fundamentos de lógica digital_ suplemento # 6_ el amplificador operacional
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30/5/2015 FundamentosdeLgicaDigital:Suplemento#6:Elamplificadoroperacional
http://logicadigital.blogspot.com/2007/11/suplemento6elamplificador.html 1/12
LU N E S , 1 9 D E N O V I E MB RE D E 2 0 0 7
Suplemento#6:Elamplificadoroperacional
Laenormeventajadeloscircuitoslgicosesquenoserequieretenermuchosconocimientosdeelectrnicaparapodercomprendercmotrabajanfuncionalmentedichoscircuitos.Yenefecto,enlosochocaptulosprincipalesdellibro,prcticamentenosetocgrancosaquetuvieraqueverconcuestioneselctricas,exceptuandoelhechodequeporlogeneralidentificbamosunvalordeun"1"lgicoconunvoltajegeneralmentepositivo(como+5volts)yun"0"lgicoconunniveldecerovolts,elequivalentea"tierra"elctricaqueenunabateranovendrasiendomsqueelpolonegativodelabateramarcadoconelsignomenos().Nohuboningunanecesidaddeentrarendetallestalescomoresistenciaselctricas,capacitores,inductores,laleydeOhm,potenciaelctrica,amperaje,etc.Pudimosavanzarmuybiensobretodosloscaptulossintenerqueincursionarenestosdetalles.
Existenmuchossistemasdigitalesenlosquelamayoradelsistemabasasufuncionamientoenelectrnicapuramentedigital.Lascomputadorasdeescritoriosonunbuenejemplodeello.Sinposeerconocimientosdetalladosdeelectrnica,cualquieraquehayaasimiladolosprincipiosesencialesdellibropuedemuybienensamblaruncircuitolgico,comprarenelmercadounafuentedepoderqueproporcionelosvoltajesrequeridosparaqueloscomponentesdelcircuitopuedantrabajar,yconectartododemodoapropiadoparaquepuedafuncionar.
Sinembargo,existentambinsistemasenloscualesesnecesariointerconectarcomponentespropiosdelaelectrnicadigital(bloquesAND,ORyNOT)quesiempretrabajanconvaloresdiscretosdevoltaje,concomponentespropiosdelaelectrnicaanalgica,endondesetrabajaconvoltajesquepuedenvariarcontinuamenteentredoslmitespudiendotomarcualquiervalorposibleentredichoslmites.Estossistemassonesencialmentesistemashbridosquecombinanenunsolodiseoaspectosdelaelectrnicadigitalydelaelectrnicaanalgica.
Eltextoprincipaldellibronopresuponedepartedellectorconocimientoalgunodeelectrnicaanalgica.Sinembargo,nosedescartala
A RC H I V O D E L B LO G
2007(33)noviembre(33)
PrefacioalapublicacinenInternet
Prlogoallibro
Contenidos
1:Lanumeracinbinaria
1:Problemasresueltos
2:Lastresfuncioneslgicasbsicas
2:Problemasresueltos
3:EllgebraBoleana
3A:Problemasresueltos
3B:Problemasresueltos
4:ElmapadeKarnaugh
4:Problemasresueltos
5:ElflipflopRS.Memorias.Multivibradores
5:Problemasresueltos
6:ElflipflopJK.Contadores
6A:Problemasresueltos
6B:Problemasresueltos
7:TpicosEspeciales
7:Problemasresueltos
8:LgicaMultivaluada
8:Problemasresueltos
Suplemento#1:Lasfamiliaslgicas
Suplemento#2:ElmicroprocesadorP
Suplemento#3:Cmotrabaja
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FundamentosdeLgicaDigital
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posibilidaddequeentreloslectoreshayatcnicosconalgunosconocimientosbsicosdeelectrnicaanalgicaqueestntalvezinteresadoseninstrurseunpocomsenaquelloscircuitosintegradosconloscualesloscircuitosintegradospropiosdelaelectrnicadigitalsueleninteractuar.EsconesteauditorioenmentequesehapreparadoesteSuplementoquetratasobreunodeloscomponentesmsverstilesparaeldiseosdecircuitosanalgicos:elamplificadoroperacional.
AscomoenlafamilialgicadecircuitosintegradosTTLelcircuitointegrado7400eselcomponentefundamentaldereferenciadelcualpartentodoslosdems,yascomoenenelmundodelosmicroprocesadoreselmicroprocesador8008marclapautaaseguirportodoslosdemsmicroprocesadoresquelesucedieron,delmismomodoenelmundodelosamplificadoresoperacionaleselpuntodereferenciaesunamplificadordesignadoconelnmero741.
Sifuramosacomprarenelmercadounamplificadoroperacional741fabricadoporlaempresaMotorola,dichocomponentetendraelsiguienteaspectofsico:
Eldiagramaesquemticodeestecircuitointegradoenrelacinconsusochoterminalesmuestralassiguientesdesignacionesfuncionalesdecadaunadedichasterminaleso"pins":
Esencialmente,elamplificadoroperacionalesrepresentadoenlosdiagramasesquemticostalycomosemuestraarriba,comountringulo,condosterminalesdeentrada,unaentradainversora(invertinginput)identificadaconunsmbolomenos()yunaterminalnoinversora(noninvertinginput)identificadaconunsmboloms
elmicroprocesador
Suplemento#4a:LasinstruccionesdelP8086
Suplemento#4b:Programacindelmicroprocesador
Suplemento#5:Lascomunicacionesasncronas
Suplemento#6:Elamplificadoroperacional
Suplemento#7:Eltemporizador555
Suplemento#8:ElPLC.DiagramasdeEscalera
Suplemento#9:MquinasMoore.MquinasMealy.
Bibliografa
Indice(enlaces)
D A TO S P E R S O N A LE S
ARMANDOMARTNEZTLLEZ
VERTODO MIPERFIL
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(+).
Precaucin:LostrminosterminalinversorayterminalnoinversoraenunamplificadoroperacionalnotienenabsolutamentenadaqueverconlasdefinicionesusadasenelmundodeloscircuitoslgicosenrelacinconelbloqueNOT.
Elsmbolotriangularutilizadopararepresentarunamplificadoroperacionalencierracmodamenteparanosotrosalgoqueesesencialmenteuncircuitoanalgicoalgocomplejo,cuyoesquemticodetalladoeselsiguiente:
Aunqueelamplificadoroperacionallopodemosusarcomouna"cajanegra"sintenerquepreocuparnosporlosdetallesinternosquemuestraesteltimodiagrama,decualquiermodotenemosquesabercmollevaracaboconexionesexternasalmismoparapoderobtenerdelmismoalgunasfuncionesanalgicasquenospuedanserdeutilidad.Comosunombreloindica,estecomponenteesunamplificador,unamplificadordeunasealanalgicaquepuedevariarcontinuamenteentreunrangodevalores.Yalamplificarlaseal,lopuedehacerinvirtiendolapolaridaddelasealconrespectoalasealdeentrada(convirtiendolosvaloresdevoltajepositivosanegativos,ylosvaloresdevoltajenegativosapositivos),encuyocasolousamoscomoamplificadorinversor,odejandoquelapolaridaddelasealdesalidasemantengaconlamismapolaridadquelasealdeentrada,oseacomounamplificadornoinversor.Parapoderutilizarloencualquieradeestasdosmaneras,esnecesarioconectarleacadaconfiguracinunasresistenciaselctricasexternascomolomuestranlossiguientesdiagramas:
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Eneldiagramasuperiortenemosunamplificadorinversor,yeneldiagramainferiortenemosunamplificadornoinversor.Antesdeentrarendetallessobreelfuncionamientodeestoscircuitos,observemosprimeroqueparapodertrabajaradecuadamenteelamplificadoroperacionalrequierededosvoltajes,unvoltajepositivo+Vaplicadoenlaterminal7,yunvoltajenegativoVaplicadoenlaterminal4.Sifueramosaproporcionarestosvoltajesconbaterasexternasdemodotalqueelvoltajepositivosea+V=+15voltsyelvoltajenegativoseaV=15volts,loharamosutilizandoalgocomolosiguiente:
Obsrveseenlosdiagramosdelosdoscircuitosamplificadoresmostradosarribaquenoesnecesarioconectarningunadelasterminalesdelamplificadoroperacionalalpuntointermedioentrelasdosbaterasdesignadoenelesquemticocomolatierraelctrica.Una
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fuentedualdevoltajesfcildeimplementarcondosbaterasdesechablesproporcionandounvoltajepositivo+V=+9voltsyunvoltajenegativoV=9voltsseralasiguiente:
Sinembargo,comoladesventajadeunafuentedualdevoltajesconstrudaconbaterasdesechablesesquelasbaterastienenunavidadeusolimitada,paraundiseofijoquenoseestarmoviendomuchodeunlugaraotrosepuedeconstrurunafuentedualdevoltajesalimentadaconcorrientealternadelneacomolaquesemuestraacontinuacin:
Regresemosahoraaloscircuitosamplificadores.Lasealdeentradaunavezamplificadaserproporcionadaporelamplificadoroperacionaluopampensuterminaldesalida6(output).Laganancia(gain)delopampeslamedidadelaamplificacindevoltajedelcircuitoysedefinesimplementecomoelvalorinstantneodelvoltajedesalidaVoutenlaterminal6entreelvalordelvoltajeVindeentrada:
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Deestemodo,sielvoltajedeentradaesde1voltyelvoltajedesalidaesde10volts,elopampestaramplificandolasealporunfactorde10:lasealdesalidaserdiezvecesmsgrandequelasealdeentrada.
Sieldiseoqueutilizaremossereldeunamplificadorinversor,entoncesusaremoselcircuitodesignadoarribacomo"invertingamplifier",ylasealdeentradaaseramplificadadeberseraplicadaenlaterminal2(invertinginput).Enestecaso,nosotrospodemosescogerelfactordeamplificacinmedianteunacuidadosaseleccindelasresistenciasR1yR2.Laganancia(Gain)delcircuito,comopodemos
verenlafrmulaanexaalcircuito,serigualalvalordeR2dividido
entreelvalordeR1.Siqueremosunfactordeamplificacindecinco
tantos,entonceslaresistenciaR2debersercincovecesmsgrande
quelaresistenciaR1.Unavezescogidoslosvaloresdelasresistencias
R1yR2elvalordelaresistenciaR3estarprcticamenteprefijadopor
lafrmulaquenosdiceculdebeserelvalordedicharesistencia(enalgunosdiseos,seprescindedeestaresistenciaporcompleto).Enlafrmuladelaganancia:
Gain=R2/R1
elsignomenosindicaquelapolaridaddelasealestarinvertidaconrespectoalapolaridaddelasealdeentrada,queesjustoloquedebehacerunamplificadorinversor.
Siporelcontrarioqueremosdisearunamplificadornoinversor,entoncesusamoselcircuitodesignadoarribacomo"noninvertingamplifier",ylasealdeentradaaseramplificadadeberseraplicadaenlaterminal3(noninvertinginput)directamente.AqutambinnosotrospodemosescogerelfactordeamplificacinmedianteunacuidadosaseleccindelasresistenciasR1yR2.Laganancia(Gain)del
circuito,comopodemosverenlafrmulaanexaalcircuito,seriguala1sumadoalvalordeR2divididoentreelvalordeR1.Siqueremosun
factordeamplificacindetrestantos,entonceslaresistenciaR2deber
serdosvecesmsgrandequelaresistenciaR1,locualsumadoala
unidadnosdunagananciadetres:
Gain=1+(R2/R1)=1+(2/1)=1+2=3
Losvaloresdelasresistenciasgeneralmentedebenestarseleccionadosenelrangodelosmilesdeohms(Kohms).Valoresdemasiadobajosderesistencias,situadospordebajode1Kohm,producencorrienteselctricasgrandesquepuedenproducirledaoalcircuito,mientrasquevaloresdemasiadograndesderesistencias,situadosporencimade1Megohm,inducenunefectoindeseableconocidocomoelruidotrmico(eningls,thermalnoise)oruidoJohnsonNyquist.AcontinuacintenemosunamplificadornoinversorconstrudoentornoaunopampenelcualsehanseleccionadoresistenciasR1yR2con
valoresrespectivosde1K(milohms)y15K(15milohms),conlocualobtenemosunfactordemultiplicacinde16sobrelasealdeentrada:
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Elopamptienemuchsimasotrasaplicacionesparamuchsimosotrosdiseosademsdelusoqueseleacabadedararribaparaconstruramplificadoresdeseal.Amaneradeejemplo,acontinuacintenemosundiseoenelcualelopampestsiendousadoparaconstrurunamplificadorparaunasealdeaudio:
Yenelsiguientecircuito,tenemosundiseoquenospermiteconvertirunamedicindetemperaturaenunamedicindevoltaje,paralocualutilizamosuncomponentetransductor,elconocidosensordetemperaturaAD590fabricadoporlaempresaAnalogueDevices:
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Acontinuacintenemosloqueenaudioseconocecomounfiltroactivodepasobajo:
Parauntcnicoenelectrnica,explicarelfuncionamientodeuncircuitodeestetipo,ansinlasfrmulas,norepresentagranproblema.Parafrecuenciaslosuficientementebajas,elcondensador(capacitor)C2puestoenparaleloconlaresistenciaR2actacomouncircuitoabierto,
pudiendoserignorado,conlocualloquetenemosaquesesencialmenteunamplificadorinversor.Yparafrecuenciaslosuficientementealtas,elcondensadorC2actacomouncortocircuito,
conlocualelefectoresistivodeR2quedanulificadoylaganancia,de
acuerdoconlafrmulaparaelamplificadorinversor,sevuelvecero.Enpocaspalabras,elcircuitoamplificaydejapasarlassealesdebajasfrecuencias(queenunasealdeaudiocorresponderaalossonidosbajosobass),ybloquealassealesdealtasfrecuencias.Estecomportamientoesrepresentadoconunafiguraconocidacomolacurvaderesponsivaalafrecuencia(frequencyresponsecurve)queparaunfiltrodepasobajotomalasiguienteapariencia:
Muchosusuariosdeequipodeaudiosinsaberloyaestnfamiliarizadosconestetipodecurvasderesponsivadefrequenciadebidoaquesu
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equipocuentaalfrenteensupaneldecontrolesconvariosdeslizadores(sliders)queformanpartedelecualizador(equalizer)desuaparatodeaudio,einclusivemuchosprogramasdeaudioparacomputadoracuentanconlaopcindeactivarymostrarenlapantallaunecualizadorgrfico(graphicequalizer)comoelsiguiente(elprogramadeMicrosoftconocidocomoWindowsMediaPlayerparalaejecucindearchivosdeaudioyvideoendiversosformatoscuentaconsupropioecualizadorgrficoactivabledesdelalneadelmen):
Ladisposicindeloscontrolesdeslizadoresenestetipodeobjetosnoescasualidadalguna,loscontrolesestnsituadoselunojuntoalotrodemodotalquetomadosenconjuntosugieraneltipoderesponsivadefrecuenciaqueseledaralasealdeaudio,comolomuestralagrficaderesponsivadefrecuenciadelecualizadorgrficoarribamostradosituadadebajodeloscontrolesobsrvesecmoladisposicindeloscontrolesdeslizadoresenlapartesuperiorparecesugerirlaformadelaresponsivadefrecuenciaenlaparteinferiordelecualizadorgrfico.
Esimportanteagregarqueademsdelfiltrodepasobajoarribamostrado,conelopamptambinsepuedenconstrurfiltrosdepasoalto(loscualesbloqueanlassealesdebajasfrecuenciaspermitiendoelpasodelassealesagudasdealtafrecuencia),filtrosdepasodebanda(bandpass)quepermitenpasarlasfrecuenciasintermediasdentrodeciertorango,filtrosButterworth,filtrosBessel,etc.,locualporssolorequieresertratadoenuncursoespecializadoaniveluniversitario.
Ademsdelopamp741,hayotrosopampsdisponiblesenelmercado,comoelLM324,elcualesuncircuitointegradoquecontieneelequivalentedecuatroopamps741,cuyobajocostolohacecasitanaccesiblecomoelmismo741,yelcualtieneotracaractersticamuydeseable:adiferenciadelopamp741querequierededosfuentesdepoder,unapositiva(+V)yunanegativa(V)elLM324slorequieredeunafuentedepoder.AcontinuacintenemoseldiseodeunfiltroactivodepasodebandausandounodelosopampsdelLM324,en
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dondeesobvioqueestamosutilizandounasolafuentedepoderde+15voltssinnecesidaddetenerqueutilizarunafuentedepoderde15volts:
Elamplificadoroperacional,conelapoyodeunoscuantoscomponentespasivosexternos(resistenciasy/ocondensadores)puedellevaracabooperacionesaritmticasdesuma,resta,multiplicacin,einclusivelasoperacionesdediferenciacineintegracinpropiasdelclculoinfinitesimal.Esporestomismoquenohacemuchotiempo,todavahastalasdcadasdelossetentasylosochentas,losamplificadoresoperacionalesjuntoconcomponentespasivosadicionaleseranutilizadoscomolosbloquesfundamentalesdecomputadorasanalgicasconelfindepoderresolverproblemasmatemticosqueinclusiveinvolucrabanlasimulacindesistemasfsicosmodeladosporalgoconocidoenelcampodelasmatemticascomoecuacionesdiferenciales,lascualessonfrmulasmatemticasqueinvolucranderivadascomolassiguientes:
Ladesventajadeutilizaramplificadoresoperacionalespararesolverestetipodeproblemasesquelosresultadostienenunaprecisinlimitadaa
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dosotresdgitos,porquelosvalorestantodelasentradascomodelassalidasdelasoperacionesaritmticasodelossistemafsicosqueestnsiendosimuladossonesencialmentevoltajes,valoresmedidos.Estaeslaraznporlacualeladvenimientodelascomputadorasdigitalesvolviobsoletalatecnologadelosamplificadoresoperacionalesaplicadaconoperacionesmatemticasenmente.Decualquiermodo,paraaplicacionesespecializadas,esbuenosaberqueestaposibilidadestsiempredisponible.Podemosobtenermayoresdetallesacercadelusodelosamplificadoresoperacionalesenlasolucindeproblemasmatemticosenalgnenlacecomoelsiguiente:
http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/Semi/SEMI_9.html#xtocid1561110
Parapoderobteneralguna"prctica"enelusoymanejodelosamplificadoresoperacionales,selerecomiendaallectorvisitarelsiguientesitiomantenidoporelProfesorConstantinosE.Efstathiou,DirectordelLaboratoriodeQumicaAnalticadelaUniversidadNacionalyKapodristianadeAtenas,enelcualelusuariosepuededivertir"jugando"unbuenratoconamplificadoresoperacionalessimulados:
http://www.chem.uoa.gr/applets/AppletOpAmps/Appl_OpAmps2.html
EnestapginadelProfesorEfstathiou,elsimuladordeamplificadoresoperacionalesaparecedelladoderechodelapantalla,yencuyobordeinferiorsepuedeescogerunadevariasopcionesparapoderexperimentar:InvertingAmp.(amplificadorinversor),SummingAmp(amplificadorsumador),DifferenceAmp(amplificadordediferencias)eIntegrator(integrador).Laformaenlacualtrabajaestesimuladoreslasiguiente:supngasequesequiereexperimentarunratoconlaopcinmselementaldetodas,laopcinInvertingAmp.Alseleccionarestaopcin,alaizquierdadelcircuitoestaractivadonicamenteunodeloscontroles"deslizadores",elcontrolmarcadocomoV1.Aunladodelcontrolseledanalusuariodosopcionesderangosdevoltaje,2voltsy20volts.SupngasequelasresistenciasRiyRftienenvaloresde10
K(10milohms)y100K(100milohms)respectivamente,locualdeacuerdoconlafrmuladelagananciaparauncircuitoinversordarunagananciade10.Suponiendoquesehaseleccionadolaopcinde2volts,entoncessielcontroldeslizadorestsituadojustoenelextremomedioponiendoalaentradadelcircuitounvoltajede0volts,alasalidaenelindicadornumricosimuladoleermosuntambinunvoltajede0volts,locualeradeesperarseporquenoseestllevandoacabolaamplificacindenada.Perosialaentradaponemosunvoltajede+0.25volts,alasalidatendremosunvoltajede2.5volts.Estonosindicaqueelvoltajedeentradaestsiendoamplificadodiezveces,yelcambiodesignoenlapolaridaddevoltajenosindicaqueefectivamenteseestllevandoacabounainversinenlapolaridad,locualeradeesperarseparaunamplificadorinversor.Laventajadelsimuladoresquelepodemoscambiarlosvaloresalasresistenciasparacambiarconellolagananciadelcircuito.Amaneradeejemplo,sialasresistenciasRiyRflesdamosvaloresde20K(20milohms)y100K(100mil
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Entradamsreciente Entradaantigua
ohms)respectivamente,conlocualobtendremosunagananciade4,entoncessileaplicamosalcircuitounvoltajedeentradade+0.25voltsobtendremosunvoltajealasalidade0.625volts,comoeradeesperarse.
Elcampodeaplicacionesdelosamplificadoresoperacionalesesbastanteextenso,peroellorequeriradelequivalentedeotrolibrodedicadonicayexclusivamentealtema,raznporlacualsedejarqueloslectoresinteresadosenlateoraylasaplicacionesdelosamplificadoresoperacionalesprocurenporcuentapropiamayorinformacinalrespectoyaseaenlibrosdetextoconvencionalesoatravsdeInternet.LaWikipediaproporcionainformacinadicionalsobreeltemabajoelsiguienteenlace:
http://en.wikipedia.org/wiki/741_operational_amplifier
EnlamismaWikipediapodemosencontraraplicacionesdelamplificadoroperacionalbajoelsiguienteenlace:
http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier_applications
Podemosobtenermsinformacintcnicaacercadelamplificadoroperacional741deunadelasempresasquelopopulariz,laempresajaponesaNationalSemiconductor,cuyoenlacees:
http://www.national.com/mpf/LM/LM741.html#General%20Description
PUBLICADO PORARMANDOMARTNEZTLLEZENLUNES,NOVIEMBRE19 , 2007
Pginaprincipal
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