Laboratorio No.1 Imperfecciones y Aplicaciones Op-Amp

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Laboratorio No.1 Imperfecciones y Aplicaciones Op-Amp

Arguelles P. Adiel1, Rebolledo C. Jhon1, y Palomino L. Jorge1

1Ingeniería Electrónica,
Facultad de Ingeniería
Universidad del Magdalena

Resumen— En este documento se presenta de forma detallada algunas de las imperfecciones y aplicaciones que presentan los amplificadores operacionales. Se tratará de constatar los efectos de la ganancia de circuito abierto en la configuración inversora y no inversora, de igual manera medir su frecuencia de corte. Se medirá la tensión producida por el voltaje de offset y se describe un método que permite eliminarlo o reducirlo. Se identifica los efectos de la rapidez de respuesta (Slew Rate) y los niveles de saturación a la salida del operacional.  Verificar la función del amplificador de diferencia, en especial medir el CMRR.

Palabras Claves—Frecuencia de corte, tensión offset, relación de rechazo modo común.

Abstract— This paper presents in detail some of the applications that have imperfections and operational amplifiers. Will attempt to establish the effects of the open-loop gain at the inverting and non-inverting configuration, the same way measure its cutoff frequency. Measure the voltage produced by the offset voltage and describes a method to eliminate or reduce. It identifies the effects of slew (Slew Rate) and saturation levels of operational output. Verify function of the difference amplifier, in particular measuring the CMRR.  

Index Terms— Cutoff Frequency, offset voltage, common mode rejection ratio. 

1. Introducción

Después de  repasar algunos conceptos básico sobre los amplificadores operacionales y, de haber analizados circuitos que contengan estos elementos, se está preparado para abordar un análisis más completo de los operacionales. Teniendo en cuenta las imperfecciones y los efectos que sufre al momento de realizar algún diseño.

Los op-amps son propensos a tener muchos problemas, en particular: los efectos de la tensión de offset, la corriente de polarización de entrada, su respuesta a altas frecuencias y su rapidez de respuesta. Son efectos que se deben tener muy presente y que el fabricante especifica en la hoja de dato de cada elemento.

1. Marco teórico

Comportamiento frecuencial limitado: todos los dispositivos reales poseen limitaciones frecuenciales, y los op-amps no son la excepción. La ganancia diferencial a circuito abierto de un op-amps no es infinita, sino que más bien es finita y disminuye con la frecuencia.

Tensiones de offset: Aunque idealmente cuando la tensión diferencial de entrada Vi =0 debería de haber tensión nula a salida, esto no es así, debido fundamentalmente a la tolerancia de fabricación y asimetría en el diseño. El fabricante suele especificar una tensión para aplicar a la entrada.

Slew-Rate: las variaciones de la tensión de salida están limitadas, cualquier cambio a una tasa superior, aparecerá con la tasa límite en la salida. Esta característica se debe a las capacidades interna de compensación del dispositivo y forma parte del comportamiento no lineal del dispositivo.

Saturación: la tensión de salida está limitada por las tensiones de alimentación del dispositivo. En el caso de que el dispositivo alcance la saturación, dejara de funcionar linealmente y la tensión diferencial de entrada dejara de ser nula.

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• Respuesta en frecuencia de un amplificador con ganancia nominal de +10 V/V

Relación de rechazo en modo común (CMRR): esta es la medida de la habilidad de un op-amps para rechazar las señales en modo común.  Si la misma seña alimenta a ambas entradas de una configuración diferencial, la salida Vo debería ser cero, sin embargo, debido al componente en modo común esto no ocurre. La capacidad de atenuar esta componente es lo que se conoce como CMRR y comúnmente se expresa en decibeles (dB).

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1. MONTAJE EXPERIMENTAL

1. EFECTOS DE LA GANANCIA DE CIRCUITO ABIERTO A.

Durante este primer ítem se desea verificar los efectos de la ganancia de circuito abierto del Op-Amp en las configuraciones inversora y no inversora clásicas. Para tal efecto implementar los circuitos de la Figura 1.0, utilizar una señal de entrada sinusoidal con amplitud de 100mV. Diligenciar los datos de la Tabla 1.0.

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• Figura 1.0 Configuraciones no-inversora e inversora

Seguidamente se desea medir la frecuencia de 3dB o frecuencia de corte asociadas a las configuraciones inversora y no inversora. Para ello se debe diligenciar los datos de f3dB en la Tabla 1.1, utilizando ganancias de circuito cerrado de 100, 10, 1, -1, -10, -100. Tener en cuenta que se deben elegir los valores de R2 y R1 de tal forma que se cumpla con las ganancias mencionadas.

1. VOLTAJE DE OFFSET

• Implemente el circuito de la Figura 1.1. Seleccione los valores de resistencia R1 = R2 = 20kΩ y R3 = 10kΩ.

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Figura 1.1 Medición del voltaje de offset

Conecte la entrada Vin a tierra y mida la tensión de salida la cual probablemente diferirá de cero en un número de milivoltios. Esta tensión es producida por la tensión offset de entrada que puede modelarse como una fuente de tensión DC en serie con la entrada no inversora. La ganancia del amplificador para este caso es de -1 respecto a la señal Vin y de 2 respecto al voltaje de offset de entrada. Calcule la tensión de offset de entrada correspondiente y compare este valor con el de la hoja de datos del LM741. Calcule el error y emita sus conclusiones.

• A continuación, instale el potenciómetro de 10kΩ offset-null, como se ilustra en la Figura 1.2. Ajuste el potenciómetro para que la tensión de salida tenga un valor de cero. ¿Qué puede concluir al respecto?

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Figura 1.2 Eliminación del voltaje offset

1. RAPIDEZ  DE  RESPUESTA

Utilizando el circuito de la Figura 1.2, realice los siguientes pasos:

• Para una entrada sinusoidal de 0.2Vp-p, con una frecuencia de f=1KHz y con valores de resistencia para R1 = 22kΩ y R2 = 220kΩ y R3 = 20kΩ. Medir cuanto es la ganancia de lazo cerrado de la configuración y calcular el error respecto al valor teórico. ¿Cómo es la fase de la señal de salida comparada con la de la señal de entrada?

Rapidez de Respuesta o Tiempo de Subida (Slew Rate)

• Aumente la frecuencia del generador de señales hasta que comience a disminuir la amplitud de la tensión de salida. Halle la frecuencia a la que la ganancia del amplificador es de su valor de baja frecuencia [1kHz]. Esta frecuencia puede considerarse el ancho de banda [punto -3dB] de esta configuración en particular.
• Con el generador de señales fijo a la frecuencia de ancho de banda [punto -3dB] para la ganancia de -10V/V R1 = 22kΩ y R2 = 220kΩ, aumente la amplitud de la tensión de entrada hasta que la tensión de salida comience a distorsionarse [es decir, que ya no parecerá sinusoidal, sino más bien una onda triangular]. En este punto, el amplificador ha alcanzado su velocidad de subida límite o rapidez de respuesta. (Slew Rate).
• Con la amplitud de entrada fija en el valor en el que la tensión de salida empieza justo a distorsionarse, calcule el valor máximo de dvout /dt en la tensión de salida. Compare este valor con el de la rapidez de respuesta (Slew Rate) que se encuentra en la hoja de datos del LM741. ¿Qué pueden concluir?
• Fijar el generador de señales de forma que produzca una tensión de entrada de onda cuadrada. Ajuste la amplitud y la frecuencia de la tensión de entrada hasta que la salida se vuelva una onda triangular. ¿Por qué no es una onda cuadrada la forma de onda de salida? Calcule el valor de dv/dt para esta onda triangular. [Observe que ésta es una forma mucho más fácil y precisa de medir la rapidez de respuesta del LM741.]

1. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Implemente el circuito mostrado en la Figura 1.3 utilizando resistencias de 10KΩ y polarización de +-15VDC.

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Figura 1.3 Amplificador diferencial

• Determine el CMRR para distintas frecuencias aplicando simultáneamente a las dos entradas del amplificador una señal sinusoidal de amplitud 10 Vpp según se ilustra en la Tabla 1.2.

1. Resultados

1. EFECTOS DE LA GANANCIA DE CIRCUITO ABIERTO A.

Luego del montaje del circuito de la figura 1.0, se obtuvieron los siguientes datos:

Tabla 1.0 Efecto de A en las configuraciones no-inversora e inversora

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