TP12_NR2022_Rodriguez Rivas (1) - Rodríguez Rivas César Iván

Vista previa del material en texto

TP012: Actividad de evaluación 01 - El
Amplificador Operacional
Nanorobótica
César Iván Rodrı́guez Rivas 221393
Ingenierı́a en nanotecnologı́a, Facultad de ingenierı́a
Universidad Autónoma de Querétaro
21/03/2022
I. INTRODUCCIÓN
I-A. Amplificador operacional
Un amplificador operacional (también conocido como
OPAMP) es un circuito integrado que permite realizar una
gran variedad de circuitos electrónicos útiles. Desde un
comparador de voltaje, un amplificador de señal, hacer
operaciones aritméticas y filtrar señales. Los amplificadores
operacionales están compuestos por una gran cantidad de
transistores internamente, que permiten controlar corrientes y
tensiones, para darle sus caracterı́sticas eléctricas.
El amplifcador operacional tiene 2 entradas y una
salida, ademas de la alimentación positiva y negativa.
La configuración de las entradas mencionadas define el
comportamiento del circuito. Para el amplificador operacional
ideal se cumplen estas reglas:
La impedancia entre las entradas inversora y no inversora
es infinita, por lo que no hay corriente de entrada.
La diferencia de potencial entre las terminales inversora
y no inversora es, o debe ser nula.
No hay corriente entrando o saliendo de las patas
inversora y no inversora.
En un OPAMP ideal se tiene una terminal de entrada
inversora(signo menos) y una de entrada no inversora(signo
más). En algunos casos se marca el sı́mbolo para denotar la
ganancia infinita y que es un OPAMP ideal.
El OPAMP es un circuito integrado activo o componente
electrónico activo, por lo tanto, al ser un dispositivo activo
es necesario un suministro de alimentación externo para su
funcionamiento, por lo general es de ± 15V, es recomendable
verificar en la hoja de datos del componente.Todos los
voltajes están referidos a una tierra común, en otras palabras,
se debe conectar todas las tierras al mismo punto o nodo
(GND).
Usualmente un OPAMP tiene una configuración de lazo
cerrado, correspondiente al lazo de retroalimentación desde
la salida a la entrada inversora (entrada negativa). La
configuración de lazo abierto se da cuando no tiene un lazo
de retroalimentación, no es muy utilizada está configuración
ya que tiene una considerable inestabilidad debido a la alta
ganancia.
I-B. Problemática
1. ¿Cuál es el voltaje de salida en el circuito de la figura?
2. ¿Cuál es el intervalo de ajuste de la ganancia de voltaje
en el circuito de la figura 2?
3. ¿Qué voltaje de entrada produce una salida de 2V en el
circuito de la figura 3?
4. ¿Cuál es el intervalo de voltaje a la salida en el circuito
de la figura 4 si la entrada puede variar de 0.1 a 0.5 V?
5. ¿Qué voltaje resulta en el circuito de la figura 5 para
una entrada V1 = 0.3 V?
6. ¿Qué voltaje de entrada se debe aplicar al circuito de la
figura 5 para obtener una salida de 2.4 V?
7. ¿Qué intervalo en el voltaje de salida se desarrolla en el
circuito de la figura 6?
8. Calcule el voltaje de salida desarrollado por el circuito
de la figura 7.
9. Calcule el voltaje de salida para el circuito de la figura
7 para Rf = 68 K.
10. ¿Qué voltaje de salida resulta en el circuito de la figura
8 para V1 = +0.5V?
11. Calcule el voltaje de salida para el circuito de la figura
9.
Figuras:
Figura 1. Figura para el problema 01
Figura 2. Figura para el problema 02
Figura 3. Figura para el problema 03
Figura 4. Figura para el problema 04
Figura 5. Figura para el problema 05
Figura 6. Figura para el problema 07
Figura 7. Figura para el problema 08
Figura 8. Figura para el problema 10
Figura 9. Figura para el problema 11
II. METODOLOGÍA
Ejercicio 1
Análisis LCK en el nodo V −
i1 = i2
∆V = iR
i1 =
V1−V −
R1
i2 =
V −−V0
R2
V1−V −
R1
= V
−−V0
R2
V + = V − = 0
V1−0
R1
= 0−V0R2
V1
R1
= − V0R2
V1
R2
R1
= −V0
V0 = −V1R2R1
V0 = −1,5V [ 250kΩ20kΩ ] = −18,75V
Figura 10. Figura para el problema 1, 3 y 4
Figura 11. Figura para el problema 1, 3 y 4
Ejercicio 2
Análisis LCK en el nodo V −
i1 = i2
∆V = iR
i1 =
V1−V −
RT
i2 =
V −−V0
Rf
V1−V −
RT
= V
−−V0
Rf
V + = V − = 0
V1−0
RT
= 0−V0Rf
V1
RT
= − V0Rf
V1
Rf
RT
= −V0
V0 = −V1 RfRT
Vo
Vi
= −RfRT
G = −RfRT
Para RT = 10kΩ
G = − 500kΩ10kΩ = −50
Para RT = 20kΩ
G = − 500kΩ20kΩ = −25
Figura 12. Figura para el problema 2
Figura 13. Figura para el problema 2
Ejercicio 3
Análisis LCK en el nodo V −
i1 = i2
∆V = iR
i1 =
V1−V −
R1
i2 =
V −−V0
R2
V1−V −
R1
= V
−−V0
R2
V + = V − = 0
V1−0
R1
= 0−V0R2
V1
R1
= − V0R2
V1
R2
R1
= −V0
V0 = −V1R2R1
V0 = −2V [ 20kΩ1MΩ ] = −0,04V
Ejercicio 4
Análisis LCK en el nodo V −
i1 = i2
∆V = iR
i1 =
V1−V −
R1
i2 =
V −−V0
R2
V1−V −
R1
= V
−−V0
R2
V + = V − = 0
V1−0
R1
= 0−V0R2
V1
R1
= − V0R2
V1
R2
R1
= −V0
V0 = −V1R2R1
Lı́mite inferior:
V01 = −0,1V [ 200kΩ20kΩ ] = −1V
Lı́mite superior:
V02 = −0,5V [ 200kΩ20kΩ ] = −5V
Ejercicio 5
Análisis LCK en el nodo V −
i1 = i2
∆V = iR
i1 = −V
−
R1
i2 =
V −−V0
R2
V + = V − = V1
− V1R1 =
V1−V0
R2
−V1R2R1 = V1 − V0
−V1R2R1 − V1 = −V0
V0 =
V1R2
R1
+ V1
V0 = V1[
R2
R1
+ 1]
V0 = −0,3V [ 360kΩ12kΩ + 1] = −9,25
Ejercicio 6
−V1R2R1 − V1 = −V0
V0 =
V1R2
R1
+ V1
V0 = V1[
R2
R1
+ 1]
V1 =
V0
R2
R1
+1
V1 =
2,4V
360kΩ
12kΩ +1
= 0,077419V
Ejercicio 7
Análisis LCK en el nodo V −
i1 = i2
∆V = iR
i1 = −V
−
RT
i2 =
V −−V0
Rf
V + = V − = V1
− V1RT =
V1−V0
Rf
−V1RfRT = V1 − V0
−V1RfRT − V1 = −V0
V0 =
V1Rf
RT
+ V1
V0 = V1[
Rf
RT
+ 1]
Para 10kΩ
V0 = −0,5V [ 200kΩ10kΩ + 1] = −10,5V
Para 20kΩ
V0 = −0,5V [ 200kΩ20kΩ + 1] = −5,5V
Figura 14. Figura para el problema 7
Figura 15. Figura para el problema 7
Ejercicio 8
Análisis LCK en el nodo V +
iT = if
iT = i1 + i2 + i3
∆V = iR
V1−V +
R1
+ V2−V
+
R2
+ V3−V
+
R3
= V
+−V0
Rf
V + = V − = 0
V1−0
R1
+ V2−0R2 +
V3−0
R3
= 0−V0Rf
V1
R1
+ V2R2 +
V3
R3
= − V0Rf
V0 = −Rf [ V1R1 +
V2
R2
+ V3R3 ]
V0 = −Rf [ 0,2V33kΩ +
−0,5V
22kΩ +
0,8V
12kΩ ]
V0 = −Rf (5x10−5 VΩ )
Figura 16. Figura para el problema 8 y 9
Figura 17. Figura para el problema 8 y 9
Ejercicio 9
V0 = −Rf (5x10−5 VΩ )
V0 = −(68kΩ)(5x10−5 VΩ )
V0 = −3,4V
Ejercicio 10
Análisis LVK
V − = V0
V1 = V
+
V1 = V0
V0 = 0,5V
Figura 18. Figura para el problema 10
Figura 19. Figura para el problema 10
Ejercicio 11
Análisis LVK
V −1 = V01
Vi1 = V
+1
Vi1 = V01
Figura 20. Figura para el problema 11
Figura 21. Figura para el problema 11
Análisis LCK en nodo V −
i1 = i2
∆V = iR
i1 =
V01−V −2
R1
i2 =
V −2−V02
R2
V01−V −2
R1
= V
−2−V02
R2
V +2 = V −2 = 0
Vi2−0
R1
= 0−V02R2
Vi2
R1
= −V02R2
Vi2
R2
R1
= −V02
V02 = −Vi2R2R1
V0 = −1,5V [ 100kΩ20kΩ ] = −7,5V
III. RESULTADOS
En las siguientes imagenes se puede obsevar el circuito
construido en el software Proteus y junto con el una captura
del análisis con osciloscopio (la lı́nea amarilla [canal A] es el
voltaje de salida y la lı́nea azul [canal B] el voltaje de entrada).
Figura 22. Circuito de conexión ejercicio 1
Figura 23. Señal de osciloscopio ejercicio 1
Figura 24. Circuito de conexión ejercicio 2
Figura 25. Circuito de conexión ejercicio 3
Figura 26. Señal de osciloscopio ejercicio 3
Figura 27. Circuito de conexión ejercicio 4
Figura 28. Señal de osciloscopio ejercicio 4-a
Figura 29. Señal de osciloscopio ejercicio 4-b
Figura 30. Circuito de conexión ejercicio 5 y 6
Figura 31. Señal de osciloscopio ejercicio 5
Figura 32. Señal de osciloscopio ejercicio 6
Figura 33. Circuito de conexión ejercicio 7
Figura 34. Señal de osciloscopio ejercicio 7-a
Figura 35. Circuito de conexión ejercicio 7
Figura 36. Señal de osciloscopio ejercicio 7-b
Figura 37. Circuito de conexión ejercicio 8 y 9
Figura 38. Señal de osciloscopio ejercicio 8 y 9
Figura 39. Circuito de conexión ejercicio 10
Figura 40. Señal de osciloscopio ejercicio 10
Figura 41. Circuito de conexión ejercicio 11
Figura 42. Señal de osciloscopio ejercicio 11
Cabe resaltar que en los ejercicios 2 y 7, en el que se
utiliza potenciometro, al momento de realizar la simulación
no se obtenı́avariación en la resistencia variable y se optó
por colocar y quitar una resitencia de 10k Ω para simbolizar
ambos intervalos.
IV. DISCUSIÓN
En todas las simulaciones se obtuvieron los mismos resul-
tados que los cálculos hechos a mano. Aunque en algunos
casos estos no fuesen exactos, la aproximación fue muy
cercana, lo que ratifica los resultados. Ya que los ejercicios
fueron analiados de forma individual, además del hecho de
que no se podı́a utilizar fórmulas directamente por el tipo de
configuración, se pudo confirmar que el análisis presentado por
el profesor en la introducción a amplificadores operacionales.
Otro punto de interes es que se observa como se comportan las
diferentes configuraciones de los amplificadores operacionales,
ya sea que sea inversor o no inversor.
V. CONSLUSIÓN
Los ejercicios propuestos no representan mayor dificultad
que la de comprender como realizar el análisis por medio de
las leyes de kirchhoff. Aunque tuve un poco de problema en
los ejercicios número 2 y 7, por el hecho de que no reconocı́a
el simbolo de los potenciómetros y creı́a que se trataba de
simbolizar un corto circuito y no comprendı́a el porqué era
necesario que estuviese ahı́; una vez que encontré que era
un potenciómetro, el análisis fue muy sencillo al tomar los
valores máximo y mı́nimo del mismo para encontrar los
intervalos solicitados (similar al ejercicio en el que se dan
intervalos de voltaje de entrada, solo que en estos casos los
intervalos son los valores de la resistencia)
Realizar un análisis individual me permitió comprender
mucho mejor el tema de los amplificadores operacionales, ya
que a pesar de ya haber trabajado con ellos con anterioridad
que a pesar de ya haber trabajado con ellos con anterioridad
(inclusive usandolos para realizar mi proyecto final de
microcircuitos) solo usaba las fórmulas correspondientes a
cada configuración de los mismos y no comprendı́a el porqué
de la operación que se lleva acabo.
En mı́ opinión el conocer el fundamento de como operan
los amplificadores, nos permite desarrollar mejores proyectos
que se nos presenten en el ambito académico o inclusive en
el ambito laboral.
REFERENCIAS
[1] A. Carrillo (2020) ¿Qué es un amplificador operacional?, 330ohms,
https://blog.330ohms.com/2020/07/27/que-es-un-amplificador-
operacional/
[2] Sin autor (2021) Amplificador operacional, MecatrónicaLATAM,
https://www.mecatronicalatam.com/es/tutoriales/electronica/amplificador-
operacional/
	Introducción
	Amplificador operacional
	Problemática
	Metodología
	Resultados
	Discusión
	Conslusión
	Referencias