Aplicación de los amplificadores operacionales: construcción y comprobación de un filtro pasa banda activo con TL072
1. Introducción
Los amplificadores operacionales permiten implementar una gran variedad de circuitos electrónicos, además de las conocidas configuraciones de amplificadores inversores y no inversores. Entre sus aplicaciones se encuentran los filtros activos, circuitos capaces de seleccionar determinadas frecuencias de una señal eléctrica y atenuar otras.
En esta práctica estudiaremos el funcionamiento de un filtro pasa banda activo, utilizando el amplificador operacional TL072 en lugar del tradicional 741.
El propósito es comprender cómo trabaja este tipo de filtro, reconocer la función de sus componentes y comprobar experimentalmente su respuesta en frecuencia mediante un generador de señales y un osciloscopio.
A diferencia de un filtro pasivo, que utiliza únicamente resistencias, capacitores e inductores, un filtro activo incorpora un amplificador operacional, permitiendo obtener amplificación de la señal dentro de la banda de frecuencias seleccionada.
2. ¿Qué es un filtro pasa banda?
Un filtro pasa banda es un circuito electrónico que permite el paso de las señales comprendidas dentro de un determinado intervalo de frecuencias, mientras atenúa aquellas que se encuentran por debajo o por encima de dicho intervalo.
Su funcionamiento puede comprenderse considerando tres regiones:
Frecuencias bajas: la señal es atenuada y no llega a la salida con toda su amplitud.
Frecuencias intermedias: la señal atraviesa la banda de paso y alcanza su mayor nivel de respuesta.
Frecuencias altas: la señal vuelve a experimentar atenuación.
La frecuencia correspondiente al máximo de respuesta se conoce como frecuencia central o frecuencia de resonancia del filtro.
Este comportamiento es especialmente útil en aplicaciones de audio, instrumentación electrónica, comunicaciones y sistemas de detección acústica, donde interesa seleccionar determinadas componentes de frecuencia de una señal.
Una característica importante de los filtros activos es que pueden proporcionar una ganancia superior a la unidad dentro de su banda de paso. Por tanto, además de seleccionar frecuencias, también pueden amplificar las señales que se encuentran dentro del intervalo deseado.
3. El amplificador operacional TL072
Para implementar el filtro se utilizará el TL072, un circuito integrado que contiene dos amplificadores operacionales independientes en un mismo encapsulado.
Este integrado utiliza transistores de entrada JFET, presenta una elevada impedancia de entrada y resulta apropiado para aplicaciones de acondicionamiento y procesamiento de señales analógicas.
Una diferencia importante respecto al tradicional 741 es que el TL072 ofrece mejores características de impedancia de entrada y una respuesta adecuada para aplicaciones de audio.
En esta práctica se utilizará uno de los dos amplificadores operacionales internos del integrado.
La distribución de terminales del TL072 es la siguiente:
| Pin | Función |
|---|
| 1 | Salida del amplificador A |
| 2 | Entrada inversora del amplificador A |
| 3 | Entrada no inversora del amplificador A |
| 4 | Alimentación negativa (-V) |
| 5 | Entrada no inversora del amplificador B |
| 6 | Entrada inversora del amplificador B |
| 7 | Salida del amplificador B |
| 8 | Alimentación positiva (+V) |
Para esta práctica se utilizará el amplificador A, dejando disponible el segundo amplificador para otras aplicaciones.
4. Componentes necesarios
Para construir el circuito se requieren los siguientes componentes:
| Componente | Valor |
|---|
| Amplificador operacional | TL072 |
| R1 | 1 kΩ |
| R2 | 10 kΩ |
| R3 | 4,7 kΩ |
| R4 | 10 kΩ |
| C1 | 10 nF |
| C2 | 100 nF |
| Fuente de alimentación | ±12 V |
| Protoboard | 1 |
| Cables de conexión | Varios |
Se recomienda disponer también de dos capacitores cerámicos de 100 nF para el desacoplamiento de las líneas de alimentación del circuito integrado.
5. Alimentación simétrica del circuito
Una característica importante del montaje es que el TL072 trabajará con una fuente de alimentación simétrica de +12 V y -12 V.
Una fuente simétrica proporciona tres conexiones:
La conexión al integrado se realiza de la siguiente manera:
Es importante comprender que GND constituye el punto de referencia común del circuito. No debe confundirse con la alimentación negativa.
Para obtener una fuente simétrica pueden utilizarse dos fuentes de alimentación de 12 V conectadas en serie, tomando el punto de unión como tierra, siempre que las fuentes estén aisladas y permitan esta conexión.
También puede utilizarse una fuente de laboratorio con salidas positiva, negativa y común.
Se recomienda colocar un capacitor de 100 nF entre +12 V y GND, y otro entre -12 V y GND, lo más cerca posible de los terminales de alimentación del TL072.
Estos capacitores ayudan a reducir perturbaciones y oscilaciones indeseadas en la alimentación.
6. Montaje del circuito en protoboard
Una vez identificados los componentes y las conexiones de alimentación, se procede al montaje físico del filtro.
El amplificador operacional debe colocarse atravesando la ranura central del protoboard, de manera que sus terminales queden distribuidos en filas independientes.
Las conexiones principales son las siguientes:
Conectar el pin 3 del TL072 a GND.
Conectar R1 entre la entrada Vin y el nodo de entrada del filtro.
Conectar R2 entre dicho nodo y GND.
Conectar C2 entre el nodo de entrada y el pin 2 del TL072.
Conectar R3 entre el pin 2 y la salida del amplificador.
Conectar C1 entre el nodo de entrada y la salida del amplificador.
Conectar R4 entre la salida y GND.
Conectar el pin 8 a +12 V y el pin 4 a -12 V.
La salida del circuito se obtiene en el pin 1 del TL072.
Es importante revisar cuidadosamente las conexiones antes de energizar el circuito, verificando especialmente que no existan cortocircuitos entre las líneas de alimentación.
También se debe comprobar la polaridad de la fuente simétrica y mantener una referencia de tierra común para todos los instrumentos de medición.
7. Comprobación experimental mediante un generador de señales
Una vez construido el circuito, se procederá a comprobar su funcionamiento utilizando un generador de señales y un osciloscopio.
El generador permitirá aplicar señales senoidales de diferentes frecuencias, mientras que el osciloscopio permitirá observar simultáneamente la señal de entrada y la señal de salida.
Para realizar correctamente la experiencia, es fundamental mantener constante la amplitud de la señal de entrada durante todas las mediciones.
De esta manera, cualquier variación observada en la amplitud de salida será consecuencia de la respuesta del filtro frente a las diferentes frecuencias aplicadas.
Procedimiento de medición
Conectar la salida del generador de señales a la entrada Vin del filtro.
Conectar la referencia de tierra del generador a GND del circuito.
Conectar el canal 1 del osciloscopio a la entrada del filtro.
Conectar el canal 2 del osciloscopio a la salida del TL072.
Configurar el generador para producir una señal senoidal.
Establecer una amplitud constante de 100 mV pico a pico y una componente continua de 0 V.
Comenzar con una frecuencia de 100 Hz.
Incrementar progresivamente la frecuencia, manteniendo siempre la misma amplitud de entrada.
Registrar la amplitud de salida para cada frecuencia.
Identificar la región donde se obtiene la mayor amplitud de salida.
Se recomienda utilizar una secuencia de frecuencias como la siguiente:
100 Hz, 300 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 1,5 kHz, 2 kHz, 2,4 kHz, 3 kHz, 5 kHz, 10 kHz y 20 kHz.
Si se observa que el máximo de respuesta se encuentra entre dos frecuencias consecutivas, se pueden realizar mediciones adicionales para identificarlo con mayor precisión.
Importante: la amplitud de entrada debe verificarse con el osciloscopio, no solamente confiar en el valor configurado en el generador. Además, ambos instrumentos deben compartir GND y sus conexiones de tierra no deben conectarse a los rieles de ±12 V.
8. Evaluación de la ganancia del filtro
Para determinar la eficacia del filtrado activo es necesario comparar las amplitudes de entrada y salida.
En cada frecuencia se debe medir la amplitud pico a pico de ambas señales.
La ganancia de tensión se obtiene dividiendo la amplitud de salida entre la amplitud de entrada.
Por ejemplo, si se aplica una señal de 100 mV pico a pico y se obtiene una señal de salida de 400 mV pico a pico, la ganancia será de cuatro veces.
La ganancia también puede expresarse en decibelios.
Para ello se utiliza la siguiente relación:
Ganancia en dB = 20 × log10 (Vsalida / Ventrada)
Cuando la ganancia es superior a 0 dB, el circuito amplifica la señal. Cuando es inferior a 0 dB, la señal experimenta atenuación.
Esta comparación permitirá identificar claramente las frecuencias que son amplificadas y aquellas que son atenuadas por el filtro.
9. Tabla para registrar los resultados experimentales
Durante la práctica se recomienda completar una tabla como la siguiente:
| Frecuencia | Entrada (mVpp) | Salida (mVpp) | Ganancia (veces) | Ganancia (dB) |
|---|
| 100 Hz | 100 | | | |
| 300 Hz | 100 | | | |
| 500 Hz | 100 | | | |
| 1 kHz | 100 | | | |
| 1,5 kHz | 100 | | | |
| 2 kHz | 100 | | | |
| 2,4 kHz | 100 | | | |
| 3 kHz | 100 | | | |
| 5 kHz | 100 | | | |
| 10 kHz | 100 | | | |
| 20 kHz | 100 | | | |
Con los datos obtenidos se podrá construir una gráfica de ganancia en función de la frecuencia, lo que permitirá visualizar el comportamiento característico del filtro pasa banda.
10. Interpretación de los resultados
Al analizar las mediciones se espera observar que la amplitud de salida no permanece constante cuando se modifica la frecuencia de entrada.
En las frecuencias bajas, la señal de salida tendrá una amplitud reducida. A medida que se incremente la frecuencia, la amplitud de salida aumentará hasta alcanzar una región de máxima respuesta.
Posteriormente, al continuar incrementando la frecuencia, la amplitud de salida comenzará a disminuir.
Este comportamiento permite comprobar experimentalmente la acción selectiva del filtro pasa banda.
También debe observarse que, dentro de la banda de paso, la amplitud de salida puede ser superior a la amplitud de entrada, demostrando la capacidad de amplificación del circuito activo.
Es importante no confundir la frecuencia de máxima ganancia con los límites de la banda de paso. Estos últimos pueden determinarse identificando las frecuencias en las que la ganancia disminuye aproximadamente 3 dB respecto de su valor máximo.
11. Conclusiones
Los filtros pasa banda constituyen una aplicación importante de los amplificadores operacionales, ya que permiten seleccionar determinadas regiones del espectro de una señal y, simultáneamente, proporcionar amplificación.
La utilización del TL072 permite implementar este tipo de circuitos con una elevada impedancia de entrada y características apropiadas para el procesamiento de señales analógicas.
Mediante el montaje en protoboard y las mediciones realizadas con generador de señales y osciloscopio, es posible comprobar directamente el comportamiento del filtro y comprender la influencia de la frecuencia sobre la ganancia del circuito.
Esta experiencia permite relacionar los conceptos teóricos de los filtros activos con su comportamiento real, desarrollando habilidades de montaje, instrumentación y análisis de circuitos electrónicos.
12. Actividades propuestas
¿Cuál es la diferencia entre un filtro pasivo y un filtro activo?
¿Qué función cumple el amplificador operacional dentro del filtro pasa banda?
¿Por qué se utiliza una fuente de alimentación simétrica para el TL072?
¿Qué sucede con la amplitud de salida cuando se aplican frecuencias muy inferiores a la frecuencia central?
¿Qué sucede cuando se aplican frecuencias muy superiores a la frecuencia central?
¿Cómo se determina experimentalmente la frecuencia de máxima ganancia?
¿Por qué es importante mantener constante la amplitud de entrada durante las mediciones?
¿Qué ventajas presenta el TL072 frente al amplificador operacional 741 para esta aplicación?
¿Cómo se determina la ganancia del filtro en decibelios?
¿Qué aplicaciones prácticas pueden tener los filtros pasa banda en sistemas de audio y procesamiento de señales?
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