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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
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