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Estetoscopio digital
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Estetoscopio digital

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  • 1. Cuando uno encuentra una ocasión de emprender nuevas experiencias, se atreve con montajes en cuya utilidad yrepercusión nunca creyó, así me vi en este tratado en el que teorizando me metí. Este artículo empezó siendo unarecopilación de distintos tratados obre el tema que vi en la red y que me planteó cierta curiosidad, probé a realizar unprimer documento teórico que describiera en español los puntos más importantes según un criterio generalizado, estofue por el mes de junio del 2004. Es evidente que el esquema de principio utilizado para rellenar el artículo, no esmío. Luego fueron apareciendo consultas, dudas y por este motivo, decidí realizar un montaje que me demostrara suefectividad.Gran sorpresa la mía, en principio mi circuito no reproducía ningún sonido esperado, decidí tomar más en serio elcircuito y me impliqué en su depuración, me llevó bastante tiempo. Casualmente tuve que acudir a mi médico Dr.Buaki Botuy por cosas de salud, al que agradezco su colaboración, amablemente me prestó uno de sus „estetos‟ yrealicé ciertas pruebas que me ayudaron, con todo esto pensé que sería un buen motivo para lanzarlo a la red y pedir anuestros lectores que se implicaran en su depuración por lo que alentamos a todos para que, aporten sus experienciasy conocimientos sobre amplificación, filtros pasa bajos, pasa banda y cualquier modo de conseguir que el circuitofuncione, con estabilidad y calidad. Si, encontramos foros sobre este particular en inglés, en francés, italiano, ¿porque no en español?, es que los que utilizamos el castellano para expresarnos pasamos de estos temas, sinceramente,creo que no.Introducción.En nuestros tiempos, el estetoscopio también conocido como fonendoscopio, es undispositivo usado en medicina para oír los sonidos internos del cuerpo humano; fueinventado por René-Théophile-Hyacinthe Laennec en 1816. Generalmente usado en laauscultación de los latidos cardíacos o lo ruidos respiratorios mayormente, aunquealgunas veces, también se usa para objetivar otros ruidos, por lo que estos dispositivosno solamente son útiles para los doctores.Son muchos los que los utilizan estos sensores en sus distintos formatos, son usadospor: los aficionados, los exterminadores o anti-plagicidas, otros para espiar y un grannúmero de otras aplicaciones. Es una de las herramientas utilizadas en operaciones debúsqueda y rescate en emergencia LPA (Localizador de Personas Atrapadas), basan sufuncionamiento prolongando el sentido del oído humano mediante sistemaselectrónicos, son de gran ayuda en estas labores en catástrofes en el mundo.Los estetoscopios estándares no proporcionan ninguna amplificación, lo que viene alimitar su uso. Este circuito utiliza circuitos amplificadores operacionales diferencialespara amplificar más que un estetoscopio estándar e incluye filtros activos pasa bandapara eliminar frecuencias indeseadas y el ruido de fondo.Descripción.
  • 2. Un estetoscopio electrónico como se ha indicado puede tener una considerable mejorasobre un estetoscopio acústico. Este es más sensible, tiene una mejor respuesta a lafrecuencia y tiene un control de volumen para reducir el nivel cuando el ruido esmolesto. El estetoscopio electrónico es más adecuado, la potencia y ganancia con losauriculares unidos en paralelo reproducen el sonido en fase, más natural por ambasunidades auriculares.Varios artículos que describen su construcción han sido publicados en revistas deelectrónica y otros en la red. En estas unidades, el ruido analizado es recogido por lasonda, luego amplificado y por último enviado a los auriculares. Trataremos de describirlos pasos y analizar el circuito que permite su construcción.La sonda.Cuando utilizamos una sonda como receptor de sonidos, debemos tener en cuenta lossonidos que esperamos escuchar y según el caso tenemos tres opciones: sonda porvibraciones, micrófono sonda y en caso de cardiógrafos por interferencia de luz.Una sonda para vibraciones, puede ser un elemento piezoeléctrico cerámico conocidocomo „buzzer‟ que nos permitirá captar las vibraciones procedentes de la carcoma,ruidos de un motor o vibraciones sísmicas o similares. Otra aplicación es, en lalocalización de personas que permanecen con vida en situaciones de derrumbes yterremotos en catástrofes.Un elemento piezo, mostrado a la derecha, cuando se usa como fuente de sonido, nopuede producir frecuencias bajas, debido al pequeño tamaño y rigidez del elemento quevibra, en cambio, cuando se usa como detector, evidentemente tiene una buenarespuesta en baja frecuencia. Asimismo el pequeño diafragma de un micrófono nopodría producir bajas frecuencias, por esto no es eficaz en la recepción de súper bajasfrecuencias. La sonda piezo, se utiliza en contadas ocasiones y responde a la necesidadde establecer el origen de ciertas vibraciones, es colocada en contacto directo con lasfuentes sospechosas de ruido y vibraciones.Sin embargo para oír los latidos del corazón, es más adecuado el empleopreferentemente del micrófono sonda o en todo caso la interferencia del rayo de luzsobre el flujo sanguíneo. La imagen de la derecha muestra el esquema de construccióndel detector.
  • 3. El ruido es recogido por la sonda, la mayor parte de sondas usan un pequeño elementode micrófono como sonda que recoge sonidos del aire, los usados en clínicas desupervisión y cuidados intensivos, así como en quirófanos por su comodidad yfiabilidad utilizan una pinza sobre un dedo, en su interior un rayo de luz infrarroja esinterceptado por el flujo de la corriente sanguínea y esto se amplifica y muestramediante un contador.En algunas aplicaciones con un micrófono, la sonda no tiene que ponerse en contactodirecto con la fuente ruidosa. Para algunos ruidos, una sonda de micrófono es mejor,como se aplica cerca de la fuente de ruido, el sonido en los auriculares se hacemás fuerte.En nuestra aplicación usaremos una sonda micrófono, para el cual emplearemos unotipo „electret‟ por su alta impedancia. El elemento de micrófono en la sonda demicrófono se conecta directamente a la entrada del preamplificador, mediante cableapantallado, la señal obtenida del micrófono ataca la entrada de muy alta impedancia delprimer amplificador U1, requisito necesario en elproyecto por las características exigidas.Si lo que pretendemos es escuchar los latidos del corazón, es necesario pensar que elcuerpo humano ejerce la función de absorber gran parte de los sonidos generados, asíque a la hora de amplificar dichos sonidos tendremos mucho cuidado de plantear losfiltros adecuados en cada paso y siempre que sea posible verificar mediante unosciloscopio si están bien aplicados, a su salida aplicaremos un amplificador de ciertacalidad. A la derecha se muestra el esquema de principio del CI LM386 con unaganancia en tensión de 200.Hay un elemento decisivo que en ninguna publicación he visto descrito y no semenciona ni de pasada, me refiero a la campana captora, si disponemos de uno, esdonde aplicaremos el micrófono mediante un pequeño trozo de tubo de goma para quereciba los sonidos que la campana recoge y luego puedan amplificarse. Su construccióninfluye de gran manera en los resultados.
  • 4. En las imágenes de la derecha apreciam os la piezamás decisiva del estetoscopio, la campana de sonido y a su lado el corte transversal conlos elementos que la componen, es muy simple pero efectivo, el cuerpo es de metal, eldiafragma es un disco de material elástico delgado rígido, el conducto, dondeconectamos el tubo de goma y micrófono y además está la cámara que al ser cónicaconcentrará el sonido que le llega.El esquema. Fig. 01El esquema como se ve, comprende una serie de filtros activos U1-U2 y U3, que seencargan de filtrar y amplificar la señal de sonido que recogió la sonda y se entrega alamplificador de audio U5, quien se encarga de su optimización. U4 permite observar elritmo de los sonidos captados por la sonda de forma óptica por el doble diodo LED D1.Así pues, la señal de salida del micrófono se amplifica mediante el amplificador U1, seenvía a un filtro activo pasa banda de segundo orden, construido mediante el segundoamplificador U2 y la realimentación obtenida por C4 y R7 (ver más abajo este filtro),que nos entrega la señal convenientemente amplificada por U3, en este punto se derivadicha señal, por un lado utilizando un amplificador U4, que activará un indicadoróptico, un diodo led bicolor; por otro lado, la señal del amplificador U3, se aplica alamplificador de audio U5 en este caso de 1W, constituido por un LM386 con unospocos componentes, con el que mediante unos auriculares de alta impedancia, podremosescuchar los sonidos o los subsonidos captados.En la práctica, después de varios intentos y pruebas sobre este circuito y haber probadodistintos tipos de filtros para la segunda etapa, la más crucial y determinante, encargadadel filtro activo pasa banda, que ha de ser muy elaborada, pues debe dejar pasar el soplo
  • 5. del sonido detectado por la sonda (micro) y no la frecuencia introducida de red o ruidoscircundantes, que normalmente se reintroducen incluso por carga del cuerpo humano,finalmente he optado por el mostrado.Se recomienda cortar todos los terminales de los componentes, lo más cortos posible asícomo el cable coaxial desde el micrófono al circuito impreso, debe mantenerse bastantecorto. Tener en cuenta que cuando trabajamos en amplificaciones de audio confrecuencias tan bajas, hasta las pistas del circuito impreso se comportan como antenasintroduciendo ruidos en la propia amplificación.Una premisa de seguridad, cuando se aplican electrodos o sondas sobre el cuerpohumano, se recomienda utilizar baterías para la alimentación siempre que sea posible oen último caso por seguridad, transformadores separadores galvánicos. Se debeconsiderar utilizar dos baterías o pilas de 9 Voltios, preferible a utilizar la energía de redde CA, por muy buena que sea la fuente de alimentación, siempre se „cuela‟ el molestoruido de la ondulación de alterna (CA). El filtro pasa banda original, parece confuso, a la derechaconfigurado como es más normal. Cada uno puede realizar sus cálculos de los filtrospara comprender mejor su función y pruebe el que mejor se adapte a su caso, sinembargo estoy completamente seguro que éste cumple las expectativas que sepretenden.Debería emplearse dos filtros pasa bajos con banda pasante de 10Hz, seguidos de un parde filtros pasa altos con una banda pasante de 100Hz, las resistencias a usar deben serdel 1% para un valor mas preciso y lograr entre 60 y 80dB. En cuanto a las formulas,son las habituales:Filtro pasa altos: Rpa = V2 / 2pi fc Cpa Filtro pasa bajos: Rpb = 1 / 2pi V2 fc CpbPara los cálculos, los datos que disponemos son:Frecuencia de corte pasa altos fc = 10 Hz, C3 y C4 entre 1nf y 100nfFrecuencia de corte pasa bajos fc = 100Hz, C5 sobre 1ufEl operacional a usar es responsable de la calidad que quieras obtener, así pues, yousaría un INA114 para instrumentación o similar un bifet como el TL084. En elamplificador de audio original se utilizaba un LM741, en esta actualización utilizaremosel amplificador de audio LM386 con una configuración que entrega una ganancia entre20 y 200. El filtro pasa bajos pasivo de salida formado por C9 y R14, debe acercarse ensus valores a los descritos, su función es evitar en parte, los ruidos generados por lospicos de la amplificación recortándolos.
  • 6. Realización práctica.Debido al interés despertado por este artículo, me veo gratamente obligado a ampliarcon detalles la realización de este práctico estetoscopio con el circuito práctico delamplificador que incluye el pequeño amplificador de audio para usar con auriculares. El amplificador está compuesto básicamente por tres amplificadoresoperacionales, configurando el primero como amplificador de alta impedancia deentrada. La ganancia de un amplificador operacional [op-amp] como inversor vienedada por la expresión de la derecha, así mismo, la impedancia de entrada delamplificador, viene determinada por el valor que asignemos a R1.En nuestro caso necesitamos que las señales en modo común no sean amplificadas paraevitar el ruido de los 50Hz provenientes de la red, esto lo conseguimos con el filtroactivo pasa-banda de la figura para las señales en modo común. La señal a la salida deeste amplificador ya podríamos utilizarla, sin embargo para discriminar aún más la señaldel ruido utilizamos un nuevo filtro activo en el tercer amplificador. El montaje sepuede realizar con un CI LM324 para que sea más compacto, el cual contiene 4amplificadores diferenciales en la misma cápsula, idénticos al LM741.Aprovechando mi experiencia con el amplificador LM386, éste requiere solo y unospocos componentes, funciona con alimentación única de 9V y auriculares estándar dealta impedancia con control de volumen, conectando ambos auriculares en paraleloobtenemos el efecto envolvente, mejor que ponerlos en serie, lo que produciría unretardo por desfase en la audición.En el circuito estetoscopio electrónico mostrado arriba, el LM386 en el esquemageneral, no funciona a su máxima ganancia de tensión aproximada de 200 [46dB]; R11es el control de volumen. En circuitos que usan el LM386, si se omite C6 entre laspatillas 1 y 8, la ganancia aproximadamente es 20 [26dB] y el condensador bypass C8no se necesita. Se pueden obtener ganancias intermedias conectando una resistencia1.200 ohmios en serie con C6; dan una ganancia aproximada de 50. R14 y C9 mejoranla estabilidad del amplificador en alta frecuencia. En diferentes circuitos del LM386,utilizan el condensador C10 de bypass de alimentación, es muy importante paraasegurar una amplificación estable.El montaje del circuito lo hemos llevado a cabo mediante un tablero de pruebas(‟protoboar‟), como el que se aprecia en la imagen de abajo. En dicha imagen semuestra la disposición de los componentes como otra ayuda al principiante y comoreferencia para no perdernos en el seguimiento del esquema. Puede apreciarse quehemos utilizado como siempre los componentes más comunes y que resultan de fácillocalización en el comercio.
  • 7. Fig. 02A la izquierda destaca el micro, también destacan los cinco CI, cuatro de ellos son elconocido LM741 y a la derecha el amplificador de audio LM386. Se hace hincapié en lainterconexión de este amplificador ya que de él depende la calidad del sonido resultante.Puede utilizarse el circuito LM324 y obtener un montaje más compacto, ver imagensiguiente.Discusión.Al conectar la alimentación y al conectar los auriculares no oye nada, a pesar de girar almáximo el potenciómetro R11 o escucha un molesto ruido. Si no oye nada, sin dudaalgo no está en su sitio, revise el circuito otra vez, le aseguro que ha de oírse algún tipode ruido, si el ruido es agudo, revise los valores de los condensadores, si por el contrariooye un soplido o tableteo, baje un poco el volumen y trate de escuchar con atención, esconveniente al principio acoplarse un poco al sonido que se escucha.Que ni por esas, no oye el latido de su corazón, no importa que en su caso funcionabien, lo ha de poder oír. Vaya, en ese caso es una las dos siguientes opciones, escuestión del micrófono o de los auriculares. Le aseguro que tuve que probar entre másde siete modelos de micrófonos electret, hasta encontrar uno con 60dB de salida y nocrea que eso es todo, los mismos auriculares son un elemento que me llevó bastantesquebraderos de cabeza, elija uno de alta impedancia es lo ideal.Primero, debe poner el jack estéreo en paralelo para los dos auriculares de cierta calidady así oír ambas partes iguales, eso ayuda bastante.
  • 8. Claro que a pesar de todo, esto sigue igual, sin oír los dichosos latidos de su corazón ycasi se queda sordo por los chirridos que llegan de todas partes, sin duda es cuestión delelectret. Va por buen camino.En último lugar debe revisar la sonda captora, no sólo el micrófono, sino el conjunto,del micro y la campana captora del sonido o mejor debería decir subsonido ya que lossonidos son bajos entre 10 y 180 pulsos y claro modulados por una frecuencia bajacomo un rumor.Observe la imagen que presento a la derecha y aproveche algúnobjeto cónico o construya con un par de tapones de botella unaespecie de campana, debe sellar con una membrana de papel cebollala campana a 3 milímetros del borde y cuando esté seco, una segundamembrana, ésta de material más rígido, plástico de un protector deCD-ROM por ejemplo y péguelo en el borde exterior de la campana,esto creará una cámara que nos permitirá obtener los sonidos que necesitamos.En mi caso aproveche un casquillo o tapón cónico de metal, al que le practiqué unagujero en el extremo cerrado con una broca del diámetro del electret para que quedaraajustado, luego recorté un trozo de papel satinado un poco más pequeño que la tapa, deespesor doble o poco más que una cuartilla de 90gramos y lo pegué en el extremoancho, luego use un trozo de plástico de un protector de CD-ROM del que recorté uncírculo del diámetro de la boca del casquillo y lo pegué, procuré que éste estuviera cercadel anterior pero sin llegar a rozarlo, de modo que quedara una pequeña cámara de aireentre ambos y eso es todo.De cualquier modo alentamos a los lectores interesados a que, expresen sus dudas ypara intercambio de ideas contacten con el autor. Algunos estudiantes de medicina yahan construido su propio esteto basado en este artículo y han obtenido nota en suspresentación, lo cual me llena de orgullo porque me demuestra que a servido detrampolín en sus estudios.Notas:11. 03-03-07 – Se modifica el filtro pasa bajos, para mejorar.10. 05-12-06 – Se añaden formulas filtros pasa altos y pasa bajos.9. 05-05-06 – Se añade el circuito usando el LM324.8. 20-12-2004 – El actual.7. 16-11-2004 – Se modifica el esquema.6. 02-09-2004 – Modificado el error: LM385 por el adecuado LM386 Amplificador deaudio.5. Los auriculares de alta impedancia tienen mejor respuesta.4. R11 de 5K logarítmico, es el control de volumen.3. Los + 9V y – 9V se puede obtener por dos baterías 9V unidas en serie y solapadasligeramente en la envoltura.2. Tenga cuidado con el volumen, pues el exceso de nivel de ruidos puede dañar susoídos.1. MIC1 es un montaje hecho aparte, de una cabeza de estetoscopio y un micrófonoelectret de 20dB o más. Cortar la cabeza del estetoscopio y utilizar un pedazo pequeñode tubo de goma, para ensamblarla en la cabeza, que entre roscada al micrófono.
  • 9. El Estetoscopio, Electrónica Analógica Electrónico, Estetoscopio, LM386, LM741Read moreEl Amplificador Operacional2010/11/09 admin 3 commentsINTRODUCCIÓN.Los amplificadores operacionales son, dispositivos compactos activos y lineales de altaganancia, diseñados para proporcionar la función de transferencia deseada. Unamplificador operacional (A.O.) está compuesto por un circuito electrónico que tienedos entradas y una salida, como se describe mas adelante. La salida es la diferencia delas dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ – V-).Estos dispositivos se caracterizan por ser construidos en sus componentes másgenéricos, dispuestos de modo que en cada momento se puede acceder a los puntosdigamos “vitales” en donde se conectan los componentes externos cuya función es la depermitir al usuario modificar la respuesta y transferencia del dispositivo.EL AMPLIFICADOR OPERACIONALUn amplificador operacional (A.O. también op-amp), es un amplificador de altaganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas ynegativas, lo cual permite que optenga excursiones tanto por arriba como por debajo demasa o punto de referencia que se considere. Se caracteriza especialmente por que surespuesta en; frecuencia, cambio de fase y alta ganancia que se determina por larealimentación introducida externamente. Por su concepción, presenta una altaimpedancia (Z) de entrada y muy baja de salida. Este es el símbolo:En la figura, se observan dos patillas de alimentación bipolar (+Vs y -Vs), una entradano inversora (+V), una entrada inversora (-V) y una de salida (Vout), algunos como elLM386, disponen de una patilla de bypass. El amplificador sólo responde a la diferenciade tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común. Es decir, lamisión del A.O: es amplificar la diferencia de tensión entre las dos señales de entrada,
  • 10. respecto de masa. Es decir, el mismo resultado obtendremos aplicando una entrada de1mV en +Vin y 1,001mV en la entrada -Vin, que aplicando 6V en +Vin y 6.001V en -Vin ya que:1 – 1,001 = 6 – 6,001 = 0,0011 – AV infinita ==> V+ = V- ==> Principio de TIERRA VIRTUAL.2 – Rin (Zi) – Infinita (típico algunos M ) ==> I+ = I- = 0.3 – Rout (Zo) nula (entre 100 y 200 ) ==> fuente de tensión ideal.4 – Amplificador de AC y DC.5 – Ancho de banda infinito.Ganancia en lazo abierto.Cuando se aplica una señal a la entrada, la ganancia es el cociente entre la tensión desalida Vs y la de entrada Ve que tiene el amplificador operacional cuando no existeningún lazo de realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas. Ver eldiagrama.La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula:AV = Vs / Ve Donde: AV = ganancia de tensión Vs = tensión de salida Ve = tensión de entradaEn un amplificador operacional ideal, esta ganancia es infinita. Sin embargo, cuando eloperacional es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000 (en el amplificadoroperacional 741C). Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, donde lo quese desea es, saber cual de las dos entradas tiene mayor tensión, de ahí su nombre,amplificador diferencial. La señal de salida Vs del amplificador diferencial ideal deberíaser:Vs = Av (V1 – V2).En la realidad, no es así ya que la salida depende de la tensión diferencial (Vd) y delnivel medio llamado señal en modo común (Vc), o sea:Vd = V1 -V2; y Vc = 1/2 (V1 + V2).
  • 11. Ganancia en lazo cerrado.Como decimos los amplificadores operacionales prácticos tienen ganancia de tensiónmuy alta (típicamente 105), sin embargo esta ganancia varía con la frecuencia. La formade compensar esto es, controlar la ganancia de tensión que tiene el amplificadoroperacional, utilizando elementos externos para realimentar una parte de señal de lasalida a la entrada, que hará que el circuito sea mucho más estable. Con la realimentación, la ganancia de lazo cerrado,depende de los elementos empleados en la realimentación y no de la ganancia básica detensión del amplificador operacional, por lo que, para modifica la gananciamodificaremos los valores de R1 y R2.Como veremos a continuación, los circuitos con amplificadores operacionales,resistencias y condensadores, los podemos configurar para obtener diversas operacionesanalógicas como sumas, restas, comparar, integrar, filtrar y por supuesto amplificar.La ganancia se obtiene por la siguiente fórmula: AV= – Vo / Vin. El sigo negativo indicaque la señal en la salida será la opuesta a la entrada (se confirma que una señal positivaaplicada a la entrada produce una tensión negativa a la salida y viceversa).CONFIGURACIONES BÁSICAS DEL A.O.Presentaremos, muy por encima, los modos básicos de configuración de un A.O. como:amplificador inversor, amplificador no inversor, amplificador diferencial, derivador,integrador y sumador. El criterio para analizar los circuitos es: La impedancia de cada entrada (Zi), se considera tan alta que, las corrientes en ambas se consideran próximas a cero. La tensión entre las entradas es muy similar, puede considerarse que están en “cortocircuito virtual”, aunque no fluye corriente entre ellas.Amplificador Inversor.En este circuito, la entrada V(+) está conectada a masa y la señal se aplica a la entradaV(-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2. La entrada V(-)es un punto de tierra virtual, ya que está a un potencial cero.
  • 12. El circuito comúnmente más utilizado es el circuito de ganancia constante. Elamplificador inversor amplifica e invierte una señal 180º, es decir, el valor de la tensiónde salida está en oposición de fase con la de entrada y su valor se obtiene al multiplicarla tensión de la entrada por una ganancia fija constante, establecida por la relación entreR2 y R1, resultando invertida esta señal (desfase).Amplificador no Inversor.Este es el caso en que la tensión de entrada Ve, está en fase con la de salida Vs, estatensión de salida, genera una corriente a través de R2 hacia el terminal inversor, a su veza través de R1, se genera una corriente hacia el mismo terminal pero de signo contrario,por lo que ambas corrientes se anulan, reflejando en la salida la tensión de entradaamplificada.Según se ha mencionado antes, el valor de +Ve se refleja en la entrada inversora -Ve delamplificador operacional y teniendo en cuenta que se considera un “cortocircuitovirtual”, podemos establecer que ie = Ve/R1.Y como la corriente en la entrada inversora i- = 0; i1 = i2; por lo tanto Vo = (R1 + R2)i1, sustituyendo; Vo/ Ve = (1 + R2/R1); y finalmente la ganancia entensión:Amplificador Diferencial.El caso más común de configuración es permitir la entrada de señal, por ambas puertas,tanto por la inversora como por la no – inversora. La señal de salida será proporcional ala diferencia entre las entradas y estará en fase con las señales aplicadas. Aunque está
  • 13. basado en las dos disposiciones vistas anteriormente. Elamplificador diferencial tiene características únicas.En la figura, se muestra un dispositivo activo lineal con dos entradas V1 y V2 y unasalida Vo, respecto a la tensión media de alimentación o masa. En el amplificadordiferencial ideal, la tensión Vo viene expresada por :Vo = Ad (V1 – V2)Donde Ad es la ganancia. La señal de salida no se ve afectada por cualquier señalcomún en ambas entradas. En un amplificador real, debido a que la salida no solodepende de la diferencial Vd de las entradas sino ademas del nivel medio Vc, así:Vo = V1 – V2 Vc = 1/2 (V1 + V2).Para comprender mejor esta disposición, primero se estudian las dos señales de entradapor separado, y después combinadas. Como siempre la tensión diferencial Vd = 0 y lacorriente de entrada en los terminales es cero.Recordar que Vd = V(+) – V(-) ==> V(-) = V(+)La tensión a la salida debida a V1 la llamaremos V01 La tensión de salida debida a V1 (suponiendo V2 = 0) valdrá: Suponiendo que V1 = 0, la salida V2, utilizando la ecuación de laganancia para el circuito inversor será: Que, aplicando el teorema de la superposición de la tensión de salida V0 =V01 + V02 y haciendo R3 = R1 y R4 = R2 tendremos que: En conclusión: y la ganancia de la etapa para señales en modo diferencial es: Esta configuración es única porque rechaza una señal común a ambasentradas. Esto se conoce como la propiedad de, tensión de entrada diferencial nula, esdecir, en el caso de que las señales V1 y V2 sean idénticas, el análisis es sencillo, V1 sedividirá entre R1 y R2, apareciendo una menor tensión V(+) en R2.
  • 14. Debido a la ganancia infinita del amplificador y a la tensión de entrada diferencial cero,una tensión igual V(-) debe aparecer en el nudo suma (-). Puesto que la red deresistencias R3 y R4 es igual a la red R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambosterminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V(-) semantenga igual a V(+); Vo estará al mismo potencial que R2, el cual, de hecho está amasa. Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse paradiscriminar componentes de ruido en modo común no deseables, mientras que seamplifican las señales que aparecen de forma diferencial. Si se cumple la relación. Puesto que, por definición, el amplificador no tiene ganancia cuando se aplicanseñales iguales en ambas entradas, la ganancia para señales en modo común es cero.Las impedancias de las dos entradas de etapa son distintas. Para la entrada no inversora(+), la impedancia de entrada es R1 + R2. La impedancia para la entrada inversora (-) esR3. La impedancia de entrada diferencial (para una fuente flotante) es la impedanciaentre las entradas, es decir, R1+R3.Seguidor de tensión.En la figura de la derecha, se puede apreciar que la señal de salida, se aplica a la entradano inversora en realimentación total, lo que según el criterio anterior, la señal Ve deentrada es similar al de salida, con lo cual no existe amplificación, lo que aparentementeno tiene sentido, sin embargo tiene su aplicación en los conversores de impedancia yaque toma la señal del circuito anterior, presentando una alta impedancia y entrega unaimpedancia prácticamente nula al circuito de carga.En general, este circuito presenta estos parámetros: Ze > 400M ; Zs = < 1 ; Ancho debanda ±1MHz.El Sumador Inversor. El sumador inversor, es una aplicación práctica dela característica de tierra virtual en el nudo suma, en la entrada V(-) del amplificadorinversor. Este es de los circuitos que probablemente sea el más utilizado, elamplificador sumador. En el sumador inversor, la suma algebraica de las tensiones decada entrada multiplicado por el factor de ganancia constante, se obtiene en la salida.
  • 15. En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V(+) está conectada amasa, por lo que la tensión V(-) estará a una masa virtual, y como la impedancia deentrada es infinita toda la corriente circulará a través de Ro y la llamaremos Io. Lo queocurre en este caso es que la corriente Ie es la suma algebraica de las corrientesproporcionadas por V1, V2 y V3, es decir: En conclusión: La ganancia global del circuito la establece la Ro, que, en estesentido, se comporta como en el amplificador inversor básico. La parte más interesantede esta configuración es el hecho de que la mezcla de señales lineales de entrada, noproduce interacción entre las entradas, puesto que todas las fuentes de señal alimentan elpunto de tierra virtual. El circuito puede admitir cualquier número de entradas.Amplificador Integrador. Una modificación del amplificador inversor, es elintegrador, mostrado en la figura, se aprovecha de esta característica. Se aplica unatensión de entrada Ve, a R1, lo que da lugar a una corriente ie. Como ocurría con elamplificador inversor, V(-) = 0, puesto que V(+) = 0 que, por tener impedancia infinitatoda la corriente de entrada ie pasa hacia el condensador Co, a esta corriente lallamamos io.Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantenerconstantemente la corriente de realimentación, io igual a ie.El elemento realimentador en el integrador es el condensador Co. Por consiguiente, lacorriente constante io, en Co da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salidaes, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar Co por el lazode realimentación.Entre las múltiples aplicaciones que tiene el amplificador operacional, es de granimportancia la del computador analógico, lo cual, consiste en la implementación ysolución de sistemas de ecuaciones lineales además de la solución de ecuacionesdiferenciales de cualquier orden.
  • 16. Amplificador Diferenciador.Otra modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en uncondensador es el diferenciador o derivador mostrado en la figura. En el que, la tensiónde salida es proporcional a la derivada de la señal de entrada Vi y a la constante detiempo (t =RC), la cual generalmente se hace igual a la unidad. Para efectos prácticos eldiferenciador proporciona variaciones en la tensión de salida ocasionadas por el ruidopara el cual es muy sensible, es la razón por la cual es poco utilizado.EL LM386El LM386 es un amplificador de potencia, diseñado para el empleo en usos de consumode voltaje bajos. La ganancia interna es puesta a 20 para mantener la parte externa encuenta baja, pero la adición de una resistencia externa y un condensador entre los pines1 y 8 aumentarán la ganancia a cualquier valor entre 20 y 200.Las entradas son referidas a tierra, mientras la salida influye automáticamente a la mitadde tensión del suministro. El drenador de potencia es de sólo 24 miliwatios aplicando unsuministro de 6 voltios, esto hace ideal el LM386 para la operación en baterías. El amplificador operacional, estáconstituido por un circuito de entrada diferencial, en el diagrama anterior se aprecian losdos transistores que forman el amplificador diferencial y también las entradas [pines 1-8] para el control de ganancia. El encapsulado DIL es de8 pines y se muestra en la figura.Para hacer al LM386 que proporcione un amplificador más versátil, dispone de dospines [1 y 8] para el control de ganancia. Con los pines 1 y 8 abiertos, una resistencia de1.35 k pone la ganancia en 20 [26 dB]. Si se pone un condensador del pin 1 al 8, como
  • 17. bypas de la resistencia interna de 1.35 k , la ganancia se acercará a 200 (46 dB). Sicolocamos una resistencia en serie con el condensador, la ganancia puede ser puesta acualquier valor entre 20 y 200. El control de ganancia también se puede hacercapacitivamente acoplando una resistencia [o FET] del pin 1 a masa.Con componentes adicionales externos, colocados en paralelo con las resistencias deregeneración internas, se puede adaptar la ganancia y la respuesta en frecuencia parausos concretos. Por ejemplo, podemos compensar la pobre respuesta de bajos delaltavoz por frecuencia, mediante la realimentación. Esto se hace con una serie RC delpin 1 a 5 (resistencia en paralelo a la interna de 15 k).Para un estimulador de bajos (bass boost) de 6 dB eficaces: R± 15 k , el valor más bajopara una buena operación estable son R = 10 k si el pin 8 está al aire. Si los pines 1 y8 se evitan, entonces la R puede ser usada tan baja como 2 k. Esta restricción es porqueel amplificador sólo es compensado para ganancias en lazo cerrado mayor de 9.El esquema muestra que ambas entradas [2-3], están puestas a masa con una resistenciade 50 k . La corriente de base de los transistores de entrada es aproximadamente de250 nA, entonces las entradas están en aproximadamente 12.5 mV cuando estánabiertas. Si la resistencia de la fuente dc que maneja el LM386 es más alta de 250 kesto contribuirá una muy pequeña compensación adicional (aproximadamente 2.5 mVen la entrada, 50 mV en la salida). Si la resistencia de la fuente dc es menos de 10 k,podemos eliminar el exceso compensado, poniendo una resistencia de la entrada nousada a masa, mantendrá la compensación baja (aproximadamente 2.5 mV en la entraday 50 mV en la salida).Para resistencias de fuente dc menor de 10 k, podemos eliminar el exceso compensado,poniendo una resistencia de la entrada no usada a masa, igual al valor de la resistenciade la fuente dc. Desde luego todos los problemas de compensación son eliminados si esacoplada la entrada capacitivamente. Usando el LM386 con ganancias más altas(evitando la resistencia de 1.35 k entre pines 1 y 8 es necesario evitar la entrada nousada, previniendo la degradación de ganancia e inestabilidades posibles. Esto se hacecon un condensador de 0,1 uF o un corto a masa según la resistencia de la fuente dcsobre la entrada manejada.Esta bién, veamos algunos circuitos típicos: En el circuito amplificador de la figura anterior, laganancia es de 20, que es el valor mínimo que se consigue al dejar libres los terminales
  • 18. 1 y 8. Sin embargo si lo que queremos es una ganancia Av de 200, debemos conectar uncondensador entre los mencionados terminales, como se aprecia en la siguiente figura. En caso de necesitar una Av intermedia, porejemplo 50, debemos conectar una resistencia en serie con el condensador, como seaprecia en la figura que sigue. En estas páginas se ha usado este dispositivocomo amplificador de salida de baja frecuencia en la aplicación etapa final delestetoscopio electrónico, en esa ocasión se probó con una ganancia de 200 y luego sebajo a 20, parece que en ese momento era suficiente. Existen muchas aplicaciones endistintos medios electrónicos para este dispositivo.De todos modos si está interesado en conocer más a fondo los circuitos amplificadoresoperacionales, le recomiendo que adquiera el libro, Circuitos Integrados Lineales de laeditorial Paraninfo.