Amplificadores de tensión con el µA741: cuatro prácticas de laboratorio
Introducción
El amplificador operacional µA741 es un circuito integrado clásico que permite estudiar de forma práctica la amplificación y el procesamiento de señales analógicas.
En esta práctica construiremos cuatro configuraciones fundamentales: amplificador inversor, sumador, no inversor y diferencial. En cada una analizaremos cómo se conectan los componentes, qué valores debemos utilizar y qué resultados podemos esperar al observar las señales en el osciloscopio.
Los circuitos pueden montarse en protoboard o simularse en Proteus antes de realizar el montaje físico.
1. Materiales necesarios
1 amplificador operacional µA741.
Resistencias de 1 kΩ, 10 kΩ y 100 kΩ.
Protoboard y cables de conexión.
Fuente de alimentación simétrica de ±12 V o ±15 V.
Generador de funciones.
Osciloscopio de dos canales.
Multímetro digital.
Para la práctica del amplificador sumador con audio, también podemos utilizar un micrófono con preamplificador y un auricular telefónico.
Importante: el µA741 necesita una alimentación apropiada y no es un amplificador de potencia. Su salida no alcanza normalmente los voltajes de alimentación y no debe conectarse directamente a un altavoz convencional esperando obtener un volumen elevado.
2. Práctica A: amplificador inversor básico
Objetivo
Comprobar cómo un amplificador operacional puede aumentar la amplitud de una señal e invertir su fase.
Componentes
1 µA741.
R1 = 10 kΩ.
RF = 10 kΩ.
Generador de funciones.
Montaje del circuito
Conectamos R1 entre la señal de entrada y el pin 2 del µA741 (entrada inversora). Después conectamos RF entre el pin 6 (salida) y el pin 2.
El pin 3 (entrada no inversora) se conecta a tierra de señal. Para alimentar el integrado, conectamos el pin 7 a +12 V y el pin 4 a −12 V.
Procedimiento
Configure el generador de funciones para obtener una señal senoidal de 100 Hz y 1 Vpp.
Conecte el canal 1 del osciloscopio a la entrada y el canal 2 a la salida.
Mida las amplitudes de ambas señales y observe su diferencia de fase.
Sustituya RF por una resistencia de 100 kΩ y repita la medición.
Aumente progresivamente la amplitud de entrada hasta que la salida comience a recortarse.
Reduzca la amplitud y aumente la frecuencia para estudiar la respuesta del amplificador.
Fundamento teórico
La ganancia de tensión se calcula mediante:
Av = −RF / R1
Con R1 = 10 kΩ y RF = 10 kΩ:
Av = −10 kΩ / 10 kΩ = −1
Por tanto, si aplicamos una señal de entrada de 1 Vpp, esperamos obtener aproximadamente 1 Vpp a la salida, pero invertida 180° respecto a la entrada.
Ahora sustituimos RF por 100 kΩ:
Av = −100 kΩ / 10 kΩ = −10
Idealmente, una entrada de 1 Vpp produciría una salida de 10 Vpp. El resultado real dependerá de la alimentación, el margen de salida y las limitaciones del amplificador.
3. Práctica B: amplificador sumador
Objetivo
Comprobar que podemos combinar dos señales eléctricas en una única salida.
Componentes
Montaje del circuito
Conectamos R1 entre la primera señal, V1, y el pin 2 del µA741. Conectamos R2 entre la segunda señal, V2, y ese mismo pin. La resistencia RF se conecta entre la salida (pin 6) y la entrada inversora (pin 2).
El pin 3 se conecta a tierra de señal.
Fundamento teórico
La salida del amplificador sumador se calcula mediante:
Vout = −[(RF/R1) × V1 + (RF/R2) × V2]
Si las tres resistencias tienen el mismo valor:
Vout = −(V1 + V2)
Esto significa que las señales se suman y el resultado se invierte.
Por ejemplo, si V1 y V2 son señales continuas de +0,5 V y +1 V, respectivamente, la salida ideal será −1,5 V.
Con señales alternas, la salida será la suma invertida de las señales instantáneas. Si tienen frecuencias diferentes, ambas componentes estarán presentes en la salida.
Procedimiento
Aplique una señal senoidal de 440 Hz a V1.
Aplique una segunda señal de distinta frecuencia a V2.
Observe las entradas y la salida en el osciloscopio.
Modifique la amplitud de una de las entradas y observe cómo cambia la señal resultante.
Si dispone de un micrófono preamplificado y un auricular telefónico, pruebe combinar una señal musical con la señal captada por el micrófono.
Si utiliza un micrófono, primero mida la amplitud de su señal. El valor de R2 deberá seleccionarse según la ganancia necesaria para obtener el nivel de salida deseado.
Para una señal de micrófono conectada a V2, la ganancia correspondiente es:
Av2 = −RF / R2
Por ejemplo, si la señal del micrófono es de 100 mVpp y se desea obtener aproximadamente 1 Vpp debido únicamente a esa entrada, la ganancia necesaria en magnitud es 10. Con RF = 100 kΩ, el valor teórico de R2 sería 10 kΩ.
Resultado esperado: una salida que representa la suma ponderada e invertida de las señales de entrada.
4. Práctica C: amplificador no inversor
Objetivo
Construir un amplificador cuya salida conserve la fase de la señal de entrada.
Componentes
1 µA741.
R1 = 1 kΩ.
R2 = 1 kΩ.
Generador de funciones.
Montaje del circuito
Conectamos la señal de entrada al pin 3 (entrada no inversora).
Conectamos R1 entre el pin 2 (entrada inversora) y tierra. Después conectamos R2 entre el pin 6 (salida) y el pin 2.
Fundamento teórico
La ganancia del amplificador no inversor se calcula mediante:
Av = 1 + (R2 / R1)
Si R1 = 1 kΩ y R2 = 1 kΩ:
Av = 1 + (1 kΩ / 1 kΩ) = 2
Esto significa que la señal de salida tendrá el doble de amplitud que la señal de entrada, conservando su fase.
Procedimiento
Configure el generador para producir una señal senoidal de 1 kHz y 1 Vpp.
Conecte el canal 1 del osciloscopio a la entrada y el canal 2 a la salida.
Mida las amplitudes y calcule la ganancia real.
Compare la fase de ambas señales.
Resultado esperado
Para una entrada de 1 Vpp, esperamos una salida cercana a 2 Vpp, siempre que el amplificador trabaje dentro de sus límites.
A diferencia del amplificador inversor, la señal de salida no cambia de fase. Además, esta configuración presenta una impedancia de entrada elevada, por lo que carga poco a la fuente de señal.
5. Práctica D: amplificador diferencial
Objetivo
Comprobar que un amplificador operacional puede amplificar la diferencia entre dos señales.
Componentes
Montaje del circuito
Construya el amplificador diferencial utilizando cuatro resistencias. En la configuración convencional, una señal se aplica a la rama inversora y la otra a la rama no inversora.
Para evitar errores, compruebe el esquema antes de realizar las conexiones: una pareja de resistencias forma la rama inversora y la otra forma el divisor de tensión de la entrada no inversora.
Fundamento teórico
Cuando las relaciones entre las resistencias están equilibradas, la salida se calcula mediante:
Vout = (R2 / R1) × (V2 − V1)
Si las cuatro resistencias tienen el mismo valor:
Vout = V2 − V1
Por ejemplo, si V2 = 2 V y V1 = 0,5 V:
Vout = 2 V − 0,5 V = 1,5 V
Si V2 = 0,5 V y V1 = 2 V:
Vout = 0,5 V − 2 V = −1,5 V
Estos resultados son ideales y presuponen que la salida permanece dentro del margen de funcionamiento del amplificador.
Procedimiento
Aplique una señal senoidal a V1.
Aplique una tensión continua conocida a V2, por ejemplo, 1 V.
Observe la salida y compare su valor con la diferencia entre las dos entradas.
Modifique la tensión continua y observe cómo cambia el nivel de salida.
Intercambie las señales de entrada y compruebe el cambio de polaridad esperado.
Resultado esperado
La salida representa la diferencia entre V2 y V1. Cuando ambas entradas tienen el mismo valor, la salida ideal es cero.
En la práctica puede existir una pequeña tensión residual debido a las tolerancias de las resistencias y a la tensión de offset del amplificador operacional.
6. Preguntas para el informe de laboratorio
¿Por qué el amplificador inversor cambia la fase de la señal?
¿Qué ocurre con la ganancia al aumentar RF?
¿Por qué la salida no puede aumentar indefinidamente aunque se incremente la señal de entrada?
¿Qué diferencia existe entre un amplificador inversor y uno no inversor?
¿Cómo afecta la variación de una señal de entrada al amplificador sumador?
¿Qué ocurre en el amplificador diferencial cuando las dos entradas tienen el mismo valor?
¿Qué diferencias se observan entre los resultados teóricos y los obtenidos en Proteus o en el laboratorio?
Conclusión
Con estas cuatro prácticas hemos estudiado algunas de las configuraciones más importantes del amplificador operacional: inversor, sumador, no inversor y diferencial.
La comparación entre los cálculos teóricos, la simulación y las mediciones reales permite comprender que el µA741 no es un dispositivo ideal. Su ancho de banda, velocidad de respuesta, tensión de offset y margen de salida condicionan los resultados que se obtienen en el laboratorio.
Estas experiencias constituyen una base para continuar con otras aplicaciones, como integradores, diferenciadores, filtros activos, comparadores y osciladores.
Recomendación: antes de montar cada circuito, simúlelo en Proteus y compare la forma de onda obtenida con los resultados teóricos. Esto permitirá identificar errores de conexión y comprender mejor el funcionamiento del amplificador operacional.
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