Download pdf - Fundamentos de Lógica Digital_ Suplemento # 6_ El Amplificador Operacional

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


3:EllgebraBoleana

3A:Problemasresueltos

3B:Problemasresueltos

4:ElmapadeKarnaugh


5:ElflipflopRS.Memorias.Multivibradores


6:ElflipflopJK.Contadores

6A:Problemasresueltos

6B:Problemasresueltos

7:TpicosEspeciales


8:LgicaMultivaluada


Suplemento#1:Lasfamiliaslgicas

Suplemento#2:ElmicroprocesadorP

Suplemento#3:Cmotrabaja

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FundamentosdeLgicaDigital



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



(+).

Precaucin:LostrminosterminalinversorayterminalnoinversoraenunamplificadoroperacionalnotienenabsolutamentenadaqueverconlasdefinicionesusadasenelmundodeloscircuitoslgicosenrelacinconelbloqueNOT.

Elsmbolotriangularutilizadopararepresentarunamplificadoroperacionalencierracmodamenteparanosotrosalgoqueesesencialmenteuncircuitoanalgicoalgocomplejo,cuyoesquemticodetalladoeselsiguiente:

Aunqueelamplificadoroperacionallopodemosusarcomouna"cajanegra"sintenerquepreocuparnosporlosdetallesinternosquemuestraesteltimodiagrama,decualquiermodotenemosquesabercmollevaracaboconexionesexternasalmismoparapoderobtenerdelmismoalgunasfuncionesanalgicasquenospuedanserdeutilidad.Comosunombreloindica,estecomponenteesunamplificador,unamplificadordeunasealanalgicaquepuedevariarcontinuamenteentreunrangodevalores.Yalamplificarlaseal,lopuedehacerinvirtiendolapolaridaddelasealconrespectoalasealdeentrada(convirtiendolosvaloresdevoltajepositivosanegativos,ylosvaloresdevoltajenegativosapositivos),encuyocasolousamoscomoamplificadorinversor,odejandoquelapolaridaddelasealdesalidasemantengaconlamismapolaridadquelasealdeentrada,oseacomounamplificadornoinversor.Parapoderutilizarloencualquieradeestasdosmaneras,esnecesarioconectarleacadaconfiguracinunasresistenciaselctricasexternascomolomuestranlossiguientesdiagramas:



Eneldiagramasuperiortenemosunamplificadorinversor,yeneldiagramainferiortenemosunamplificadornoinversor.Antesdeentrarendetallessobreelfuncionamientodeestoscircuitos,observemosprimeroqueparapodertrabajaradecuadamenteelamplificadoroperacionalrequierededosvoltajes,unvoltajepositivo+Vaplicadoenlaterminal7,yunvoltajenegativoVaplicadoenlaterminal4.Sifueramosaproporcionarestosvoltajesconbaterasexternasdemodotalqueelvoltajepositivosea+V=+15voltsyelvoltajenegativoseaV=15volts,loharamosutilizandoalgocomolosiguiente:

Obsrveseenlosdiagramosdelosdoscircuitosamplificadoresmostradosarribaquenoesnecesarioconectarningunadelasterminalesdelamplificadoroperacionalalpuntointermedioentrelasdosbaterasdesignadoenelesquemticocomolatierraelctrica.Una



fuentedualdevoltajesfcildeimplementarcondosbaterasdesechablesproporcionandounvoltajepositivo+V=+9voltsyunvoltajenegativoV=9voltsseralasiguiente:

Sinembargo,comoladesventajadeunafuentedualdevoltajesconstrudaconbaterasdesechablesesquelasbaterastienenunavidadeusolimitada,paraundiseofijoquenoseestarmoviendomuchodeunlugaraotrosepuedeconstrurunafuentedualdevoltajesalimentadaconcorrientealternadelneacomolaquesemuestraacontinuacin:

Regresemosahoraaloscircuitosamplificadores.Lasealdeentradaunavezamplificadaserproporcionadaporelamplificadoroperacionaluopampensuterminaldesalida6(output).Laganancia(gain)delopampeslamedidadelaamplificacindevoltajedelcircuitoysedefinesimplementecomoelvalorinstantneodelvoltajedesalidaVoutenlaterminal6entreelvalordelvoltajeVindeentrada:



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:



Elopamptienemuchsimasotrasaplicacionesparamuchsimosotrosdiseosademsdelusoqueseleacabadedararribaparaconstruramplificadoresdeseal.Amaneradeejemplo,acontinuacintenemosundiseoenelcualelopampestsiendousadoparaconstrurunamplificadorparaunasealdeaudio:

Yenelsiguientecircuito,tenemosundiseoquenospermiteconvertirunamedicindetemperaturaenunamedicindevoltaje,paralocualutilizamosuncomponentetransductor,elconocidosensordetemperaturaAD590fabricadoporlaempresaAnalogueDevices:



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



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



dondeesobvioqueestamosutilizandounasolafuentedepoderde+15voltssinnecesidaddetenerqueutilizarunafuentedepoderde15volts:

Elamplificadoroperacional,conelapoyodeunoscuantoscomponentespasivosexternos(resistenciasy/ocondensadores)puedellevaracabooperacionesaritmticasdesuma,resta,multiplicacin,einclusivelasoperacionesdediferenciacineintegracinpropiasdelclculoinfinitesimal.Esporestomismoquenohacemuchotiempo,todavahastalasdcadasdelossetentasylosochentas,losamplificadoresoperacionalesjuntoconcomponentespasivosadicionaleseranutilizadoscomolosbloquesfundamentalesdecomputadorasanalgicasconelfindepoderresolverproblemasmatemticosqueinclusiveinvolucrabanlasimulacindesistemasfsicosmodeladosporalgoconocidoenelcampodelasmatemticascomoecuacionesdiferenciales,lascualessonfrmulasmatemticasqueinvolucranderivadascomolassiguientes:

Ladesventajadeutilizaramplificadoresoperacionalespararesolverestetipodeproblemasesquelosresultadostienenunaprecisinlimitadaa



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



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

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