Para medir la impedancia de la entrada negativa del amplificador diferencial cuando la entrada positiva está conectada a tierra. Se obtuvo un valor de la resistencia de entrada de 9.81K. Teóricamente se esperaba un valor igual al de la resistencia cuyo valor nominal es de 10K, considerando que el valor real de la misma era 9.86, se obtuvo un error de 1.9% es decir, un valor muy cercano al esperado.

Al comparar la señal obtenida en el osciloscopio con la simulación(Fig.8) observamos que tienen cierta similitud ya que, se obtuvo un voltaje de salida de 9.20V (tabla 3), cuando en multisim fue de 10V teniendo un porcentaje de error de 8.7% y el desfasaje fue de 0 grados.

Cuando V2 es una señal con valores dado por el profesor y V1 está conectado a tierra.

En las simulaciones (Ver Fig.9) obtuvimos una salida de 9.9773 Vol, mientras que la entrada presenta 991.44 mV.

En el laboratorio se trabajaron con otros valores de resistencia cuyos valores nominales marcaba: 100K y 10K generando unos resultados de voltaje de salida de 10.4 V con un voltaje de entrada de 1.04V (Ver Tabla 7)/p>

Con respecto al voltaje de salida se obtuvo un error del 4.13% en la señal de salida con una diferencia del 4% en el voltaje de entrada. Estos porcentajes son considerablemente bajos debido a que siguen enmarcados en el rango de tolerancia que presentan los componentes utilizados en el laboratorio.

Se alcanzó el punto de saturación del operacional a una señal de salida de 12.4 Vpico. (Fig.11) Esto ocurre, cuando se le aplica un voltaje de 1V en DC con 1V en AC. Recordemos que la Saturación se alcanzó cuando la señal de salida fue de 14.4 V. Al aplicarle un voltaje DC se varía el rango máximo y mínimo de linealidad del Operacional. No se alcanzó el punto de saturación cuando se aplicó una entrada de 840Mv (Fig.12). La cual es menor que en el caso anterior y se logró obtener un voltaje de salida menor el cual fue de 10.2Vp, lo cual es congruente con los resultados obtenidos en las simulaciones los cuales se realizaron con valores distintos, pero bajo condiciones similares.

Conclusiones:

En la práctica se aprendió sobre las características y el funcionamiento del amplificador operacional (OPAM), conectado en la configuración diferencial se estudió las respuestas de forma experimental y utilizando el programa de simulación MULTISIM para posteriormente establecer una comparación. Las respuestas encontradas fueron la ganancia, la función de transferencia, la ganancia de modo común y el desfasaje entre las señales de entrada y salida de las topologías usadas. Se observó el comportamiento característico cuando se alimentan de diferentes maneras las entradas del OPAM.

En la tabla 6 se ven reflejadas las mediciones del barrido de frecuencia probando el comportamiento del amplificador a distintas frecuencias, sin embargo, se cometió un error a la hora de ajustar el voltaje de entrada en cada caso y por ende obtuvimos resultados incongruentes respecto a la simulación.

Por otro lado, los procedimientos de medición resultaron ser aplicables incluso cuando el OPAM presentaba un error muy grande, debido a esto los gráficos obtenidos por las mediciones experimentales fueron poco precisos en comparación a los resultados obtenidos con el uso del simulador, un considerable porcentaje de estos errores fue debido a los resultados obtenidos por la prueba de funcionamiento del OPAM la cual arrojo valores con un error considerablemente alto. A tener en consideración mejorar el registro de las mediciones y las fotografías del trabajo realizado en el laboratorio el cual no estuvo bien organizado y se perdieron algunas imágenes de la práctica.

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