PRACTICA 8. ANALISIS DE SISTEMAS

ELECTRONICOS: DISENO Y CARACTERIZACION

DE AMPLIFICADORES DE AUDIO Y

GENERADORES DE FUNCION

1 Objetivo.

En esta practica se van a repasar los conceptos basicos de los amplifi-cadores y se caracterizara el comportamiento de un amplificador de au-dio estereo basado en el LM3886 de National Semiconductor. Ademas,se va a disenar y evaluar un generador de ondas analogico.

2 Introduccion.

2.1 Amplificadores

En casi cualquier dispositivo electronico es necesaria la presencia desistemas de amplificacion y/o acondicionamiento de senal. Si hablamos,ademas, de sistemas de audio, es imprescindible una etapa de poten-cia que permita elevar la potencia de la senal procedente de cualquierfuente de sonido indirecto (cabeza magnetica, aguja de giradisco, sin-tonizador de radio, etc.) a unos niveles adecuados a nuestras necesi-dades.El amplificador de potencia es, por tanto, un dispositivo electronico quetiene por mision elevar el nivel de potencia de la senal aplicada a suentrada. A la senal de salida, se le exigira que sea lo mas parecida a lade la entrada, en cuanto a forma y frecuencia.A la hora de disenar un dispositivo de este tipo debemos tener en cuentauna serie de parametros y conseguir que estos se ajusten a las ca-racterısticas que deseamos tenga la etapa de potencia. Estas carac-terısticas son inherentes al sistema donde va a ir colocado el equipoamplificador (impedancia de entrada, sensibilidad, impedancia de sa-

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lida, etc.). Otro punto importante en el diseno se relaciona con lascaracterısticas mas importantes que definen a un amplificador y quevienen en las especificaciones tecnicas que determina el fabricante delamplificador.

2.1.1 Clasificacion de amplificadores

En este apartado se describen los tipos de amplificadores basicos, no elconjunto de partes que constituyen un amplificador de potencia. Haycuatro tipos de amplificadores, denominados clase A, clase B clase ABy clase C.

1. Amplificador clase A.

En este tipo de amplificador se trabaja sobre la porcion lineal dela caracterıstica de transferencia del componente activo que seesta utilizando (transistor bipolar, FET, MOS, etc.). Debido a que,generalmente, este fragmento de la curva de transferencia es muychico, solo podemos trabajar con variaciones muy pequenas de lassenales de entrada. O sea, la senal de entrada no puede alcanzarlos niveles de saturacion o corte de lo contrario, se distorsionarıala salida del amplificador. En este tipo de amplificadores apareceuna distorsion armonica mınima comparado con los otros tipos.Sin embargo, su rendimiento (tambien llamado eficiencia) es muybajo y depende del tipo polarizacion y de la amplitud de la senalde entrada. El rendimiento suele estar comprendido entre el 10 y15%. En la figura 13 se muestra el funcionamiento de este tipo deamplificadores (la senal de entrada es amplificada –tanto los va-lores positivos como negativos de ella– con un unico transistor).Este tipo de amplificador encuentra un extensivo uso como am-plificador de tension para pequena senal y, aunque menos comun,como etapa de potencia en algunos aparatos.

2. Amplificador clase B.

Los amplificadores clase B son aquellos que trabajan cerca de laregion de corte. Logicamente, cuando se dice “trabajar”, se hacereferencia al componente activo (transistor). La caracterısticamas notoria de este tipo de amplificadores es su elevado rendimien-to (entre el 60 y 70%) pero tiene en su contra una distorsion

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Figura 1: Amplificador de clase A.

armonica elevada. Sin embargo, la distorsion para senales deradiofrecuencia (RF) es bastante aceptable. En la figura 14 semuestra el funcionamiento de este tipo de amplificadores. Estosamplificadores solo amplifican un semiciclo de la onda. Utilizadoscomo amplificadores de audio requieren del empleo de dos ele-mentos activos (uno para los semiciclos positivos de la onda deentrada y otro para los negativos). Con esto, se evita la distorsioncuando se trabaja con senales de gran amplitud (si solo se tuvieseun transistor, se recortarıa practicamente toda la zona de senalinversa). Ası pues, se hace preciso tratar cada semiciclo por sepa-rado.

Figura 2: Amplificador clase B.

3. Amplificador clase AB.

Cuando se necesita una senal de salida mucho mas grande que laque nos proporciona el amplificador de clase A, se recurre al am-plificador clase AB. En este, circula, continuamente, una pequenacorriente de polarizacion (aunque no haya excitacion a su entrada)evitandose, con ello, la distorsion de cruce. Este tipo de amplifi-cador es el mas usado en sistemas de audio. Aunque, a veces,

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la distorsion pueda jugarnos una mala pasada sin embargo, com-pensa por su buen rendimiento y por la elevada potencia que sepuede obtener a la salida de este tipo de amplificadores. En lafigura 15 se muestra el funcionamiento de este tipo de amplifi-cadores. Estos amplificadores amplifican un semiciclo completode la onda y una pequena parte del otro (el dispositivo se encuen-tra debilmente polarizado).

Figura 3: Amplificador clase AB.

4. Amplificador clase C.

De este tipo de amplificador solo diremos que tiene aplicacionen radiofrecuencia (RF) y que puede ser utilizado como detectorde envolvente. En audio no tiene aplicacion aunque si es muyutilizado en radiofrecuencia. En la figura 16 se muestra el fun-cionamiento de este tipo de amplificadores.

Figura 4: Amplificador clase C.

2.1.2 Amplificador de potencia

Un amplificador de potencia consta, generalmente, de tres secciones:una etapa de entrada, otra etapa excitadora o intermedia y, por ultimo,una etapa de salida (conocida como etapa de potencia). En la figura 5se muestra el diagrama de bloques de estos amplificadores. El sistema

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ofrece, ademas, una realimentacion de la salida a la entrada (parte dela senal de salida es llevada a la entrada). Esto se hace para mejorar laestabilidad del sistema, aumentar su ganancia, corregir la impedanciade entrada y salida, etc.

Figura 5: Diagrama de bloques de un amplificador de potencia.

Generalmente, un amplificador de potencia de tipo comercial viene equi-pado con preamplificador (o selector de entradas). Este dispositivoelectronico controla el tono, volumen, ecualizador (si lo lleva), etc. Seestudiara, exclusivamente, el amplificador de potencia como tal.

1. Etapa de entrada.

La mision de esta etapa amplificadora es garantizar una buenaestabilidad del amplificador de audio frente a cualquier variacionde la tension de alimentacion, con lo que se hace innecesario queesta sea estabilizada (se consigue, con ello, una disminucion delcoste del amplificador de potencia). Ademas, se obtiene una com-pleta independencia entre el circuito de realimentacion y la en-trada del modulo evitando cualquier tipo de influencias sobre launidad anterior de tonos (previo). Estas etapas suelen estar mon-tadas como amplificadores diferenciales cuando llevan alimenta-cion simetrica (+Vcc, 0, �Vcc) y, cuando la alimentacion es unica(+Vcc, 0), suelen incorporar un transistor como amplificador declase A.

La etapa de entrada, normalmente, se implementa mediante unamplificador diferencial cuya mision es, en general, la de ampli-ficar la diferencia entre dos senales. La estructura basica de unamplificador diferencial se muestra en la figura 6. Esta etapa

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Figura 6: Etapa de entrada de un amplificador de potencia. (a) Am-plificador diferencial basico. (b) Amplificador diferencial con sus com-ponentes electronicos (los transistores T1 y T2 deben de ser lo masparecido posible).

suele formar parte de un amplificador operacional integrado conentrada diferencial.

En un amplificador diferencial ideal, la senal de salida vendradada por la ecuacion (1).

Vs = Gd � (V1 � V2) = Gd � Vd (1)

Donde Gd es la ganancia del amplificador diferencial y V1 y V2 lastensiones de entrada al amplificador. Ası, cualquier senal comuna ambas entradas sera eliminada de la salida cuando esta se midaentre uno de los colectores y tierra y el circuito sea simetrico.

En la practica, no suele cumplirse estrictamente lo dicho ante-riormente porque, en general, la salida no solo dependera de lasenal diferencia (Vd) de las dos senales de entrada sino, tambien,del valor medio de ellas (Vc = 0:5 � (V1 + V2)) denominado senal demodo comun.

Para evaluar, de forma matematica, el nivel de senal en modocomun que entrega, a la salida, un amplificador diferencial se de-fine el factor conocido como relacion de rechazo del modo comun.

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La salida del amplificador diferencial (figura 6(a)) se puede expre-sar como combinacion lineal de las dos tensiones de entrada, V1 yV2 respectivamente, teniendo entonces que Vs = G1 � V1 +G2 � V2 =

Gd �Vd+Gc �Vc, donde G1 y G2 son las ganancias de amplificacion ala salida de las entradas V1 y V2, respectivamente, y Gc = G1+G2 yGd = 0:5�(G1+G2) son las ganancias de amplificacion de la tensionen modo diferencial, Vd, y en modo comun, Vc, a la entrada del am-plificador.

Naturalmente, se desea tener un valor grande de Gd y nulo, en elcaso ideal, de Gc. Esto ultimo no se cumple en los amplificadoresreales. Por ello, se define un factor que permita cuantificar laproporcion de senal en modo comun, la relacion de rechazo delmodo comun (CMRR) que se expresa como sigue:

CMRR = 10 � log(Gd=Gc)(dB) (2)

Cuanto mayor sea CMRR, menos se amplifica el modo comun. Elvalor de la resistencia RE (figura 6) ha de ser grande. Su misiones que por ella circule una corriente lo mas constante posible.

2. Etapa intermedia.

Esta etapa consta, habitualmente, de un transistor trabajandocomo amplificador de tension en clase A. Generalmente, el acopla-miento es directo con lo que se consigue, al mismo tiempo, su po-larizacion en continua. Su mision es la de excitar la etapa depotencia o salida.

En la etapa de salida, en amplificadores de media y alta poten-cia, se usan transistores Darlington o dispositivos electronicosque posean una ganancia en corriente muy elevada pero con unaamplificacion de tension muy baja. De ahı que en la etapa inter-media se realice una amplificacion de la tension antes de pasar lasenal a la etapa de salida.

3. Etapa de salida.

Esta parte del amplificador es la responsable de entregar potenciaa la carga (altavoz) conectada a su salida. Existen varias formasde configurar esta etapa, atendiendo a la cantidad de potencia que

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se tiene que suministrar, al factor distorsion y ancho de bandadeseados, etc. Ası pues, cuando vayamos a disenar esta etapa depotencia se tendran en cuenta todos estos factores, o aquellos quese consideren mas importantes y, atendiendo a estos factores, seutilizara una configuracion u otra.

2.1.3 Caracterizacion de los amplificadores de audio

Veamos las caracterısticas mas importantes de un amplificador de po-tencia. Estas caracterısticas forman parte de las especificaciones tec-nicas que nos dan los fabricantes de amplificadores. Veamos como seinterpretan estos terminos.Las caracterısticas mas importantes que suelen ofrecer los fabricantesde amplificadores de audio son las siguientes:

� Potencia de salida: Power output.

– Potencia eficaz (continua): Continuous power.

– Potencia musical (dinamica): Music power.

� Respuesta en frecuencia: Frequency response.

� Relacion potencia–ancho de banda: Power bandwidth.

� Sensibilidad de entrada: Input level.

� Relacion senal/ruido: Signal–to–noise ratio.

� Distorsion armonica total: Harmonic distortion.

� Distorsion de intermodulacion: Intermodulation distortion.

� Factor de amortiguamiento: Damping factor.

� Impedancia de entrada: Input impedance.

� Ruido residual: Residual noise.

Podemos decir que estas medidas son las que habitualmente nos pro-porcionan los fabricantes. Esto no significa que no existan otras es-pecificaciones. Si aparecen otras especificaciones, estas derivan de lasexpuestas y sirven para facilitar la comprension del amplificador.

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1. Potencia de salida.

Hace referencia a la maxima potencia que entregara el amplifi-cador a la carga (altavoces). Sin embargo, hay que diferenciarentre dos tipos de potencia de salida que suele dar el fabricanteen sus especificaciones tecnicas. Estas son la potencia continuao eficaz y la potencia musical o dinamica. Veamos cada una deellas.

(a) Potencia continua o eficaz. Es la maxima potencia que real-mente tendremos a la salida del amplificador. Tambien suelellamarse senoidal, RMS o nominal. Esta potencia maxima secumple para una distorsion armonica menor del 1%. Vienedada en vatios. Para el caso de un amplificador monofonico(un unico canal), por ejemplo serıa 40w mientras que parauno estereofonico (dos canales) vendrıa dada como 40w+40w.Logicamente, esta potencia se fija para una determinada car-ga (4, 8 o 16 ). Generalmente, se indica el valor de la cargapara la que se determina el maximo valor de potencia con-tinua o eficaz.

(b) Potencia musical o dinamica. La potencia musical expresa lacapacidad de respuesta del equipo ante determinados picosde potencia de alto nivel y corta duracion. Un buen ampli-ficador no debe presentar un gran desnivel entre potenciaeficaz y musical.

Estos valores, indicados por el fabricante, se miden mediante unproceso que cumpla alguna norma preestablecida. Segun la normaDIN, las medidas de potencia se deben realizar con una senal deentrada pura senoidal y a una frecuencia de 1KHz.

2. Respuesta de frecuencia.

La norma IHF indica que debe especificarse el ancho de bandaen el que trabaja el equipo, senalando los dos extremos (valoresmaximo y mınimo) del mismo. Para ello se debe considerar que, entoda la banda pasante, existe una respuesta en potencia que varıaen un maximo de +1:5dB con respecto a la potencia nominal. Sedebe especificar, tambien, la impedancia de carga.

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Figura 7: Representacion de la tension de pico maxima y de la tensioneficaz.

La norma DIN, por su lado, especifica una disminucion maximade 3dB en la potencia de salida medida a las frecuencias extremasde la banda. Incluye, tambien, un espectro de frecuencias, com-prendido entre 40Hz y 12:5KHz, que considera como ancho debanda mınimo admisible. Extiende todo el estudio desde la po-tencia nominal de salida hasta un valor de 20dB por debajo de lamisma (un 1% de la potencia nominal).

3. Relacion potencia–ancho de banda.

La relacion potencia–ancho de banda es el rango de frecuenciasen el que el amplificador entrega, por lo menos, la mitad de supotencia, sin exceder el lımite de distorsion armonica (el 1%). Porejemplo, si en las especificaciones de un amplificador, la potenciaeficaz es de 20w (o 20w + 20w) con el 1% de distorsion armonicaentonces, la relacion potencia–ancho de banda en el margen de20Hz a 30KHz quiere decir que el amplificador entregara 10w en-tre 20Hz y 30KHz con una distorsion no superior al 1%.

4. Sensibilidad de entrada.

Es el mınimo nivel de entrada que hay que darle al amplificadorpara que entregue la maxima potencia sobre la carga. Este nivel

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Figura 8: Respuesta de la potencia en funcion de la frecuencia. Elancho de banda se determina para una caıda de 3dB a partir de lapotencia nominal maxima.

Figura 9: Relacion potencia–ancho de banda.

suele girar entre los 0:1 y 1V y debe aproximarse al nivel de salidadel preamplificador (etapa anterior a la de potencia). Logicamente,esto solo es valido si se dispone de previo y etapa de potencia se-parados.

5. Relacion senal–ruido.

Es la relacion entre los valores eficaces de la senal y el ruido queaparecen a la salida del amplificador, al maximo volumen y conlos controles de tonos en la posicion media.

Segun la norma IHF, se mide para una potencia de salida de 1w

eficaz, poniendo entre los dos terminales de entrada una resisten-cia de 1K. La medida se debe especificar en dB. Para realizar la

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medida se emplea un filtro que promedie el ruido y que tenga encuenta algunas frecuencias a las que el ruido resulta mas molestoal oıdo que otras. Este filtro se conoce como A.

La norma DIN admite una cifra mınima de 50dB referida a unasenal de 1KHz y para una potencia nominal de 0:05w por canal.

La relacion senal/ruido suele darse, en las especificaciones delequipo, para cada entrada. Por ejemplo, PHONO 65dB, AUX70dB.

6. Distorsion armonica total.

Distorsion armonica es la suma de todas las senales a la salidaque son multiplos de las componentes de entrada. Suele venirexpresada en tanto por cien o sobre el total presente a la salidadel amplificador.

Segun la norma IHF, este factor se debe medir, a la potencia no-minal, en toda la banda definida por la respuesta en frecuenciadel equipo. En la norma DIN se permite hasta un maximo del 1%para todas las potencias de salida comprendidas entre la nominaly otra inferior en 20dB a esta (todo ello medido dentro de la bandadefinida en la respuesta en frecuencia).

Figura 10: Analisis de la distorsion armonica total.

7. Distorsion de intermodulacion.

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Aparece cuando dos senales, de diferentes frecuencias, se sumanen un circuito no lineal, y se aplica el resultado a la entrada delamplificador de audio. La onda resultado genera una onda condos tonos fundamentales (la frecuencia suma y la frecuencia dife-rencia de las senales originales). Esta composicion aparece, a lasalida, como sonidos disonantes de frecuencia elevada o baja, in-terfiriendo con el sonido original y, en muchos casos, dando lugara ruido.

La norma IHF recomienda que se mida empleando dos senales de60Hz y 7KHz, respectivamente, con una relacion de amplitudesde 4 a 1 para una potencia de salida igual a la nominal y unaimpedancia de carga especificada.

Segun la norma DIN, se admite una distorsion maxima del 3%para unas senales senoidales de prueba de 250Hz y 8KHz y lamisma relacion de amplitudes que en el caso anterior (4 a 1).

Figura 11: Analisis de la distorsion de intermodulacin.

8. Factor de amortiguamiento.

Es un parametro que expresa la capacidad del amplificador paraamortiguar las vibraciones remanentes que se producen en el al-tavoz, despues de haber aplicado la senal electrica (esto generaun sonido residual que se mezcla con el que produce la siguiente

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senal electrica aplicada, produciendose efectos no deseables). Seexpresa como el cociente entre la impedancia de carga y la internadel amplificador. Cuanto mayor sea el cociente, mejor factor deamortiguamiento presenta el amplificador. La norma DIN senala,como mınimo, un valor de 3 dentro del margen comprendido entre40Hz y 12:5KHz.

Figura 12: Efecto del factor de amortiguamiento sobre la senal de sa-lida.

9. Impedancia de entrada.

La norma IHS indica que debera definirse la resistencia y la ca-pacidad paralela asociadas a cada entrada. La norma DIN especi-fica lo mismo pero a una frecuencia de 1KHz y establece un valormınimo, para las entradas lineales (magnetofono, sintonizador,auxiliar), de 470K y para las no lineales, o cuando se requiereecualizacion (fonochasis), de 47K.

10. Ruido residual.

Este termino expresa la cantidad de ruido generado, constante-mente, por el amplificador independientemente de donde se en-cuentren los mandos de control (volumen, tonos, etc.). Un buenamplificador, que se considere HI–FI (de alta fidelidad), no debede exceder su ruido residual de 5mV o 3�w.

2.2 Generadores de ondas

Uno de los equipos imprescindibles en un laboratorio de instrumenta-cion para analizar el comportamiento de circuitos, tanto analogicos

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como digitales, es el generador de ondas.Las caracterısticas que debe cumplir un generador de ondas estan de-terminadas por una serie de condicionantes que limitan, en gran me-dida, su modo de funcionamiento. Debido a la gran cantidad de posiblesaplicaciones en las que resulta interesante el uso de estos equipos,estosdeben ser muy versatiles, con varias formas de onda y amplitud varia-ble a la salida. Ademas, la frecuencia y amplitud de salida deben serlo mas estable posible, especialmente en lo referente a la temperaturaque alcance el equipo.Las ondas de salida tıpicas que ofrece un generador de funciones son:

� Senoidad. Imprescindible, por ejemplo, en el analisis del anchode banda de amplificadores y para verificar el comportamiento defiltros. Para ello, la salida que genere el instrumento debe teneruna baja distorsion en todo el rango de funcionamiento del equipo.

� Cuadrada. Interesante para el analisis de circuitos digitales opara determinar los tiempos de subida y bajada de un determi-nado sistema. En estos casos, puede resultar util disponer de ungenerador de onda cuadrada en el que se pueda variar el dutycycle o la simetrıa entre los pulsos de encendido y apagado de laonda.

� Triangular. Util para generar senales linealmente variables conel tiempo.

El rango de funcionamiento del generador no suele superar los pocosMHz. Un rango mas elevado implicarıa un coste excesivo del equipo(aparecen, entonces, los denominados generadores de RF).El generador de ondas puede considerarse como un sistema formadopor tres bloques independientes:

1. Fuente de alimentacion. Consta de un transformador reductor(que a partir de los 220v de la red extrae una tension menor ymas facilmente manejable en el secundario), un rectificador (queconvierte la tension AC en DC–pulsante), un filtro paso bajo (quelimita la componente de AC que llega a la entrada del siguienteelemento) y un regulador serie (elemento que fija una tension DCa su salida, independientemente de las variaciones de la tensiona su entrada y de la carga que suministra el circuito).

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2. Oscilador. Circuito capaz de mantener una senal periodica a lasalida mediante la conversion de potencia continua en alterna de-bido al empleo de un amplificador de alta ganancia cuya salida esrealimentada a la entrada. Cuando se realimenta la entrada deun amplificador con una parte (�) de la salida, se consigue unanueva ganancia entre la salida y entrada del circuito (Anew) quese relaciona con la ganancia antigua (en bucle abierto, A) por laexpresion: Anew = A

1�A��.

Si (1� A � �) = 0, la ganancia del sistema realimentado es infinita(comportamiento oscilante con saturacion). El oscilador es un sis-tema realimentado con ganancia infinita que tiene que cumplirlas condiciones conocidas como criterios de oscilacion de Barkhau-sen (es necesaria la existencia de una perturbacion inicial a la en-trada, que dara lugar a una oscilacion –que se mantiene indefini-damente– de una amplitud que depende de la de la perturbacion,siendo la frecuencia de la senal la que hace que el modulo de laexpresion (1� A � �) sea cero y el desfase 0o o 360o). Este fun-cionamiento se denomina oscilador ideal y, en la practica, no esposible. En la practica, en el oscilador real, la frecuencia de os-cilacion es la que produce desfase nulo con realimentacion posi-tiva, condiciones en las que la perturbacion genera oscilacionescrecientes hasta que satura el amplificador y la ganancia A �� dis-minuye hasta acercarse a la unidad. La frecuencia de oscilacionno se corresponde, exactamente, con el angulo de desfase cero delamplificador no saturado aunque se acerca mucho a ese valor y,ademas, la amplitud no depende de la perturbacion inicial sinoque depende de la saturacion del amplificador.

Los osciladores senoidales son, fundamentalmente, de dos tipos:

� Osciladores de redes desfasadas. Constan de una red quegenera el desfase requerido (0 o 360o) mediante resistencias ycondensadores. Dentro de este tipo, los mas comunes son lososciladores R–C, los de puente de Wien y los de T puenteada.

� Osciladores de circuitos resonantes. Se conocen como os-ciladores L–C por estar constituıdos por un circuito tanquede condensador e inductancia. La frecuencia de oscilacion esla que genera un desfase nulo, muy parecida a la de resonan-

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cia del conjunto. Dentro de este tipo se distinguen otros dos,unos denominados osciladores de acoplo inductivo (sintoniza-dos en drenador o puerta para transistores FET y en colectoro base en transistores bipolares) y los que no tienen acoploinductivo (Colpitts, Harley, Clapp y los de cristal de cuarzo).

3. Amplificador. Consigue la ganancia necesaria, tanto en corrien-te como en tension, como para obtener la salida del generador.Normalmente, esta salida se encuentra protegida frente a cor-tocircuitos (para evitar su destruccion si es mal manipulado) y,ademas, debe tener un ancho de banda suficiente como para am-plificar y mantener constante, sin distorsionar, la salida en todoel rango de frecuencia del instrumento. Debe tener una elevadaimpedancia de entrada (para no cargar al oscilador) y una bajaimpedancia de salida.

2.2.1 Generador de funciones analogico

En esta practica se va a evaluar el comportamiento de un generadorde ondas implementado en una placa de circuito impreso. El manejode este generador de ondas es muy sencillo y similar al de otros gene-radores analogicos que se pueden encontrar en el mercado.En la figura 13, se muestra el esquema del generador. En las figuras14 y 15, se muestran las caras de componentes y la de pistas asociadasa esta placa de circuito impreso.El sistema dispone de dos bloques, figura 13. En el primer bloque seobtiene la alimentacion de continua necesaria para el resto del circuito.Esta parte se compone de un transformador, un rectificador de ondacompleta y dos reguladores lineales LM7815 y LM7915. El segundobloque es el que implementa el generador de funciones. Se basa enel integrado ICL8038, circuito capaz de generar, con gran precision,senales cuadradas, senoidales, triangulares y pulsos de ancho variable(con un mınimo de componentes externos). La frecuencia de ocilacionpuede seleccionarse, externamente, entre 0:001Hz y 300KHz medianteel uso de diferentes resistencias y condensadores. Ademas, es posiblemodular y generar un barrido en frecuencia utilizando una tension decontrol.

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2.2.2 ICL8038

El ICL8038 genera una senal de salida muy estable en todo el rangode temperatura de trabajo del integrado (utilizando unos componentesexternos adecuados, se puede lograr una estabilidad, ante cambios detemperatura, de hasta 50ppm=oC) y de tension de alimentacion. El in-tegrado dispone, figura 16, de dos fuentes de corriente independientes,dos comparadores, un biestable cuya entrada es programable (la salidade una de las dos fuentes de corriente), dos amplificadores (uno paraondas triangulares y otro para ondas cuadradas) y un convertidor deonda triangular a senoidal. El modo de funcionamiento de este inte-grado es como sigue:Un condensador externo se carga y descarga con dos fuentes de corrien-te. La fuente de corriente 1 esta funcionando continuamente mientrasque la fuente de corriente 2 se conecta y desconecta con el biestabledel circuito. Si la fuente 2 esta desconectada, el condensador se cargacon la corriente I1 generada por la fuente de corriente 1 (la tension delcondensador sube, linealmente, con el tiempo). Cuando la tension enbornas del condensador alcanza un determinado nivel (dos tercios de latension de alimentacion) el comparador 1 cambia el estado del biestableque hace que entre la fuente de corriente 2. La fuente de corriente 2genera una corriente I2 el doble de I1, de manera que el condensadores descargado, linealmente, con una corriente neta igual a la que ge-nera la fuente de corriente 1. La tension del condensador decrece, li-nealmente, con el tiempo hasta que alcanza un tercio de la tension dealimentacion, momento en que el biestable cambia de estado (vuelve alestado original) iniciandose un nuevo ciclo.Los niveles de los generadores de corriente pueden ser seleccionados,dentro de un amplio rango, mediante dos resistencias externas. Si seajustan a niveles diferentes de I e 2 � I, se obtiene un diente de sierraasimetrico y una senal rectangular de pulso variable. Por tanto, lasimetrıa es posible ajustarla mediante dos resistencias externas Ra yRb conectadas entre V+ y los pines 4 y 5 del integrado. Normalmente,los terminales 7 y 8 del integrado se unen por lo que el tiempo de subidat1 depende, directamente, de Ra y de C mientras que el de bajada t2 de-pende, directamente, de Ra, Rb y C e, inversamente, de (Ra � Rb). Lafrecuencia f se determina f = 1

t1+t2. La frecuencia de conmutacion, ası

como los tiempos de subida y bajada, no depende de la tension de ali-

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mentacion del integrado debido a que los valores de I1 e I2, ası como lastensiones de referencia de entrada a los comparadores, son valores quedependen linealmente de la alimentacion y los efectos se contrarrestanen el integrado.Una resistencia conectada entre la pata 12 del integrado y V� sirvepara minimizar la distorsion (niveles del orden del 1% con un potencio-metro de 80K) de la onda senoidal generada. Para conseguir menoresniveles de distorsion (del orden del 0:5%) es necesario conectar dos po-tenciometros (de 100K cada uno) en serie con sendas resistencias yconectados entre V+ y los pines 1 y 12, respectivamente, del integrado.La seleccion de los valores de Ra, Rb y C depende, unicamente, del nivelde corriente de carga (I1 e I2). Un nivel de I1 inferior a 1�A no es de-seable debido a que las corrientes de fuga de los transistores generanerrores significativos a altas temperaturas. Los mejores resultados selogran con corrientes de carga entre 10�A y 1mA. La corriente de cargase determina, si los terminales 7 y 8 del integrado se encuentran corto-circuitados, como I = R1�V

(R1+R2)�Ra

.La onda cuadrada sale por el terminal 9 y es de tipo a colector abierto.Para utilizarla, es necesario conectar una resistencia entre este termi-nal y la tension positiva de alimentacion.La frecuencia de salida del generador depende, directamente, de latension continua del terminal 8 respecto de V+. Variando esta tension,es posible conseguir la frecuencia de salida deseada. Se puede, ademas,obtener una senal de salida modulada en frecuencia. Para ello, la senal(si es pequena y genera variaciones de frecuencia inferiores al 10%) amodular se conectara en serie con un condensador de desacoplo al ter-minal 8 del circuito integrado. Si las variaciones son grandes, la senala modular se conecta entre V+ y el terminal 8 (en este caso, la tensionpuede variar entre V+ y (V+

3� 2)v.

2.2.3 Calibracion del generador de onda

El equipo consta de las siguientes funciones:

1. Mando de puesta en marcha (ON–OFF) junto con led que indicael encendido.

2. Entrada de control (CTRL) para la generacion de pulsos cuandoaparezca un flanco de subida en esta entrada.

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3. Salida (SIGN).

4. Mando de seleccion del tipo de onda (senoidal, cuadrada o trian-gular) de salida (I2).

5. Ajuste de la simetrıa de la senal de salida (potenciometro P2).Con este mando se puede ajustar el duty cycle de la onda.

6. Mandos de seleccion de la frecuencia de la senal de salida (ajustede escala con el conmutador I1 y ajuste fino con el potenciometroP1).

7. Mandos de seleccion de la amplitud de la senal de salida (conmu-tador I3 para el ajuste de la escala y potenciometro P5 para elejuste fino).

La calibracion del instrumento se debe realizar segun los siguientespasos:

1. Colocar todos los potenciometros en su punto medio, el conmu-tador selector de frecuencia (I1) en la posicion 4, el conmutadorselector de tipo de onda (I2) en la posicion de onda cuadrada y elconmutador selector de amplitud (I3) en la posicion de amplitudde salida maxima.

2. Conectar el equipo a la red de 220VAC. Comprobar que el genera-dor esta alimentado (a la salida de los reguladores lineales debenaparecer +15V –salida del 7815– y �15V –salida del 7915–.

3. Ajustar el potenciometro P2 hasta que la salida cuadrada seasimetrica (semiciclo positivo igual al negativo). Posteriormente,mover el potenciometro P1 hasta su tope en ambos sentidos. Com-probar que la simetrıa permanece practicamente constante. Si noes ası, actuar sobre el potenciometro P7 y volver a repetir el pro-ceso anterior.

4. Colocar el conmutador I2 en la posicion de onda senoidal. Com-probar la forma de onda de la salida. Para disminuir la distorsionel usuario puede proceder de la siguiente manera: Conectar la sa-lida de un generador (preparado para generar una senal senoidal

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de unas determinadas frecuencia y amplitud) a la entrada del os-ciloscopio y la salida de nuestro circuito al otro canal del osci-loscopio. Intentar hacer coincidir ambas ondas (potenciometrosP3 y P4).

5. Ajustar el nivel de offset de la salida de nuestro generador deondas (potenciometro P6) hasta que este sea cero.

6. Cambiar el conmutador I3 a las tres posiciones posible. Ajustarlos niveles de salida a valores eficaces de 0:05, 0:5 y 5V . Comprobarque, mediante el potenciometro P5, la salida varıa de amplitudentre 0 y el valor de fondo de escala fijado por el conmutador I3.

7. Colocar el conmutador I2 en la posicion correspondiente a ondatriangular. Comprobar que la salida es lineal y simetrica en todoel rango de frecuencias y de amplitud de salida.

8. Comprobar el funcionamiento del tren de impulsos. Para ello,conectar la entrada de control a +15V . La oscilacion debe in-terrumpirse. Conectar un generador de ondas a la entrada decontrol y comprobar que el tren de impulsos a la salida de nues-tro generador de ondas esta controlado por la frecuencia de dichogenerador (la frecuencia del generador conectado a la entrada decontrol debe ser inferior a la frecuencia de salida de nuestro ge-nerador).

3 Material necesario.

Para el analisis del amplificador de audio:

1. Amplificador de audio basado en el LM3886 de National Semicon-ductor.

2. 1 Osciloscopio.

3. 1 Osciloscopio con funciones de procesamiento digital.

4. 1 generador de senal de baja distorsion y un medidor de distorsionarmonica.

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5. Otros equipos de laboratorio.

Para el analisis del generador de funciones:

1. 1 Osciloscopio.

2. 1 Osciloscopio con funciones de procesamiento digital.

3. Generador de ondas PM5135 de Philips o HM8030 de Hameg.

4. Placa de circuito impreso (generador de ondas).

5. Otros equipos de laboratorio.

4 Realizacion de la practica.

La practica se divide en 2 partes. Cada uno de los grupos debera rea-lizar, al menos, una de las dos partes de la practica (se deja a los miem-bros de los grupos la eleccion de la parte que desea realizar).

4.1 1a Parte: Amplificador de Audio

Esta practica se va a realizar sin llegar a dar, en ningun momento,la potencia nominal del amplificador de audio. Se trabajara con unapotencia maxima a la salida de 10w.Analizar el circuito impreso (trabajar sin conectar carga alguna al am-plificador con lo que la potencia entregada a la carga sera de 0w). De-terminar cada una de las partes que componen el amplificador de au-dio. Utilizando los calculos que aparecen en el datasheet (pagina 15),determinar la tension de alimentacion a la placa (la carga con la quetrabajaremos, en el futuro, sera de 8). Describir y comprobar el fun-cionamiento del circuito (calcular la ganancia, comprobar la utilidaddel mando de volumen, determinar la tension de pico a pico maxima dela senal de entrada a la placa, etc. . . ).Comprobar el rango de frecuencia audible por el oıdo humano. Paraello, conectar a la salida del amplificador de audio el altavoz (de 4)que se suministra en la practica.

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Evaluar, utilizando los equipos disponibles en el laboratorio y alimen-tado el circuito con la tension calculada previamente, las caracterıs-ticas asociadas a este amplificador de audio. Explicar como (el metodoy equipos empleados) se han determinado las diferentes caracterısticas.Antes de realizar un ensayo, comentar con los monitores y el profesorde practicas el objetivo perseguido y la metodologıa que se va a emplear.Se recuerda que los ensayos que se hagan no se realizaran a la potencianominal del amplificador, sino a una potencia que, como maximo serade 20w.

4.2 2a Parte: Generador de Ondas

Analizar el circuito impreso. Determinar cada una de las partes quecomponen el generador. Describir y comprobar el funcionamiento decada parte del circuito por separado. Comprobar que el esquema secorresponde con el que se adjunta en el enunciado de la practica.Calibrar el equipo.Evaluar, como se crea oportuno, el comportamiento del generador desenales que se ha disenado: Determinar las caracterısticas de la fuentede alimentacion del sistema y del generador (diferentes rangos de fun-cionamiento, ancho de banda, distorsion senoidal, desviacion en fre-cuencia, linealidad de la onda triangular, amplitud de salida, . . . –otrascaracterısticas que el alumno crea oportunas–).

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Figura 13: Esquema del generador de ondas analogico.

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CABLE2

RDIODO1

J2+16

CA

BLE

1

J2+12

J2+

13

J2+11

J2+

10

J2+14

J2+15

J2+24

J2+23

J2+17

J2+18

J2+22

J2+21

J2+19

J2+20

R12

R6 R22

P4

R5

P3

R4

R3R28

J3

C1

C2

C3

C4

C5

R25

C9

J2R

1

U2

J1

R11

R10

C6

R2

D5

P6

C10

R20

D6R7

CONTROL

C7

R13

R9

R8

J4

U1

C11

R24

R23

R19

R14

R15

R16

C8

R21

T1

P5

R18

R17

R29

R30

SA

LIDA

Figura 14: Cara de componentes del generador de ondas analogico uti-lizado.

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Generador de funcionesE.S.I. Sevilla

Alfix & Gubami

-VCC

GND

CTRL

GND-VCC

P1

I2

+VCC

P2

OUT

GND

+VCC

I3

P5

++

+

+

+

+

+

+

+

I1

Figura 15: Rutado asociado a la placa de circuito impreso del generadorde ondas analogico empleado en esta practica.

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Figura 16: Esquema del ICL8038.

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