Proyecto 3: Experimentación con Amplificadores Operacionales

 

Experimentación con Amplificadores Operacionales

En la electrónica un componente muy útil es el amplificador operacional o Op-amp (por sus siglas en ingles), este es un conjunto de transistores, resistencias y capacitores configurados para darnos un componente con un factor beta de ganancia bastante alto así como alta impedancia de entrada, pero baja impedancia de salida, estas cualidades lo haces muy funcional para usarlo en conjunto con otros Op-amps, sin que se interfieran unos con otros como si se tratase de construir con bloques. Además con diferentes configuraciones podemos logras distintas funciones con ellos desde la mas básica que es usarlo como amplificador, crear un oscilador, filtros, circuitos rectificadores, sumadores y hacer muchas mas operaciones con ellos.

Esquemático simple Op-amp

Para empezar es importante conocer las entradas y salidas con las que cuenta nuestro elemento:

• Entradas de señal denominadas como input en la imagen anterior, una de ellas será inversora y la otra no-inversora lo cual son características que afectaran a la señal al momento de ingresar y ser tratada por el operacional, esto lo veremos más adelante.

• Entradas de alimentación +vss y -vss, un operacional se puede alimentar de dos maneras distintas alimentación simple donde +vss será nuestro voltaje positivo y donde -vss será tierra; o también puede tener alimentación dual lo que significa que en vez de poner -vss a tierra esta ira a un voltaje negativo. Esto es importante ya que afecta los limites de saturación de nuestro operacional, lo cual es atener en cuanta según la aplicación que deseemos llevar acabo con estos.

• Output este será el terminal de salida del operacional, es importante tener en cuenta que estos están diseñados para que en funcionamiento su salida tenga la menor impedancia posible.  

Amplificador

Un amplificador como su nombre lo indica se encarga de amplificar la señal de entrada, dando a si a la salida una versión de esta pero con una amplitud mayor, para usar un Op-amp como amplificador hay que tener algunas cosas en cuenta como sus limites de alimentación que normalmente van a ser también los limites máximos de salida antes que el amplificador sature, a su vez la ganancia máxima de nuestro Op-amp se va a ver afectada por la frecuencia, estas características vienen definidas en el datasheet del operacional que usemos.

Ganancia vs Frecuencia

Aparte de eso hay dos configuraciones para hacer que un Op-amp funcione de amplificador las cuales son Inversor y No-inversor:

Amplificador Inversor: En esta configuración, el Op-amp toma una señal de entrada y produce una salida que es una amplificación de la señal de entrada, pero invertida en fase. La relación entre R2 y R1 determina la ganancia del amplificador. Esta relación se expresa comúnmente en la ecuación:

A = −R1/R2

Amplificador No Inversor: En esta configuración, el op-amp amplifica la señal de entrada sin invertirla. La ganancia del amplificador no inversor se determina por la ecuación:

A=1+(R1/R2)​

Amplificador sumador inversor: En esta configuración, el op-amp amplifica la señales individualmente con la relación de -RF dividido la resistencia de la línea, para luego sumar estas y generar una sola salida en conjunto:

Circuito sumador inversor

Comparador con op-amp: En esta configuración, el op-amp compara el voltaje de sus dos entradas y siendo la entrada no inversora la magnitud a comparar y la inversora la de referencia, lo que hará que el op-amp sature a la alimentación positiva o negativa correspondiendo a la entrada que tenga mayor magnitud. Es importante tener en cuenta que solo se pueden comparar magnitudes dentro del rango de alimentación ya que por fuera de este no funcionara.

Circuito comparador

Osciladores

Los osciladores son circuitos electrónicos diseñados para generar señales periódicas que varían con el tiempo. Estas señales pueden adoptar diversas formas, como sinusoidales, cuadradas o triangulares, entre otras. Son fundamentales en prácticamente todas las ramas de la electrónica, desde la comunicación inalámbrica hasta la instrumentación de precisión.

Retro alimentación positiva

Los osciladores funcionan mediante el principio de retroalimentación positiva, en el que una fracción de la salida se retroalimenta a la entrada con la fase adecuada. Esto crea un bucle de retroalimentación que, bajo ciertas condiciones, produce una oscilación continua. Los componentes básicos de un oscilador incluyen amplificadores, filtros y como inductores y condensadores.

Características:

• Frecuencia: La frecuencia de oscilación determina la cantidad de ciclos completos que la señal realiza en un segundo y se mide en hercios (Hz). La precisión y estabilidad de esta frecuencia son cruciales en muchas aplicaciones, como la transmisión de datos y la sincronización de sistemas.

• Amplitud: Es la magnitud máxima de la señal generada, representada por el pico del ciclo de la onda. En aplicaciones de audio, por ejemplo, la amplitud determina el volumen del sonido reproducido.

• Estabilidad: Un oscilador estable produce una señal con una frecuencia y amplitud constantes en el tiempo y en diferentes condiciones ambientales, como variaciones de temperatura o tensión de alimentación.

• Distorsión: Aunque idealmente se busca generar señales perfectamente sinusoidales o cuadradas, en la práctica siempre hay cierto grado de distorsión debido a imperfecciones en los componentes y el diseño del circuito.

Oscilador de puente de Wien

Esta es la configuración básica para usar un op-amp como oscilador, en esta se busca que la ganancia sea poco mas de 3 y que tenga una fase de 0° para mantener la oscilación, para lograr esto se usa una doble retroalimentación una positiva como se había mencionado antes que era importante para generar la oscilación y la negativa para controlar la ganancia y muy importante la fase, lo que causa o evita la distorsión.

Oscilador de puente de Wien

Para sus cálculos se tiene que la resistencias Rb y Ra definen la ganancia como habíamos mencionado, al ser una ganancia como la de un amplificador inversor, se expresa como la división de Rb entre Ra más 1 será la ganancia. y al saber que necesitamos una ganancia poco mayor a 3 se genera que la relación de Rb y Ra tiene que ser aproximada a 2.

Al evaluar otro punto importante que es la frecuencia del oscilador se tiene que esta es la mostrada en la ecuación de abajo esto dado a que las resistencias Rt y los capacitores son los mismos.

Ganancia                                 Frecuencia 

Generador de funciones triangulares y cuadradas

Esquemático generador de funciones triangular y cuadrada

En este caso tenemos dos amplificadores uno que es un integrador y otro que es comparador, en el comparador lo que hace es la señal cuadrática y en el integrador hace la señal triangular.

Una forma de explicar de porque se debe pasar la señal cuadrática por un integrador para obtener una señal triangular es que ya que sus niveles picos son como si fueran voltajes DC, entonces al integrar un pulso este se obtiene una rampa por eso es que se obtiene una señal triangular. Para calcular este se usan las siguientes ecuaciones T periodo que es el inverso de la frecuencia y n la ganancia del comparador.

Ecuaciones para generador de función triangular y cuadrada

Video prueba oscilador

Filtros Activos

Los filtros activos con amplificadores operacionales son circuitos diseñados para modificar o filtrar señales eléctricas, eliminando o atenuando frecuencias no deseadas mientras permiten el paso de otras. A diferencia de los filtros pasivos, que utilizan solo resistencias, inductores y condensadores, los filtros activos incorporan amplificadores operacionales (op-amps) junto con componentes pasivos. Esta combinación permite una mayor flexibilidad y mejor rendimiento en la filtración de señales. Los filtros activos pueden ofrecer ganancia y evitar la carga de la fuente de señal, algo que los filtros pasivos no pueden hacer.

Existen varios tipos de filtros activos, como los filtros pasa bajos, pasa altos, pasa banda y atenua banda. Cada uno de ellos está diseñado para operar en una determinada banda de frecuencias, dependiendo de su configuración y de los componentes utilizados. Los op-amps en estos filtros permiten un mayor control sobre las características del filtro, como la frecuencia de corte, la ganancia y la selectividad (factor de calidad). Además, los filtros activos son capaces de proporcionar una respuesta en frecuencia más precisa y estable, con menores pérdidas de señal, lo que los hace ideales para aplicaciones en audio, telecomunicaciones, procesamiento de señales y sistemas de control.

Experimento en el Laboratorio

Para nuestra experimentación de filtros activos nos decidimos a llevar acabo el montaje de un filtro pasa banda de segundo orden, para esto investigamos distintos tipos de modelos que encajaran con esta característica y nos decidimos usar el modelo MFB (multiple feedback).

Un filtro pasa banda activo de segundo orden MFB como su nombre lo dice solo permite el paso de una banda de frecuencias y atenúa todas las demás. Esta compuesto por siete elementos, dos condensadores, cuatro resistencias y un amplificador operacional op-amp.

Filtro pasa banda MFB segundo orden

La entrada es por la resistencia R1 y la salida se toma en la salida del amplificador operacional. Se conoce como activo porque tiene un elemento activo que es el amplificador operacional, es de segundo orden porque contiene dos elementos reactivos (condensadores), y se llama MFB por la doble realimentación que presenta el circuito. Sus principales tres características son las siguientes:

• La salida es inversa respecto a la entrada.
• La ganancia puede ser mayor, igual o menor a uno.
• Permite trabajar con cualquier de factor de calidad Q (selectividad).

Donde:

• fo = Frecuencia central (Frecuencia donde la ganancia o amplitud es la mayor a la salida).
• Q = Factor de calidad (selectividad), que tan preciso es el filtro en eliminar o dejar pasar las frecuencias deseadas.
• BW = Ancho de banda.
• A = Ganancia. 

Para diseñar nuestro filtro pasa banda se tienen que tener en cuenta las anteriores ecuaciones de diseño con las cuales podremos definir una frecuencia central, un factor de calidad y el capacitor 1 y poder despejar los demás valores necesarios. 

Tras definir lo anterior se generaron los cálculos para un filtro de frecuencia central de 1kHz, con ganancia de 2 y un factor de calidad de 2. Y se ajustaron las resistencias y valores obtenidos a valores comerciales los cuales son los de la imagen.

Con los nuevos valores nuestro filtro presento el siguiente comportamiento en simulación, lo que evidencia que cambio aspectos como la frecuencia central que se desplazo a 1.2K, al igual que la ganancia que disminuyo a 1.6 y cambio el factor de calidad a 2.14.

Barrido en frecuencias del filtro

Después de esto se paso a verificar la implementación en física del filtro para verificar la diferencia entre la simulación y esta. Para esto se compraron los componentes comerciales, se armo el circuito ene una protoboard y se hizo la evaluación de este en el laboratorio con generador de ondas, osciloscopio y fuente.

Implementación física del Filtro

Video prueba de laboratorio filtro pasa banda MFB segundo orden

En el video anterior en el osciloscopio podemos ver dos ondas la amarilla que es la entrada y la azul que es la salida de nuestro filtro, la onda azul cambia su amplitud conforme se varia la frecuencia del generador lo que implica que el filtro si esta atenuando ciertas frecuencias, al momento de la frecuencia ser cercana a 1kHz la onda azul se va tornando más y más grande hasta alcanzar a ser mayor a la amarilla lo que indica que la frecuencia central esta rondando ese valor tal y como se veía en la simulación (esto se alcanza a notar en el segundo 28 del video se recomienda ver en cámara lenta y disculpen la calidad).

Por ultimo tienen un video recopilatorio donde recalca los puntos fundamentales sobre estos temas de Op-amps y extiende un poco algunos incisos.

Video Recopilatorio