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AMPLIFICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

PROYECTO FINAL

DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE AUDIO CLASE AB CON VÚMETRO RÍTMICO

INGENIERO:

CARLOS OJEDA NAVA

ESTUDIANTES:

MENDOZA GARCIA DAVID

REYES REYES ALMA LAURA

TAPIA DE LA CRUZ JORGE EDUARDO

10/JUNIO/2015-1

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ÍNDICEINTRODUCCIÓN:........................................................................................................3OBJETIVO:................................................................................................................4

DESARROLLO........................................................................................................4EVOLUCIÓN DE LOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA.............................................4AMPLIFICADOR EN CLASE AB.................................................................................4TRANSISTORES EN SIMETRÍA COMPLEMENTARIA...................................................6DISTORSIÓN DE CRUCE.........................................................................................6POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR PUSH-PULL PARA OPERACIÓN EN CLASE AB. .7AMPLIFICADOR CLASE AB DARLINGTON.................................................................8

DISEÑÓ DE AMPLIFICACIÓN DE POTENCIA PARA AUDIO..........................................91. CÁLCULO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.....................................................102. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSISTORES......................................................103. CARACTERÍSTICAS DE LAS RESISTENCIAS R7 Y R8..........................................114. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSISTORES Q3 Y Q4.........................................125. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA R5 y R6.............................................................12

AMPLIFICADOR CLASE AB DARLINGTON.................................................................13Capacitor en paralelo con (Re)............................................................................14Capacitor de acoplamiento..................................................................................14Capacitor de salida..............................................................................................14Capacitor C2.......................................................................................................15DISEÑO DE PREAMPLIFICADOR CLASE A..............................................................16SE DETERMINA EL PUNTO Q DE OPERACIÓN PARA EL CIRCUITO..........................18ANÁLISIS EN CD...................................................................................................18RECTA DE CARGA Y GRÁFICA..............................................................................19ANÁLISIS EN C.A...................................................................................................20GANANCIA DE VOLTAJE........................................................................................21

VÚMETRO CON LEDS...............................................................................................22DISEÑÓ DEL CIRCUITO VÚMETRO CON LEDS........................................................23PRUEBA FINAL EN EL LABORATORIO....................................................................25CONCLUSIONES...................................................................................................26BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................26APÉNDICE............................................................................................................27

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INTRODUCCIÓN:

Hasta ahora se han considerado los elementos activos (transistores) como dispositivos lineales, debido a que en pequeña señal se producen pocas variaciones alrededor del punto de trabajo. Esta situación no se produce en los amplificadores de potencia ya que éstos deben proporcionar una señal de salida grande, por lo que debe tenerse en cuenta toda la característica de transferencia. Por eso, este tipo de amplificadores se llaman también amplificadores de gran señal.

La etapa de salida de los amplificadores es la encargada de suministrar a la carga señales poco distorsionadas y con estos conceptos se aplican en el diseño y construcción de un amplificador de potencia.

La construcción de un amplificador de potencia para audio de 30W a 8 Ω de resistencia. En él se exponen los fundamentos básicos de los amplificadores de potencia, utilizando exclusivamente componentes básicos, tales como resistencias, capacitores y transistores; la amplificación se realizara mediante el llamado amplificador clase AB, cuya característica principal yace en la pequeña corriente de polarización que se inyecta para que los transistores involucrados estén transmitiendo a la llegada de la señal.

De igual forma se demuestran los cálculos efectuados para garantiza la estabilidad del punto de funcionamiento, lo que significa que los transistores no entren a corte, para ello se realiza el espejo de corriente. El tema del trabajo se refiere a la medición real y virtual de parámetros en un circuito que incorpora elementos pasivos como resistores y elementos activos como los transistores BJT (BD135) y transistores Darlington (TIP31 TIP32).

Finalmente también se empleara el diseño de un Vúmetro con leds para este proyecto estudiaremos el circuito integrado LM3914.

Un vúmetro es un dispositivo que se usa a menudo en equipos de audio, su función es mostrar el nivel de la señal en unidades de volumen (VU).

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OBJETIVO:

Diseñar y ensamblar un amplificador de potencia para audio de 30 Watts teniendo en cuenta los factores que intervienen.

Utilizar los conocimientos adquiridos durante el curso para calcular los valores de resistores, corrientes, voltajes etc.

Utilizar las características de los transistores en un diseño implementado que permite controlar un vúmetro rítmico.

DESARROLLO

EVOLUCIÓN DE LOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA

Una vez realizada la amplificación de tensión es necesario actuar sobre el medio acústico para amplificar la onda sonora. El elemento donde se produce la conversión de las variaciones eléctricas en variaciones de presión es el altavoz. Si se quiere producir una gran variación acústica es necesario disponer de altavoces con un gran cono y para mover este cono es necesario que circule una elevada corriente. Se consigue con una etapa final. La etapa final amplifica corriente y no tensión. La etapa de potencia es una etapa amplificadora de corriente.

AMPLIFICADOR EN CLASE AB

Este tipo de amplificadores funcionan básicamente como los amplificadores en clase B, excepto en el que se inyecta una pequeña corriente de polarización para que ya estén conduciendo previamente a la llegada de la señal. No se diseñan en clase A. Se diseñan casi en corte, pero sin llegar a estar en ese estado. De esta forma se consigue eliminar la distorsión de cruce.

La principal dificultad es conseguir la estabilidad del punto de funcionamiento. (Ver figura 1).

Se debe garantizar que los transistores no entraran en corte. La mejor solución es recurrir al espejo de corriente.

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Figura 1. Funcionamiento en clase AB

El espejo de corriente se basa en la conexión en paralelo de dos diodos iguales. Si son iguales y tienen la misma curva característica, por los dos diodos circula la misma corriente puesto que los puntos de funcionamiento son idénticos. Para una misma tensión ánodo- cátodo en los dos diodos se tiene una misma corriente en cada uno de ellos.

Si el diodo y el transistor son de silicio se pueden considerar iguales la tensión en extremos del diodo y la tensión entre base y emisor. (Ver figura 2).En el siguiente esquema, la corriente que circula por el diodo es la misma que circula por la unión base emisor.

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Figura 2. Espejo de corriente

TRANSISTORES EN SIMETRÍA COMPLEMENTARIA

Los tipos más populares de amplificadores clase B push-pull que utilizan dos seguidores-emisores y fuentes de alimentación tanto una positiva como una negativa. (Ver figura 5)

Este es un amplificador complementario porque un seguidor-emisor utiliza un transistor npn y el otro un pnp, los cuales conducen en alternancias opuestas del ciclo completo de entrada. Observe que no hay voltaje de polarización de cd en la base (VB = 0). De este modo, sólo el voltaje de la señal hace que los transistores conduzcan. El transistor Q1 conduce durante el semiciclo positivo de entrada y Q2 lo hace durante el semiciclo negativo.

Figura 5 Clases B push-pull

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DISTORSIÓN DE CRUCE

Cuando el voltaje de cd en la base es cero, ambos transistores se apagan y el voltaje de la señal de entrada debe exceder VBE antes de que conduzca un transistor. Debido a esto, existe un lapso de tiempo entre las alternancias positivas y negativas de la entrada cuando ningún transistor está conduciendo, como muestra la (figura 6).

La distorsión resultante en la forma de onda de salida se llama distorsión de cruce.

Figura 6 Distorsiones de cruce en un amplificador push-pull. Los transistores conducen sólo durante partes de la entrada indicada por las áreas sombreadas.

POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR PUSH-PULL PARA OPERACIÓN EN CLASE AB

Para superar la distorsión de cruce, la polarización se ajusta para superar apenas el VBE de los transistores; esto produce una forma modificada de operación llamada clase AB. En la operación clase AB, las etapas push-pull se polarizan para una leve conducción, aun cuando no esté ninguna señal presente. Esto se puede hacer con una configuración de divisor de voltaje y diodo, como muestra la figura 7.

Cuando las características de D1 y D2 llegan a ser casi iguales a las características de las uniones base-emisor, la corriente en los diodos y la corriente en los transistores son las mismas; esto se conoce como espejo de corriente.

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Este espejo de corriente produce la operación clase AB deseada y elimina la distorsión de cruce.

Figura 7 Polarización del amplificador push-pull con polarización mediante diodo como espejo de corriente para eliminar la distorsión de cruce. Los transistores forman una simetría complementaria (un npn y un pnp).

AMPLIFICADOR CLASE AB DARLINGTON

Figura 8 Amplificador Darlington clase AB push-pull.

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DISEÑÓ DE AMPLIFICACIÓN DE POTENCIA PARA AUDIO

Se va a diseñar un amplificador de potencia para audio, en contrafase y funcionando en clase AB. Se ha elegido una potencia de 30 W y una pequeña etapa de acondicionamiento compuesta principalmente por un transistor.

La frecuencia inferior de corte se elige de 20 Hz. El esquema que se va a justificar es el indicado en la (figura 4).

Figura 4 Diseño de Amplificador de potencia

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1. CÁLCULO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

V CC= √2 (8Ω )∗50W

V CC =29.2 v

El anterior valor hallado para la fuente de alimentación de 29.2 V se aproxima a 30V, lo que garantiza que el sistema no se sature, y será bajo este valor sobre el cual continuaran los siguientes pasos a excepción del cálculo requerido para hallar la corriente que debe suministrar la fuente, como se verá a continuación.

La corriente máxima que deberá suministrar cada fuente será:

2. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSISTORES

Los transistores Q2 y Q3 tendrán las siguientes características:

V ce ≥ 30 V

I c ≥ 3.5A

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Los transistores de potencia TIP31 y TIP32 de acuerdo al Data Sheet nos garantizan estos valores (ver Ilustración 1).

Ilustración 1 Data Sheet TIP 31 TIP 32

3. CARACTERÍSTICAS DE LAS RESISTENCIAS R7 Y R8.

Las resistencias R9 y R11 se eligen de 0.47 ohm. Al ser de potencia, es necesario calcular la potencia disipada.

PR9= V * I

PR9= R*I 2

PR9= 0.47*3.52

PR9= 4 W

R9 y R1 son resistencias de 0.47Ω y con una capacidad de disipación de 4 W.

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4. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSISTORES Q3 Y Q4. Q2 es un transistor NPN en configuración Darlington junto con Q3.Q4 es un transistor PNP en configuración Darlington junto con Q5.

Q2 y Q3 equivalen a un transistor NPN de:

β=β 2∗β 3

Q4 y Q5 equivalen a un transistor NPN de:

β=β 4∗β 5

5. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA R5 y R6

Para calcular R5 se necesita saber la corriente y la diferencia de potencial en los extremos. En reposo, la tensión en RL es 0 v.

Despreciando la caída de tensión en la resistencia de 0.47Ω, la tensión en la base de Q4 es de 1.4v

El valor máximo de la corriente por la base es:

Ib=Ic

β1∗β2 =3

20∗200 = 0.7 mA

Garantizando la corriente que deberá circular si colocáramos un el transistor Q2 adicional a la que circulará por los diodos, la corriente que se tomará es de aproximadamente 5 veces mayor a la hallada con anterioridad:

Ib1≅ 5 * IbIb1= 3.5mA

R5=Vcc−2(Vbe)Ib 1

= 30−2 (1.4 )3.5mA

= 7.77 k

R5 = R6 Por simetría

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AMPLIFICADOR CLASE AB DARLINGTON

En muchas aplicaciones donde se utiliza la configuración push-pull, la resistencia de carga es relativamente pequeña. Por ejemplo, una altavoz de 8 Ω es una carga común para un amplificador clase AB push-pull. (Ver figura 5)

Como se vio en el ejemplo previo, los amplificadores push-pull pueden presentar una resistencia de entrada bastante baja al amplificador precedente que lo excita.

Figura 5 Amplificador Darlington clase AB push-pull

Rent(total)1=R1//R2//βca(r´e)

β=220

r’e=25mv40ma=0.625

Rent(Total)=12kΩ//4.70kΩ//220(0.625Ω)

Rent(Total)=120.5Ω

Capacitor en paralelo con (Re)

Xc=ℜ10=

22010 =22Ω

CE=1

2πfXc = 1

2π (20Hz)(22Ω)

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CE=361.7µF ≈ VALOR COMERCIAL≈ CE=470𝛍F

Capacitor de acoplamientoxc 1=Rc//R8//R7//Rent

XC 1=470//10kΩ//10kΩ//137.5Ω

XC 1=104Ω

C=1

2πf xc=

12π (20Hz)(104Ω)

C=76𝛍F≈VALOR COMERCIAL≈ C=100𝛍F

Nota: Rent=βCar’e=220(0.625)=137.5Ω

Capacitor de salidaX S=O.47Ω//0.47Ω//8Ω//29.25Ω

X S=228.3mΩ

CS=1

2π f XS=

12π (20HZ)(228.3mΩ)=34𝛍F ≈ VALOR COMERCIAL

Capacitor C2

XC=R8//R7//Rent

Rent=β(r’e+RL )

Rent=642(1+8)

Rent=36.8KΩ

R=10KΩ//10KΩ//36.8KΩ

R=4.4KΩ

XC=0.1(R)

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XC=0.1(4.4KΩ)

XC=440

C2=1

2πf XC=

12π (20)(440)

C2=18𝛍F≈ C2=C3=22𝛍F

DISEÑO DE PREAMPLIFICADOR CLASE A

Condiciones de diseño acuerdo a su datasheet BD135 obtenemos nuestra Ic. Para obtener su máxima ganancia.Ic =40 mAVce=11 VVcc=30V

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Ilustración 2 Data Sheet de; transistor BD135

Utilizaremos un amplificador clase A con divisor de voltaje.

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Calculo de RE y RC Se elige una corriente de colector de 40 mA, un punto de funcionamiento en clase A y una tensión de emisor de 8 V. A partir de estos datos se diseñan las resistencias:

RE = VeIc = 8v

40mA = 200 Ω comercial ≈ 220 Ω

Rc = VCC−VceQ1.1 Ic =

30v−11 v1.1(40mA ) = 437.81 Ω comercial ≈ 470 Ω

RB = Rth = 0.1 ( β+1¿ℜ = 0.1 (200+1) (220 Ω) = 4642 Ω

R1 = VccVth Rth =

30v8.7v

(4642Ω )=14.87Ωcomercial≈16k Ω

Vth= 0.7 + (40 mA) (200) = 8.7 v

R2 = Rth∗R1R1−Rth =

(4642 )(14.87 k )14.87 k−46.42

= 4.65k Ω comercial ≈5 k Ω

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SE DETERMINA EL PUNTO Q DE OPERACIÓN PARA EL CIRCUITO

ANÁLISIS EN CD

Figura 6 Se representa las direcciones de las corrientes.

La resistencia de cd de entrada en la base se determina de la siguiente manera:

Rent (Base) = βCDRE = (200) (220 Ω)= 44K Ω

IR1 ≅ IR2 = 30

5K+16K =1.4 mA

VB = (1.4 mA) (5k Ω)= 7.14 v

VE = 7.14 – 0.7 = 6.4 v

IE = 6.4 v220Ω = 29.27mA

IE≅ Ic= 29.27 mA

Malla de Salida

Vcc – Ic (Rc) – Vce –IE (RE)

30 - 470(29.27mA) – Vce – 29.27mA (220 Ω)

Vce = 9.8v

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RECTA DE CARGA Y GRÁFICA

Figura. 7 Variaciones de la corriente en el colector y del voltaje en el colector con respecto al emisor, a consecuencia de una variación de la corriente en la base.

Ic = 1

Rc ℜ (Vce) + Vcc

Rc+ℜ

Vce = 0

Ic = Vcc

Rc+ℜ = 30

470+220 = 43.47 mA

Cuando Ic = 0 Vce = Vcc = 30v

IB = Icβ =

29.27mA200 = 146.35 μ A

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ANÁLISIS EN C.A

Para analizar la operación de un amplificador con señal de c.a, se desarrolla un circuito equivalente en c.a de la siguiente manera:

1. Los capacitores C1, C2 y C3 son reemplazados por cortos efectivos porque sus valores se seleccionan de modo que XC sea despreciable a la frecuencia de la señal y se pueda considerar que es de 0 Ω.

2. La fuente de cd es reemplazada por tierra.

Circuito equivalente en c.a del amplificador de la figura 6

Determine la resistencia de ca en el emisor.

r ´e = ≅25mA

IE = 25mA29.27 = 0.854 Ω

Rent (total) = R1 II R2 II Rent (Base) = 1

116k

+ 15k

+ 1470

= 418.38 Ω

El voltaje de la fuente se divide entre Rs y Rent(tot), de modo que el voltaje de señal en la base es el voltaje a través de Rent(tot).

Vb = Rent (tot )

Rs+Rent (tot ) Vs = 418.38

32+418.38 500mA= 464.47mV

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Como se puede ver, existe una atenuación (reducción) significativa del voltaje de la fuente debido a la resistencia de ésta y a la resistencia de entrada del amplificador que se combinan para actuar como divisor de voltaje.

GANANCIA DE VOLTAJE

La ganancia es el cociente de un voltaje de salida de ca en el colector (Vc) entre el voltaje de entrada de ca en la base (Vb). (ver figura 8)

Figura 8 Circuito modelo para obtener ganancia de voltaje en ca.

Av= Rcr´ e =

4700.854 = 550.35

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VÚMETRO CON LEDS.Para este proyecto estudiaremos el circuito integrado LM3914 (Ver figura 9).

Un vúmetro es un dispositivo que se usa a menudo en equipos de audio, su función es mostrar el nivel de la señal en unidades de volumen (VU).

Este vúmetro está construido a base del circuito integrado LM3914 que no es más que un conjunto de amplificadores operacionales configurados como comparadores en cascada.

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Figura 9 Circuito integrado LM3914

Se conecta en paralelo a los bornes de un parlante, o entrada de un amplificador.

Dada a la alta impedancia de este integrado de 10MΩ en relación al rango entre 4Ω a 8Ω que soportan los equipos de audio, la conexión de este circuito no produce ningún efecto de sobrecarga por lo que puede ser conectado sin temor alguno.

Este circuito integrado ofrece 2 modos para mostrar el vúmetro, el modo barra que es cuando los leds se van encendiendo uno a continuación del anterior o el modo punto que se enciende un solo led y se va desplazando según la señal.

El LM3914 soporta un rango de tensión de 3V a 35V, pero para esta aplicación usaremos un regulador de voltaje LM7805 para tener una tensión de 5V.

¿Por qué?

Supongamos que lo alimentamos con 12V, el LM3914 debe disipar una potencia de (12V led)*0.018 aproximadamente 0.2W por cada led encendido, si está en modo barra, al tener todos los led encendidos serian casi 2W para disipar, más que suficiente para que el LM3914 hierva de temperatura. Por eso se pretende usar un voltaje seguro para el integrado.

DISEÑÓ DEL CIRCUITO VÚMETRO CON LEDS.

El circuito consta de 3 etapas (ver figura 10):

La primera es la de alimentación, tiene un regulador fijo a 5V con 2 capacitores que son de estabilización.

La segunda etapa es un filtrado de la señal de audio que ingresa, previa a la entrada al LM3914, se puede colocar la entrada de audio directamente al potenciómetro, pero se le coloca por la siguiente razón; estos circuitos integrados son demasiado rápidos para responder al audio, se probó en primera instancia sin un filtrado de la señal, lo que sucedió al ingresar el

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audio en modo barra algunos leds de los niveles superiores encendían muy poco cuando deberían estar completamente apagados, y el modo punto directamente no se apreciaba, entonces se filtra la señal de audio para obtener un efecto visual más preciso y estético en ambos modo.

La etapa 3 que es en donde está el integrado LM3914, con su resistencia de 470 ohm que determina el brillo de los leds, el potenciómetro de 10k que regula el rango de trabajo del vúmetro en función del nivel de la señal de audio y el interruptor deslizable para cambiar de modo, de manera que si está conectado el pin 9 del LM3914 a los 5V está en modo barra y si se desconecta, en modo punto (ojo el pin 9 al aire, no a gnd).

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Figura 10 “Diseñó del circuito vúmetro con leds”

PRUEBA FINAL EN EL LABORATORIO

Se conecta un generador de señales a la entrada para excitar la primera etapa. Condiciones son 50mVp con una frecuencia de 20 Hz.

Foto 1 Diseño de un amplificador de audio clase ab con vúmetro rítmico ya terminado.

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Foto 2 Se observa en el osciloscopio la señal de entrada de color amarillo y en azul la señal de salida ya amplificada.

CONCLUSIONES

En el presente proyecto se seleccionó y analizó un amplificador de potencia clase AB. Para esto se requirió de una extensa revisión bibliográfica, de la que se Obtuvo los conocimientos necesarios para realizar un estudio a fondo del amplificador, esto para entender el comportamiento general del circuito, para hacer que su implementación fuera más sencilla. Más detalladamente, se analizó cada una de las 2 etapas que componen un amplificador de audio.

Se comparó el comportamiento obtenido experimentalmente, con el comportamiento descrito en la teoría y en las simulaciones realizadas. Midiendo parámetros importantes de cada etapa, especialmente la corriente y el voltaje al que son polarizados cada transistor. Los cuales están muy apegados a los valores teóricos.

BIBLIOGRAFÍA

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BOYLESTAD, ROBERT L. y NASHELSKY, LOUIS. Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. EARSON EDUCACIÓN, México, 2009.ISBN: 978-607-442-292-4 Área: Ingeniería. pp[161-190].

FLOYD, THOMAS L.Dispositivos electrónicos Octava edición. PEARSON EDUCACIÓN, México, 2008. ISBN: 978-970-26-1193-6 Área: Ingeniería.pp[216-251]

SAVANT JR, Diseño electrónico y sistemas. Tercera edición, Pearson educación, México ,2000.

APÉNDICE

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