Laboratorio II: Filtros Activos con Amplificadores Operacionales (Abril de 2018)

Laboratorio II: Filtros Activos con Amplificadores Operacionales (Abril de 2018)

Andres Felipe Guerra Gonzalez

1. INTRODUCCIÓN

En este laboratorio evidenciaremos la función de los amplificadores operacionales por medio de una práctica, a partir del montaje de un circuito como amplificador no inversor, observaremos su comportamiento de ganancia, frente a diferentes señales de entrada. Se realizarán los cálculos teóricos pertinentes para hallar los valores deseados, de acuerdo con la necesidad que se requieran, además con ayuda de un simulador corroboraremos los resultados. Al terminar la práctica se espera comprender el trabajo que hacen los amplificadores operacionales, su aplicación al día a día y a nivel profesional.

1. MARCO CONCEPTUAL

1. Amplificadores Operacionales (OpAmp)

Un amplificador operacional es un circuito electrónico integrado, diseñado para acoplar y amplificar de forma diferencial dos entradas de voltaje, la salida es la diferencia de las dos entradas multiplicadas por un factor ganancia.[pic 1]

Fig. 1.  Esquema del amplificador operacional, con sus respectivas entradas y salidas.[pic 2]

Así un amplificador operacional se comporta como un circuito con alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida, que puede ser usado como un simple acoplador de una señal para dos circuitos externos.

Un amplificador operacional tiene un ancho de banda (Bw) infinito, es decir que puede operar señales de cualquier frecuencia.

Los amplificadores operacionales tienen múltiples utilidades, se pueden diseñar de acuerdo con lo que se requiera, como sus diferentes montajes para un sinfín de propósitos. Entre los que podemos encontrar amplificadores operacionales como comparador, como amplificador inversor, no inversor, sumador, integrador, derivador, acoplador o seguidor, etc. Dentro de los cuales se hará una breve explicación de los mas básicos.

1. Amplificador operacional como circuito comparador

Es un modo de funcionamiento del amplificador operacional que como su nombre lo indica, permite o es capaz de comparar dos señales de entrada y variar la salida en función de cual es mayor. Aprovechando la cualidad de ganancia muy alta, se puede usar para que se resten las señales de entrada y produzca un estado lógico de salida.

1. Amplificador operacional como amplificador inversor

La señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque puede ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que se le dé. Cuando de desea usar este montaje como amplificador de una señal alterna, solo se hace uso de una de las dos entradas, en este caso usando la entrada (-), por ello el nombre que se le da como inversor. En este diseño es posible modificar el valor de la ganancia, gracias a la realimentación que hay entre la salida y la entrada.

[pic 3]

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Fig. 2.  Esquema del amplificador operacional como amplificador inversor.[pic 5]

1. Amplificador operacional como amplificador No inversor

En este caso, como en el amplificador operacional como inversor, pero en el sentido contrario, usamos la entrada ‘positiva’ (+), y se omite la inversora. A diferencia de la otra, la señal de salida no esta invertida respecto a la entrada.

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Fig. 3.  Esquema del amplificador operacional como amplificador no inversor.[pic 8]

1. Filtros Activos

Se llaman filtros activos a los circuitos electrónicos cuya función es atenuar señales de ciertas frecuencias, y dentro de su diseño hacen uso de amplificadores operacionales, los cuales requieren de alimentación eléctrica externa para el funcionamiento de sus componentes semiconductores.

Estos circuitos están diseñados para producir perdidas a señales de ciertas frecuencias, al igual que los filtros pasivos, con la diferencia de que estos pueden amplificar la señal al mismo tiempo que la filtran.

1. Filtros Pasa bajos

Este tipo de filtros, como su nombre lo dice, permite el paso de frecuencias bajas, lo que quiere decir que ‘evita’ o atenúa las frecuencias no deseadas (altas). En este caso se hace el uso del amplificador no inversor, y si no hay resistencia de realimentación la ganancia del amplificador operacional va a ser igual a 1.

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1. Filtro Pasa altos

Este otro, como se puede evidenciar, es el inverso del anterior; filtro pasa bajo, que permite filtrar las frecuencias altas, respecto a una frecuencia de corte designada, atenuando así, toda la frecuencia baja.

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[pic 12]

1. Filtro Pasa banda

Es un filtro que deja pasar solo un rango de frecuencia determinado llamado bandas. El resto de las frecuencias superiores o inferiores son atenuadas. A diferencia de los pasivos, este filtro activo permite personalizar la frecuencia de corte inferior y la superior de forma independiente, por lo tanto, también es posible personalizar el ancho de banda. Se construyen con un filtro pasa bajos en serie con un pasa altos.

La frecuencia de corte bajo y ganancia se calculan con las siguientes ecuaciones:

[pic 13]

Las frecuencias de corte alto se calculan con las siguientes ecuaciones:

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[pic 15]

1. DISEÑO Y CALCULOS

1. Filtro pasa bajos

1. Diagrama[pic 16]
2. Cálculos

Para obtener la frecuencia de 10Khz y A=2

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1.  Osciloscopio[pic 21]

1. Diagrama de Boole

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1. Filtro Pasa altos

1. Diagrama[pic 23]

1. Cálculos

Para obtener la frecuencia de 5Khz y A=3

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1. Osciloscopio[pic 26]

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1. Grafica de Boole[pic 28]

1. Filtro Pasa bandas

1. Diagrama[pic 29]

1. Osciloscopio

[pic 30]

1. Diagrama de Boole

[pic 31]

1. RESULTADOS PRACTICOS

1. Tabla de mediciones filtro pasa bajo

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