Laboratorio de Electrónica III

Práctica I Características Eléctricas de los Amplificadores Operacionales

OBJETIVO: Al término de esta práctica el alumno aprenderá medir las características eléctricas más importantes de los op-amps. MATERIAL: 2 Resistencia de 100 Ω 1/4W. 2 Resistencia de 10 kΩ 1/4W. 2 Resistencia de 100 kΩ 1/4W. 1 Resistencia de 1 MΩ 1/4W. 1 Potenciómetro de 5 MΩ. 1 Amplificador operacional LM741. 1 Amplificador operacional TL081 EQUIPO: 1 Voltímetro digital. 1 Osciloscopio. 1 Generador de señales. 1 Fuente regulable. DESARROLLO: (a) Medición del voltaje offset de entrada (Vos). 1. Alambrar el circuito de la figura I.1. 2. Aplicar el voltaje de alimentación al amplificador operacional y con un voltímetro (de preferencia digital) medir el voltaje de salida.

Vout = mV (741) Vout = mV (081)

3. Obtener Vos considerando que es igual a Av

Voutos =V

Vos = mV (741) Vos = mV (081) Vos = mV (741, Data Book) Vos = mV (081 Data Book)

+

-

+15V

-15V

Vo

Rf

Ri

1M

100K

2

3

6

7

4

Voltímetro741/081

Figura I.1 Circuito de prueba para medir el offset.

(b) Medición de la corriente de polarización (Ibias) 1. Alambrar el circuito de la figura I.2. 2. Medir el voltaje que cruza por las resistencias R1 y R2.

VA = mV (741) VA = mV (081) VB = mV (741) VB = mV (081)

3. Utilizando las ecuaciones: 1

1 RVI A

bias = e 2

2 RVI B

bias = obtenga las corrientes de

polarización. Ibias1 = nA (741) Ibias1 = nA (081) Ibias2 = nA (741) Ibias2 = nA (081)

4. Obtenga el valor promedio de las dos y compare el resultado con la corriente de polarización de la hoja de especificaciones.

Ibias = nA (hoja de datos, 741) Ibias = nA (hoja de datos, 081) Ibias = nA (obtenida en el cto., 741) Ibias = nA (obtenida en el cto., 081)

+

-

+15V

-15V

Vo

Rf

Ri

1M

100K

2

3

6

7

4

Voltímetro741/081

R2 100K

A

B

Figura I.2

(c) Medición de la impedancia de entrada del amplificador operacional 1. Alambrar el circuito de la figura I.3. 2. Ajustar en el osciloscopio:

Canales 1 y 2: 0.5 Volt/división. Tiempo: 1msec/div.

3. Aplique un voltaje de 1 volt p-p en la entrada y la frecuencia necesaria para tener 1 ciclo completo en la pantalla. 4. Mientras observa el voltaje V’i en el canal 1, ajuste el potenciómetro de 5 MΩ hasta que este voltaje sea la mitad del voltaje de entrada (0.5Vp-p.). Si no se logra ponga resistencias de 10 M en serie. 5. Cuando halla alcanzado este punto, desconecte la alimentación del amplificador y el potenciómetro del circuito; entonces mida la resistencia del potenciómetro con un óhmetro. Compare este valor con el de tablas.

Rpot. = Ω (valor medido, 741) Rpot. = Ω (valor medido, 081) Zin = Ω (hoja de datos, 741) Zin = Ω (hoja de datos, 081)

+

-

+15V

-15V

VoVi

5M

2

3

6

7

4

Oscilos-copio

741/081V 'i

CH 1CH 2

Figura I.3

(d) Medición de la velocidad de cambio (slew-rate) 1. Alambrar el circuito de la figura I.4. 2. Ajustar en el osciloscopio:

Canal 1 : 0.5 Volt/división. Canal 2: 1.0 Volt/división. Tiempo: 10 µsec/div.

3. Aplique un voltaje de 5 volt p-p en la entrada y la frecuencia necesaria para tener 1 ciclo completo en la pantalla. 4. Mida el voltaje de salida p-p. (∆V).

∆V = volts (741) ∆V = volts (081) 5. Mida el tiempo t que le toma al voltaje de salida ir del valor mínimo al máximo.

∆t = µseg (741) ∆t = µseg (081) 6. Calcule el slew-rate (∆V/∆t) y compárelo con el de las hojas de especificaciones. Slew-Rate = seg

Vµ (medido, 741)

Slew-Rate = segV

µ (hoja de datos, 741)

Slew-Rate = segV

µ (medido, 081)

Slew-Rate = segV

µ (hoja de datos, 081)

7. Dibuje las señales de entrada y salida obtenidas.

+

-

+15V

-15V

Vo

Rf

Ri

10K

10K

2

3

6

7

4

741/081

Oscilos-copio

Vi

CH 1

CH 2

Señalcuadrada

Figura I.4

(e) Medición de la relación de rechazo de modo común (CMRR). 1. Alambrar el circuito de la figura I.5. 2. Ajustar un voltaje de entrada de 2 volts rms con una frecuencia entre 60 y 100Hz. Mida el voltaje Vi obtenido.

Vi(cm) = Vrms (741) Vi(cm) = Vrms (081) 3. Ahora mida el voltaje de salida Vout con el voltímetro.

Vout(cm) = Vrms (741) Vout(cm) = Vrms (081) Nota: Los voltajes son en corriente alterna.

4. Calcule la ganancia en modo común )(

)(

cmi

cmoutcm V

VA = =

5. Obtenga la ganancia diferencial. (R2/R1) = (R4/R3) y resuelva la relación de rechazo en modo común dando el resultado en dB. (20 log (Ad/Acm)). Compare con la hoja de especificaciones.

Ad (741) = Ad(081) = CMRR(741) = dB CMRR (081) = dB CMRR (741, hoja de datos) = dB CMRR (081,hoja de datos) = dB

+

-

+15V

-15V

Vo

R2

Ri

100K

100K

2

3

6

7

4

741/081

VoltímetroCA

Vi

Señalcuadrada

R3

100K

R4 100K

Figura I.5 Circuito para la medición de la razón de rechazo en modo común. CONCLUSIONES: En sus conclusiones mencione porque existe diferencia en el slew-rate entre el LM741 y el TL081, y comparando los valores obtenidos con los de las hojas de especificaciones evalúe si los amplificadores utilizados cumplen con las características eléctricas, sino es así, explique el por qué.

Laboratorio de Electrónica III

Práctica II

Comportamiento en frecuencia de los Amplificadores Operacionales OBJETIVO: Al término de esta práctica el alumno conocerá el efecto de la frecuencia en los circuitos con amplificadores operacionales, así como la compensación para circuitos que lo necesiten. MATERIAL: 1 Resistencia de 2 kΩ 1/4W. 3 Resistencia de 10 kΩ 1/4W. 1 Resistencia de 100 kΩ 1/4W. 1 Resistencia de 1 MΩ 1/4W. 2 Capacitor de 0.1 µF. 2 Capacitor de 30 pF. 1 Capacitor de 20 pF. 1 Capacitor de 3 pF. 1 Capacitor de 1 pF. 1 Amplificador operacional LM741. 1 Amplificador operacional TL081. EQUIPO: 1 Osciloscopio. 1 Generador de señales. 1 Fuente regulable. DESARROLLO: (a) Medición de la ganancia de lazo abierto (Aol) 1. Alambrar el circuito de la figura II.1. 2. Aplicar el voltaje de alimentación los amplificadores y poner un canal del osciloscopio a la entrada de voltaje y el otro canal a la salida. Para un Vin = 100mVp-p (senoidal) complete la siguiente tabla: Frecuencia Vin (741) Vout (741) Vin (081) Vout (081) 1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz (si se puede)

3. Cambie la resistencia de retroalimentación por una de 100kΩ y llene la tabla del punto 2.

4. Cambie la resistencia de retroalimentación por una de 10 kΩ y llene la table del punto 2. Utilice un Vin = 1Vp-p

5. Dibuje las gráficas (Vout vs Frecuencia) y (Aol vs Frecuencia). 6. Para los incisos 2, 3 y 4 obtenga la frecuencia de corte. Cuál es el ancho de banda de lazo abierto del operacional 741 y del 081? Cuál es el ancho de banda máximo de lazo cerrado para el 741 y el 081?

+

-

+15V

-15V

Vo

Rf

Ri

1M

10K

2

3

6

7

4

741/081

Oscilosco-pio

Vi

R3

10K2K

Figura II.1 Circuito para la medición de la ganancia de lazo abierto

Laboratorio de Electrónica III Práctica III

Amplificador Inversor

Comportamiento del circuito

El voltaje de salida Vo está dado por: io VRR

⋅

−=

1

2V .

En un amplificador operacional (Voltaje-Voltaje, V-V) al tener una ganancia muy

grande se debe cumplir que la diferencia de voltaje entre sus entradas sea cero; en estos

casos se tiene que en el punto A el voltaje es cero debido a que la otra entrada está en tierra,

de manera que:

0;;21

=+−=

−= RiRi

oi IIIIRV

RV

por lo tanto:

−=

1

2

RRVo

Descripción Se utiliza un amplificador operacional de voltaje-voltaje como se muestra en la

figura III.1; se aprovechan sus características fundamentales de alta ganancia, lo que hace

que su comportamiento sea el de un amplificador inversor. La ganancia será igual a

−

1

2R

R y la impedancia de entrada por considerarse (A) como tierra virtual es R1.

+

-

+V

-V

(A)Vo

Vi

R2

R1

47K

10K

Figura III.1 Amplificador inversor.

Comprobación Realizar el siguiente procedimiento circuitos 741. Reportar los puntos 1 y 2 en una tabla.

1. Armar el circuito mostrado en la figura III.1 y alimentarlo con fuentes de 15V con

tierra común. Excitar con voltaje de entrada igual a 0V CD, +1V CD y –1V CD; medir

V

±

o y VA.

2. Obtener la ganancia del amplificador.

3. Obtener la señal de salida para una señal de excitación de CA de 1 y 2 Vpp para

frecuencias de 500 Hz, 1KHz, 2KHz, 10KHz, 100KHz, 500KHz, 1MHz (si el

generador lo permite). Observar el comportamiento de cada operacional.

Formular y reportar conclusiones.

Laboratorio de Electrónica III

Práctica IV

Amplificador No Inversor

Comportamiento del circuito En la figura IV.1 se muestra el diagrama del amplificador no inversor.

El voltaje de salida Vo para el circuito de la figura IV.1 está dado por: io VRR

⋅

+=

2

31V .

En un amplificador operacional (Voltaje-Voltaje, V-V) al tener una ganancia muy

grande se debe cumplir que la diferencia de voltaje entre sus entradas sea cero; en estos

casos se tiene que en el punto A el voltaje es cero debido a que la otra entrada está en tierra,

de manera que:

0;;21

=+−=

−= RiRi

oi IIIIRV

RV

por lo tanto:

−=

1

2

RRVo

Descripción Se utiliza un amplificador operacional de voltaje-voltaje como se muestra en la

figura IV.1; se aprovechan sus características fundamentales de alta ganancia, lo que hace

que su comportamiento sea el de un amplificador inversor. La ganancia será igual a

−

1

2R

R y la impedancia de entrada por considerarse (A) como tierra virtual es R1.

+

-

+V

-V

(A)Vo

Vi

R2

R1

47K

10K

R1

10K Figura IV.1 Amplificador no inversor.

Comprobación Realizar el siguiente procedimiento con circuitos TL081. Reportar los puntos 1 y 2 en una

tabla.

1. Armar el circuito mostrado en la figura IV.1 y alimentarlo con fuentes de ± 15V

con tierra común. Excitar con voltaje de entrada igual a 0V CD, +1V CD y –1V

CD; medir Vo y VA.

2. Obtener la ganancia del amplificador.

3. Obtener la señal de salida para una señal de excitación de CA de 1 y 2 Vpp para

frecuencias de 500 Hz, 1KHz, 2KHz, 100KHz, 500KHz, 1MHz (si el generador lo

permite). Observar el comportamiento de cada operacional.

Formular y reportar conclusiones.

Laboratorio de Electrónica III

Práctica V

Amplificador Sumador Inversor

Comportamiento del circuito En la figura V.1 se muestra el diagrama del amplificador sumador inversor.

+

-

+V

-V

(A)Vo

22K

22K

V1

V2

V3

10K

10K

R1

R2

R3

(B)

4.7KR5

R4I 4I 1

I 2

I 3

Figura V.1. Amplificador sumador inversor.

De donde R5 = R1 // R2 // R3.

Debido a que la terminal no inversora está a tierra a través de una resistencia R5 y,

por las características de alta ganancia del amplificador operacional, el voltaje en A debe

ser cero, por lo que se considera una tierra virtual y se puede establecer que:

I1 + I2 + I3 + I4 = 0

Como se tiene una alta impedancia de entrada hacia la entrada inversora del operacional,

entonces:

43

3

2

2

1

1

RV

RV

RV

RV o−=++ .

Por lo tanto:

++−=

3

3

2

2

1

14 R

VRV

RVRVo

El comportamiento es de un sumador inversor cuya salida depende de la suma de los

voltajes V1, V2, V3 y de las resistencias R1, R2, R3 y R4.

Descripción Al usar un circuito amplificador inversor básico y agregarle otras fuentes de

excitación, se aprovecha la ventaja de tener una tierra virtual en A, lo cual hace que en ese

nodo se sumen las corrientes sin que los voltajes de excitación se afecten uno al otro por

efecto de la retroalimentación. De esta manera, el efecto de sumar las corrientes en el nodo

A resulta en una suma de voltajes a la salida dando por conclusión que el circuito se

comporta como un sumador inversor, y que cada excitación puede además ponderarse en

función de la relación de resistencias de entrada, es decir R5 = R1 // R2 // R3 con objeto de

reducir el desbalance de corriente en la entrada del operacional.

Comprobación Realizar el siguiente procedimiento con circuitos TL081. Reportar los puntos 1 y 2 en una

tabla.

1. Armar el circuito mostrado en la figura V.1 y alimentarlo con fuentes de 12V con

tierra común. Excitar con voltajes de entrada: V

±

1 = 1 VCD, V2 = 1 VCD, V3 = 1

VCD; medir Vo y VA.

2. Excitar con voltajes de entrada: V1 = 1 VCD, V2 = -1 VCD, V3 = -1 VCD; medir Vo

y VA.

3. Obtener la señal de salida para una señal de excitación (V1) de CA de 1 y 2 Vpp para

frecuencias de 500 Hz, 1KHz, 2KHz, 5KHz, 10KHz y 100 KHz. Hacer V2 = 1 y -1

VCD y V3 = 0 VCD. Observar las señales de salida-entrada y compárelas.

Formular y reportar conclusiones.

Laboratorio de Electrónica III

Práctica VI

Amplificador Sumador No Inversor

Comportamiento del circuito En la figura VI.1 se muestra el diagrama del amplificador sumador no inversor.

+

-

+V

-V

(A)Vo

100K

100K

R1

(B)

R4

100K

V1

V2

V3

100K

100K

R2

R3

R5

Figura VI.1. Amplificador sumador no inversor.

Si solo se conectan R3 y R4, se tiene que:

21 VVVo += ,

si:

34

4

34

3

21

1

RRR

RRR

RRR

++

+=

+,

si se conecta también R5,

( )32132 VVVVo ++= .

Para este circuito, se debe tomar en cuenta que la impedancia en las entradas del

operacional es muy grande, por lo que el voltaje en B al considerar solamente V1, V2, R3 y

R4 es:

21

1

43

32

43

41

RRRV

VRR

RVRR

RVV oAB +

==+

++

= .

Por lo tanto, si R1 = R2 = R3 = R4 = 100K, entonces Vo = V1 + V2. Si se considera R5 =

100K,

21

1

543

433

353

532

354

541

////

////

////

RRRVV

RRRRRV

RRRRRV

RRRRRV

V oAB +==

++

++

+= .

Si R3 = R4 = R5, entonces:

++

+=

3321

1

21 VVVR

RRoV .

Si R2 = R1, entonces: ( )32132 VVVo ++

=V .

Si R2 = 2R1, entonces: V 321 VVVo ++= , y así sucesivamente.

Descripción En este circuito se utiliza en amplificador no inversor como base y se aprovecha el

hecho de que la impedancia de entrada en estos circuitos es alta, de tal forma que el nodo B

se comporta como el punto donde se conectan diferentes excitaciones a través de una

resistencia y, para conocer el voltaje en dicho nodo se utiliza el teorema de superposición.

Después se utiliza la ventaja que presentan estos circuitos de reflejar el voltaje de una

entrada a la otra. Aprovechándose la característica de alta ganancia que es intrínseca al

operacional, se pueden relacionar los voltajes de excitación con el voltaje de salida, sin

embargo, como se ve en el análisis matemático del comportamiento, se requiere tener

cuidado con los valores de las resistencias si se quiere tener sumas ponderadas, ya que el

mover uno de ellos afecta el comportamiento final, principalmente las de excitación.

Asimismo, se deben considerar las resistencias en serie de las fuentes para obtener el

voltaje de salida real o utilizar seguidores de voltaje para aislar las fuentes.

Comprobación Realizar el siguiente procedimiento con circuitos 741. Reportar los puntos 1 y 2 en una

tabla.

1. Armar el circuito mostrado en la figura VI.1 y alimentarlo con fuentes de 12 VCD

con tierra común. Conectar V

±

1 = 2 VCD, V2 = 3 VCD y dejar V3 al aire. Medir VA,

VB y Vo.

2. Excitar con voltajes de entrada: V1 = 2 VCD, V2 = 1 VCD, V3 = 3 VCD; medir VA,

VB y Vo.

3. Obtener la señal de salida para una señal de excitación (V1) de CA de 1 y 2 Vpp para

frecuencias de 500 Hz, 1KHz, 2KHz, 5KHz, 10KHz y 100 KHz. Hacer V2 = 1 y -1

VCD y V3 = 0 VCD. Observar las señales de salida-entrada y compárelas.

Formular y reportar conclusiones.

Laboratorio de Electrónica III Práctica VII

Diferenciador e Integrador Operación de un diferenciador.

1. Arme el circuito de la figura VII.1.

Figura VII.1 Circuito diferenciador

2. En el osciloscopio establecer:

• Canal 1: 0.5 volts/división. • Canal 2: 0.05 volts/división. • Base de tiempo: 0.5 mseg/división. • Acoplo DC.

3. Ajuste un voltaje de pico a pico de una señal de entrada triangular a 1 volt (0.5 volts de pico) y la frecuencia a 400Hz (2 ciclos completos). Debes tener en el canal 2 la señal de salida igual a una onda cuadrada defasada 180º con respecto a la entrada. 4. Mida el voltaje de pico negativo de la onda cuadrada (con respecto a tierra), apuntando el resultado.

Voltaje de pico negativo = ____________ volts 5. Ahora mida el periodo de tiempo para el cual el voltaje de onda cuadrada es negativo (t1). Si la frecuencia de entrada es exactamente 400Hz y simétrica, se debe medir aproximadamente 1.25 mseg. 6. Para el voltaje de salida negativo, la ecuación para el pico de voltaje de salida de una onda triangular diferenciada cuadrada está dado por:

( )1

2tCVR

V ifpicoo −=

¿Cómo es el valor que determinaste en el paso 4 con respecto al valor obtenido matemáticamente? 7. Cambie la base de tiempo a 0.2 mseg/división y en el canal 2 a 0.1 volts/división. Ahora ajuste la frecuencia de entrada para obtener 2 ciclos completos (1khz). Repetir los pasos 4,5 y 6. ¿Cómo son sus resultados con respecto a los calculados? 8. Ahora cambie la base de tiempo a 10 µseg/división y el canal 2 a 2volts/división. Ajuste la frecuencia de manera que complete 3 ciclos (30khz). Cómo es la señal de salida? Dibújela. 9. Mida el voltaje de salida pico a pico y determine la ganancia de voltaje. Es la esperada? Repetir el experimento con TL081.

10. Alambre el circuito de la figura VII.2.

11. Para un voltaje de entrada Vi = ±2V triangular a una frecuencia de 2kHz, obtenga el voltaje de salida Vo. Dibuje la señal de salida. 12. Cambie el tipo de señal a una entrada cuadrada con las mismas características del inciso anterior; obtenga el voltaje de salida y dibuje la forma de onda. 13. ¿Qué pasa si se le quita el capacitor C2. Dibuje la señal de salida. 14. Conclusiones sobre el circuito diferenciador. Repetir el experimento con TL081. Integrador 1. Arme el circuito de la figura VII.3.

Figura VII.3 Circuito integrador

2. En el osciloscopio tenga:

• Canales 1 y 2: 0.5volts/división. • Base de tiempo: 20 µseg/división. • Acoplo en dc.

3. Ajuste un voltaje de entrada pico a pico de onda cuadrada en 1 volt (0.5 volts de pico) y a una frecuencia de 10khz. Debes de obtener en la salida una señal triangular defasada 180º con respecto a la de entrada. 4. Mida el voltaje de pico negativo de la onda triangular, apuntando el resultado.

Voltaje de pico negativo = ____________volts

5. Ahora mida el periodo de tiempo para el cual al voltaje de onda cuadrada le toma completar medio ciclo (t). Si la frecuencia de entrada es simétrica y de 10KHz, tu debes de medir aproximadamente 50seg. 6. Para una señal cuadrada de entrada, el voltaje de salida pico a pico de una onda triangular está dado por:

( )CRtV

V ipicopicoo

1

−=−

Cómo es el valor que determinaste en el paso 4 con respecto al valor obtenido matemáticamente? 7. Cambie el tiempo base del osciloscopio a 50 µseg/división y los canales 1 y 2 a 1 volts/división. Ahora ajuste la frecuencia de entrada de manera que tenga 2 ciclos completos (4kHz). Repetir los pasos 4,5 y 6. ¿Cómo son sus resultados con respecto a los calculados? 8. Ahora cambie la base de tiempo a 2 mseg/división y el canal 2 a 5 volts/división. Ajuste la frecuencia de manera que complete 2 ciclos (100Hz). ¿Cómo es la señal de salida? Dibújela. 9. Mida el voltaje de salida pico a pico y determine la ganancia de voltaje. ¿Es la esperada? 10. Repetir el experimento con TL081 11. Conclusiones sobre el circuito diferenciador.

Laboratorio de Electrónica III Práctica VIII

Comparadores

1. Alambrar el circuito de la figura VIII.1

Figura VIII.1 Circuito Comparador

2. Ajuste en el osciloscopio:

• Canal 1: 1volt/división. • Base de tiempo: 1msec/división. • Acoplo en DC.

Cuando: Vi < Vref Vo = -Vsat (led apagado) Vi > Vref Vo = +Vsat (led encendido)

3. Dependiendo del ajuste del potenciómetro, el led puede o no iluminarse. Si el led esta encendido, gire el potenciómetro hasta que se apague. 4. Con el osciloscopio mida el voltaje en el pin 2 del op-amp y escriba el resultado.

Vref = _________ volts 5. Ahora mida con el osciloscopio en el pin 3 del op-amp. Mientras observa el led, varíe el potenciómetro hasta que el led encienda. Mida el voltaje y anótelo.

(Vi)led encendido = ___________ volts ¿Cómo es este valor comparado con el del paso 4? 6. Desconecte las fuentes. Verifique la operación del comparador no inversor variando la resistencia R1, y repetir desde el paso 3 al 5, de acuerdo a la siguiente tabla:

R1 Vref medido (Vi)led encendido 1kΩ

2.2kΩ 5.6kΩ

Repetir para TL081.

Comparador como convertidor de onda senoidal a cuadrada. 1. Alambrar el circuito de la figura VIII.2.

Figura VIII.2 Comparador como convertidor de onda senoidal a cuadrada.

2. Ajuste en el osciloscopio:

• Canal 1: 1volt/división. • Canal 2: 10volts/división. • Base de tiempo: 1msec/división. • Acoplo en DC.

3. Ajuste el voltaje de entrada pico a pico a 3 volts; también ajuste la frecuencia a 300 Hz. ¿Cuál es la polaridad del voltaje de salida cuando la señal de entrada es positiva? y cuando es negativa? Dibuje las formas de onda. 4. Invierta las conexiones de las entradas, tal que la señal senoidal sea aplicada en la entrada no inversora, mientras que la tierra se conecta a la entrada inversora. Aplique el mismo voltaje de entrada a la misma frecuencia. Dibuje las señales de entrada y salida y compárelas con las del inciso 3. ¿Qué sucedió? 5. Apague las fuentes y agregue el circuito de la figura VIII.3 a la salida del comparador no inversor.

Figura VIII.3 Circuito a agregar.

6. Ajuste en el osciloscopio:

• Canal 1: 0.5 volts/división. • Canal 2: 5 volts/división. • Base de tiempo: 0.2msec/división. • Acoplo en DC.

Ajuste una señal senoidal de 1 Vpp con una frecuencia de 1500Hz. ¿Cuál es la salida obtenida, cuál es su valor? Dibuje las formas de onda. Repetir con TL081. Comparador de ventana. 1. Alambrar el circuito de la figura VIII.4

Figura VIII.4 Diagrama para el comparador de ventana.

2. Ajuste en el osciloscopio:

• Canal 1: 5volts/división • Base de tiempo: 1msec/división. • Acoplo en DC.

3. Con el voltímetro conectado al pin 2 del primer op-amp, mida el voltaje VH, y registre el resultado.

VH = ___________ volts 4. Ahora mida el voltaje del pin 3 del segundo op-amp, VL, registre el resultado.

VL = ___________ volts 5. Conecte el voltímetro entre tierra y el punto Vi, y varíe el potenciómetro de 50ΚΩ hasta obtener el mínimo voltaje (aprox. 0 Volts). En el osciloscopio observe cual es la salida del comparador de ventana.

Vout = ____________ volts 6. Suavemente varíe el potenciómetro incrementando el voltaje de entrada Vi hasta que el voltaje de salida, que ve en el osciloscopio, repentinamente cae a cero volts. Registre el valor del voltaje de entrada.

Vi(V0=0) = _____________ volts ¿Cómo es este valor comparado con el voltaje que determinado en el paso 4? 7. Suavemente incremente el voltaje de entrada hasta que en la salida tenga un voltaje igual al de saturación. En este punto mide el voltaje de entrada con el voltímetro y regístrelo.

Vi(V0=+Vsat) = ______________ volts ¿Cómo es este valor comparado con el voltaje que determinado en el paso 3? 8. Verifica la operación del comparador de ventana para un diferente conjunto de voltajes de referencia. Cambie la resistencia de 3.3 ΚΩ a 1 ΚΩ y la resistencia de 10 ΚΩ a 4.7 ΚΩ y repita los pasos 1 al 7. Repetir para el Tl081. Formular y reportar conclusiones

Laboratorio de Electrónica III Práctica IX

Diseño de Filtros Activos Un filtro es un circuito diseñado para dejar pasar una banda de frecuencias determinada,

mientras rechaza todas las demás señales cuyas frecuencias se encuentren fuera de dicha

banda. Los circuitos con filtros pueden ser activos o pasivos. Los filtros pasivos contienen

capacitores, resistencias y bobinas; mientras que los filtros activos emplean transistores o

amplificadores operacionales, resistencias y capacitores.

Filtros Butterworth Pasa Bajas 20 dB/década En la figura IX.1 se muestra un filtro activo pasa bajas de uso común. En este circuito, el

filtrado se realiza con el circuito RC y el amplificador operacional se utiliza como

amplificador de ganancia unitaria. El filtro Butterworth de 20 dB/década tiene un

defasamiento de 45° a ωc y para cada incremento de 20 dB/década el ángulo de fase se

incrementa en 45°.

+

-

+V

-V

VoR

Rf

CVi

i11 V

RCjVo ω+

=

Fig. IX.1 Filtro pasa bajas de 20 dB/década.

Procedimiento de diseño 1. Seleccionar la frecuencia de corte ωc, la cual se calcula mediante:

cc fπω 2=

donde ωc es la frecuencia de corte en radianes por segundo y fc es la frecuencia de corte

en Hz.

2. Seleccionar el capacitor C, por lo general FCnF µ1.01 ≤≤

3. Sustituir C en la ec. siguiente para obtener R:

CR

cϖ1

=

Filtro Butterworth pasa altas 20 dB/década El filtro pasa altas atenúa todas las señales con frecuencia inferior a la frecuencia de corte

ωc especificada y deja pasar todas las señales cuya frecuencia sea mayor que la frecuencia

de corte. El defasamiento para filtros de 20 dB/década es de 45° y aumenta 45° por cada

aumento de 20 dB/década.

+

-

+V

-V

Vo

V1 R

C

111

1 V

RCj

Vo

ω−

=

Rf = R

Fig. IX.2 Filtro pasa altas.

Procedimiento de diseño 1. Seleccionar la frecuencia de corte ωc, la cual se calcula mediante:

cc fπω 2=

2. Seleccionar el valor del capacitor C, por lo general FCnF µ1.01 ≤≤

3. Sustituir C en la ec. siguiente para obtener R en:

CR

cϖ1

=

4. Hacer Rf = R.

Filtros Butterworth pasa banda El filtro pasa banda es un selector de frecuencia; permite seleccionar o pasar únicamente a

una banda particular de frecuencias de entre otras que pueden estar presentes en un circuito.

Los filtros se dividen en dos tipos: de banda ancha y de banda angosta. Un filtro de banda

ancha tiene un ancho de banda de dos o más veces la frecuencia de resonancia; en otras

palabras el factor de calidad Q 0.5. En general estos filtros se construyen poniendo en

cascada un filtro pasa bajas con un pasa altas. El filtro de banda angosta (Q ≥ 0.5) casi

siempre puede construirse en una sola etapa.

≤

Filtro pasa banda de banda ancha En general este filtro se construye poniendo en cascada un filtro pasa bajas y un pasa altas.

Las frecuencias de corte de ambos filtros no deben traslaparse y ambas deben tener la

misma ganancia en la banda de paso. La frecuencia de corte del filtro pasa bajas debe ser 10

o más veces la frecuencia de corte del filtro pasa altas.

Para filtros pasa bajas y pasa altas en cascada, el filtro de banda ancha resultante tiene las

siguientes características:

a) La frecuencia de corte inferior fL, queda determinada sólo por el filtro pasa altas.

b) La frecuencia de corte superior fH queda establecida sólo por el filtro pasa bajas.

c) La ganancia será máxima a la frecuencia de resonancia fr igual a la ganancia de la

banda de paso.

Filtro pasa banda de banda angosta En la figura F.3 se muestra un filtro pasa banda angosta. La resistencia de entrada del filtro

queda establecida aproximadamente con la resistencia R. Si se coloca una resistencia de

retroalimentación (2R), de modo que sea el doble de la resistencia de entrada R, la ganancia

del filtro será unitaria o de 0 dB en la frecuencia de resonancia fr. Ajustando Rr es posible

cambiar o hacer el ajuste fino de la frecuencia de resonancia sin modificar el ancho de

banda o la ganancia.

Procedimiento de diseño

El ancho de banda B se determina con la resistencia R y el par de capacitores (iguales) C

mediante:

RCB 1591.0

=

donde:

QfB r=

La ganancia tiene un máximo de 1 en fr, a condición de que la resistencia de

retroalimentación tenga un valor del doble de la resistencia de entrada.

+

-

+V

-V

Vo

V1

R C

2R

C

Rr

Fig. F.3 Filtro pasa banda de banda estrecha.

La frecuencia de resonancia fr se determina mediante la resistencia Rr de acuerdo con:

12 2 −=

QRRr

Cuando se conocen los valores de los componentes del circuito, la frecuencia de resonancia

se puede calcular mediante:

rr R

RRC

f += 11125.0 .

Filtro de ranura Los filtros de ranura eliminan las frecuencias determinadas por la banda de detección B

mientras que dejan pasar todas las demás. En la figura IX.4 se muestra como construir un

filtro de ranura. Se observa que a la señal original se le resta la salida de un filtro pasa

banda. Para las frecuencias del filtro de ranura en la banda de paso, la salida de la sección

del filtro pasa banda se aproxima a cero. Por lo tanto, el voltaje de entrada se transmite a la

salida.

Comprobación I. Diseñar los siguientes filtros:

1. Filtro pasa bajas de con fc = 500 Hz.

2. Filtro pasa altas de fc = 500 Hz.

3. Filtro pasa banda con fl = 1000 Hz y fH = 2000 Hz.

4. Filtro rechaza banda con banda de rechazo de 1200 a 1500 Hz.

II. Simular los filtros diseñados con 741 y TL081 y obtener su diagrama de Bode.

III. Implementar dichos filtros usando cualquiera de los operacionales y comprobar su

funcionamiento excitándolos con diferentes señales. Obtener la salida de los filtros unas

dos décadas debajo de la frecuencia de corte y tres décadas arriba de su frecuencia de corte

o banda de paso y graficar.

Formular conclusiones.