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Teoría de la exposición
 

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    Teoría de la exposición Teoría de la exposición Document Transcript

    • Amplificadores operacionalesUn amplificador operacional se diseña para ejecutar algunas operaciones matemáticas cuandocomponentes externos, como resistories y capacitores, están conectados a sus terminales. Así,un amplificador operacional es un elemento de circuitos activo diseñado para realizaroperaciones matemáticas de suma, resta, multiplicación, división, diferenciación e integración.El amplificador operacional es un dispositivo electrónico que consta de un complejo sistema deresistores, transistores, capacitores y diodos.Los amplificadores operacionales se venden en paquetes de circuitos integrados de diversaspresentaciones.Uno habitual es el empaque en línea doble (dual in line package, DIP por sus siglas en inglés)de ocho terminales que se muestra en la siguiente figuraLa terminal 8 no se usa, y las terminales 1 y 5 son de escaso interés para el desarrollo de nuestrotema. En realidad, las cinco terminales importantes son: 1. La entrada inversora, terminal 2. 2. La entrada no inversora, terminal 3. 3. La salida, terminal 6. 4. El suministro de potencia V+, terminal 7. 5. El suministro de potencia negativo V-, terminal 4.El símbolo de circuitos del amplificador operacional es el triángulo de la siguiente figura.Se puede notar que en ella, el amplificador operacional tiene dos entradas y una salida. Lasentradas se han marcado con los signos menos (-) y más (+) para especificar las entradasinversora y no inversora, respectivamente. Una entrada aplicada a la terminal no inversoraaparecerá con la misma polaridad en la salida, mientras que una entrada aplicada a la terminalinversora aparecerá invertida en la salida.Como elemento activo, es necesario un suministro de tensión al amplificador operacional, comose muestra del modo común en la figura adjunta
    • Aunque, para mayor simplicidad, en diagramas del circuito del amplificador operacional suelenignorarse las fuentes de suministro, las corrientes de éstas no deben pasarse por alto. Por efectode la LCK,El modelo de circuito equivalente de un amplificador operacional se presenta a continuación:La sección de salida consta de una fuente controlada por tensión en serie con la resistencia desalida Ro. En la figura es evidente que la resistencia de entrada Ri es la resistencia equivalentede Thevenin vista en las terminales de entrada, mientras que la resistencia de salida Ro es laresistencia equivalente de Thevenini vista en la salida. La tensión de entrada diferencial vd estádada porDonde v1 es la tensión entre la terminal inversora y tierra y v2 la tensión entre la terminal noinversora y tierra. El amplificador operacional percibe la diferencia entre esas dos entradas, lamultiplica por la ganancia A y provoca que la tensión resultante aparezca en la salida. Así, lasalida vo está dada porA se llama ganancia en tensión de lazo abierto, porque es la ganancia del amplificadoroperacional sin retroalimentación externa de la salida a la entrada.Amplificador diferencial Los amplificadores de diferencia (o diferenciales) se utilizan en varias aplicaciones enlas que hay necesidad de amplificar la diferencia entre las señales de entrada. Son primoshermanos del amplificador para instrumentos, el amplificador más útil y popular. También selos conoce como restadores.
    • Un amplificador de diferencia es un dispositivo que amplifica la diferencia entre dosentradas pero rechaza toda señal común a las dos entradas. Consideremos el siguiente circuito del amplificador operacional:O seaAl aplicar LCK al nodo b,O seaPero va = vb. La sustitución de la ecuación (2) en la ecuación (1) produceO seaComo un amplificador de diferencia debe rechazar una señal común a las dos entradas, debetener la propiedad de que v0 = 0 cuando v1 = v2. Esta propiedad existe cuando
    • Así, cuando el circuito del amplificador operacional es un amplificador de diferencia, laecuación (3) se convierte enSi R2 = R1 y R3 = R4, el amplificador de diferencia se convierte en restador, con la salidaEjercicio de amplificador diferencialEl siguiente amplificador de instrumentación es un amplificador de señales de bajo nivel que seemplea en el control de procesos o en aplicaciones de medición y se vende en unidades de unsolo paquete. Demuestre queCircuitos de amplificadores operacionales en cascadaYa sabemos que los circuitos de amplificadores operacionales son módulos o componentes parael diseño de circuitos complejos. En aplicaciones prácticas suele ser necesario conectarcircuitos de amplificadores operacionales en cascada (es decir, uno tras otro) para conseguir unaganancia total grande. En general, dos circuitos se disponen en cascada cuando se conectan entándem, es decir, sucediéndose uno a otro en una sola fila.Una conexión en cascada es un arreglo de dos o más circuitos de amplificadores operacionalesdispuestos uno tras otro, de manera que la salida de uno es la entrada del siguiente.
    • Cuando se conectan en cascada circuitos de amplificadores operacionales, a cada circuito de lacadena se le llama una etapa; la señal de entrada original se incrementa con la ganancia de laetapa individual. Los circuitos de amplificadores operacionales tienen la ventaja de que puedendisponerse en cascada sin alterar sus relaciones de entrada-salida. Esto se debe al hecho de queun circuito del amplificador operacional (ideal) tiene una resistencia de entrada infinita yresistencia de salida cero. La siguiente figura muestra una representación del diagrama enbloques de tres circuitos de amplificadores operacionales en cascada.Dado que la salida de una etapa es la entrada de la siguiente, la ganancia total de la conexión encascada es el producto de las ganancias de los circuitos de amplificadores operacionalesindividuales, oAunque la conexión en cascada no afecta las relaciones de entrada-salida de los amplificadoresoperacionales, se debe tener cuidado en el diseño de un circuito del amplificador operacionalreal, para asegurar que la carga debida a la siguiente etapa en la cascada no sature elamplificador.EjercicioHalle vo e io en el siguiente circuitoAplicacionesEl amplificador operacional es un componente fundamental de la instrumentación electrónicamoderna. Se utiliza extensamente en muchos dispositivos, junto con resistores y otroselementos pasivos. Entre las numerosas aplicaciones prácticas se encuentran amplificadorespara instrumentos, convertidores, digitales-analógicos, computadoras analógicas, cambiadoresde nivel, filtros, circuitos de calibración, inversores, sumadores, integradores, diferenciadores,restadores, amplificadores logarítmicos, comparadores, elementos rotatorios, osciladores,rectificadores, reguladores, convertidores de tensión a corriente, convertidores de corriente a
    • tensión y recortadores. Veremos pues dos aplicaciones comunes además de las que ya se hantratado anteriormente: el convertidor digital-analógico y el amplificador para instrumentación.Convertidor Digital-AnalógicoEl convertidor digital-analógico (CDA) transforma señales digitales en analógicas. En estafigura se ilustra un ejemplo usual de un CDA de cuatro bitsÉste puede realizarse de muchas maneras. Una realización simple es la escalera ponderadabinaria que aparece en esta figura:Los bits son ponderaciones según la magnitud de su valor de posición, por valor descendente deRf/Rn, de modo que cada bit menor tiene la mitad de peso del inmediato superior. Éste esobviamente un amplificador sumador inversor. La salida se relaciona con las entradas. Así,La entrada V1 se llama bit más significativo (BMS o MSB por sus siglas en inglés), en tanto quela entrada V4 es el bit menos significativo (BMES o LSB por sus siglas en inglés). Cada una delas cuatro entradas binarias V1,…,V4 sólo puede asumir dos niveles de tensión: 0 o 1V.Aplicando los valores adecuados de entrada y resistor de retroalimentación, el CDA arroja unasola salida, la cual es proporcional a las entradas.Valores de entrada y salida del CDA de cuatro bitsEntrada Binaria [V1V2V3V4] Valor decimal Salida -Vo 0000 0 0 0001 1 0,125 0010 2 0,25 0011 3 0,375 0100 4 0,5 0101 5 0,625 0110 6 0,75
    • 0111 7 0,875 1000 8 1,0 1001 9 1,125 1010 10 1,25 1011 11 1,375 1100 12 1,5 1101 13 1,625 1110 14 1,75 1111 15 1,875Ejercicio de amplificador operacional como convertido digital-analógicoEn el circuito del amplificador operacional anterior, sean Rf = 10kΩ y R1 = 10kΩ, R2 = 20kΩ,R3 = 40kΩ y R4 = 80kΩ. Obtener la salida analógica de las entradas binarias [0000], [0001],[0010],…,[1111].Amplificadores para InstrumentaciónUno de los circuitos de amplificadores operacionales más útiles y versátiles para medidas deprecisión y controlo de procesos es el amplificador para instrumentación (AI), así llamado acausa de su extendido uso en sistemas de medición. Aplicaciones usuales de AI incluyenamplificadores de aislamiento, amplificadores de termopar y sistemas de adquisición de datos.El amplificador de instrumentación es una prolongación del amplificador diferencial en cuantoque amplifica la diferencia entre sus señales de entrada. En esta figura que ya vimosanteriormenteTeníamos un amplificador para instrumentos, el cual suele constar de tres amplificadoresoperacionales y siete resistores. Para mayor comodidad, ese amplificador se reproduce acontinuación
    • En este modelo, aparecen los mismos resistores excepto por el resistor de ajuste de ganancia RG,conectado entre las terminales de ajuste de ganancia. Su símbolo esquemático es el siguientePor otro lado, ya hemos demostrado queDonde la ganancia en tensión esVemos ahora que el amplificador para instrumentos amplifica pequeñas tensiones de señalesdiferenciales sobrepuestas sobre tensiones en modo común mayores. Dado que las tensiones enmodo común son iguales, se cancelan entre sí.Señales diferenciales pequeñas montadas sobre señales en modo común mayores.
    • Amplificador para instrumentosSeñal diferencial amplificada, señal en modo no comúnEl AI tiene tres características principales: La ganancia en tensión es ajustada por una resistencia externa RG. La impedancia de entrada de ambas entradas es muy alta y no varía al ajustarse la ganancia. La salida vo depende de la diferencia entre las entradas v1 y v2, no de la tensión común a ellas (tensión en modo común).Debido al difundido uso de los AI, los fabricantes los han desarrollado en unidades de un solopaquete. Un ejemplo usual es el LH0036, producido por National Semiconductor. La gananciapuede variar de 1 a 1000 por efecto de una resistencia externa, cuyo valor puede variar a su vezde 100Ω a 10kΩ.Ejercicio de amplificador instrumentalEn el último diseño circuital con amplificadores operacionales mostrado, sean R = 10kΩ, v1 =2,011V y v2 = 2,017 V. Si RG se ajusta en 500Ω, determine: a) la ganancia en tensión, b) latensión de salida vo.