Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales

Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales

Coughlin - Driscol

Uno de los mejores libros para entender el funcionamiento y volverse un maestro en el estudio, manejo y diseño de los amplificadores operacionales. Además contiene apéndices para que aprendas a utilizar varios de los circuitos integrados más usados en todos los circuitos electrónicos, tales como los timers 555, reguladores de voltaje, comparadores y mas…

INDICE

• Introducción A Los Amplificadores Operacionales
• Primeras Experiencias Con Un Amplificador Operacional
• Amplificadores Inversores Y No Inversores
• Comparadores Y Circuitos De Control
• Algunas Aplicaciones De Los Amplificadores Operacionales
• Generadores De Señal
• Amplificadores Operacionales Con Diodos
• Amplificadores Diferenciales, De Instrumentación Y De Puente
• Funcionamiento Para Corriente Continua: Polarización, Desviaciones Y Deriva
• Funcionamiento En Ca: Ancho De Banda, Velocidad De Respuesta, Ruido Y Compensación De Frecuencia
• Filtros Activos
• Modulación, Demodulación Y Cambio De Frecuencia Con El Multiplicador
• Circuitos Integrados Temporizadores
• Convertidores Digital A Analógico Y Analógico A Digital
• Fuentes De Alimentación
• Apéndice 1. Amplificador operacional compensado por frecuencia uA741.
• Apéndice 2. Comparador de voltaje LM311.
• Apéndice 3. Temporizador 555.
• Apéndice 4. Regulador ajustable de 3 terminales LM117.
• Apéndice 5. Notas sobre Pspice.

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CONTENIDO

• PREFACIO.
• INTRODUCCIÓN A LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES. Objetivos de aprendizaje. Introducción. ¿Todavía tienen uso los circuitos analógicos?. Sistemas analógicos y digitales. Desarrollo de los amplificadores operacionales. Los amplificadores operacionales se especializan. Amplificador operacional de propósito general 741. Símbolo de circuito y terminales. Circuitos internos simplificados en un amplificador operacional para propósito general. Etapa de entrada: amplificador diferencial. Etapa intermedia: desplazador de nivel. Etapa de salida: en contrafase. Encapsulado y terminales. Encapsulado. Combinación de símbolo y terminales. Cómo identificar o especificar un amplificador operacional. El código de identificación. Ejemplo de especificación de números para un pedido. Fuentes secundarias. Conexión de circuitos de amplificadores operacionales. La fuente de alimentación. Sugerencias para la conexión de amplificadores operacionales. Problemas.
• PRIMERAS EXPERIENCIAS CON UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Terminales de los amplificadores operacionales. Terminales de la fuente de alimentación. Terminales de salida. Terminales de entrada. Corrientes de polarización de entrada y voltaje de desvío. Ganancia de voltaje en lazo abierto. Definición. Voltaje diferencial de entrada, Ed. Conclusiones. Detectores de cruce por cero. Detector no inversor de cruce por cero. Detector inversor por cruce de cero. Detectores de nivel de voltaje positivo y negativo. Detectores de nivel positivo. Detectores de nivel negativo. Aplicaciones comunes de los detectores de nivel de voltaje. Voltaje de referencia ajustable. Interruptor activado por sonido. Voltímetro de columna luminosa. Detector de humo. Referencias de voltaje integradas. Introducción. REF-02. Aplicaciones del detector de nivel de voltaje REF-02. Procesamiento de señales con detectores de nivel de voltaje. Introducción. Convertidor de onda senoidal a cuadrada. Interface de una computadora con detectores de nivel de voltaje. Introducción. Comparador de voltaje cuádruple LM. Modulador de ancho de pulso no inversor. Moduladores de ancho de pulso inversores y no inversores. Interconexión entre un modulador de ancho de pulso y un microcontrolador. Simulación del circuito de un comparador hecho con un amplificador operacional. Introducción. Cómo crear, inicializar y simular un circuito. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• AMPLIFICADORES INVERSORES Y NO INVERSORES. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Amplificador inversor. Introducción. Voltaje positivo aplicado a la entrada inversora. Corrientes de carga y de salida. Voltaje negativo aplicado a la entrada inversora. Voltaje aplicado a la entrada inversora. Procedimiento de diseño. Procedimiento de análisis. Sumador inversor y mezclador de audio. Sumador inversor. Mezclador de audio. Nivel de CD para desviar una señal de CA. Amplificador multicanal. Por qué es necesario un amplificador multicanal. Análisis del circuito. Procedimiento de diseño. Amplificador inversor de promedio. Seguidor de voltaje. Introducción. En qué se emplea el seguidor de voltaje. El amplificador no inversor. Análisis del circuito. Procedimiento de diseño. La fuente de voltaje ideal. Definición y aclaración. La fuente de voltaje ideal no reconocida. Fuente de voltaje ideal práctica. Fuentes de voltaje exactas. Sumador no inversor. Operación con fuente de alimentación única. Amplificadores diferenciales. El restador. Amplificador inversor y no inversor. Servoamplificador. Introducción. Análisis del circuito servoamplificador. Acción de retardo. Cómo diseñar un circuito acondicionador de señal. Simulación en Pspice. Amplificador inversor: entrada de CD. Amplificador inversor: entrada de CA. Sumador inversor. Amplificador no inversor. Ejercicios de laboratorio.
• COMPARADORES Y CIRCUITOS CONTROLADORES. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Efecto del ruido en los circuitos comparadores. Retroalimentación positiva. Introducción. Voltaje de umbral superior. Voltaje de umbral inferior. Detector de cruce de cero con histéresis. Definición de histéresis. Detector de cruce de cero con histéresis como un elemento de memoria. Detectores de nivel de voltaje con histéresis. Introducción. Detector no inversor de nivel de voltaje con histéresis. Detector inversor de nivel de voltaje con histéresis. Detector de nivel de voltaje con ajuste independiente de histéresis y de voltaje central. Introducción. Circuito de control de un cargador de batería. Principios del control de apagado y encendido (on-off). Comparadores en el control de procesos. El termostato como comparador. Directrices para la selección y diseño. Un controlador con dos puntos de ajuste independientes. Principio de funcionamiento. Características de entrada y salida de un controlador con dos puntos de ajuste independientes. Selección de los voltajes del punto de ajuste. Circuito para el ajuste del voltaje de punto de ajuste independiente. Precauciones. CI Comparador de precisión, 111/311. Introducción. Operación de la terminal de salida. Operación de la terminal de habilitación. Una aplicación biomédica. Detector de ventana. Introducción. Funcionamiento del circuito. Retardo de propagación. Definición. Medición del retardo de propagación. Empleo de PSpice para modelar y simular circuitos comparadores. Simulación del detector de cruce de cero con histéresis. Detector de ventana. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• ALGUNAS APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Voltímetro de CD de alta resistencia. Circuito básico de medición de voltaje. Cambio de escala en el voltímetro. Voltímetro universal de alta resistencia. Funcionamiento del circuito. Procedimiento de diseño. Convertidores de voltaje a corriente: cargas flotantes. Control de voltaje de la corriente de carga. Probador de diodo Zener. Probador de diodos. Probador de diodo emisor de luz. Alimentación de corriente constante a una carga conectada a tierra. Convertidor de voltaje diferencial a corriente. Fuente de corriente constante alta con carga conectada a tierra. Conexión de la salida de un microcontrolador con un transmisor de 4 a 20 mA. Fuente de corriente de 4 a 20 mA con control digital. Medición de corriente de cortocircuito y conversión de corriente a voltaje. Introducción. Uso del amplificador operacional para medir corriente de cortocircuito. Medición de la corriente de fotodetectores. Celda fotoconductora. Fotodiodo. Amplificador de corriente. Mediciones de energía en celdas solares. Introducción a los problemas. Conversión de la corriente de cortocircuito de una celda solar a voltaje. Circuito divisor de corriente (convertidor de corriente a corriente). Desfasador. Introducción. Circuito desfasador. Convertidores de temperatura a voltaje. El transductor de temperatura AD590. Termómetro Celsius. Termómetro Fahrenheit. Simulación en PSpice. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• GENERADORES DE SEÑAL. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Multivibrador astable. Acción del multivibrador. Frecuencia de oscilación. Multivibrador monoestable. Introducción. Estado estable. Transición al estado de temporización. Estado de temporización. Duración del pulso de salida. Tiempo de recuperación. Generadores de onda triangular. Teoría de su funcionamiento. Frecuencia de operación. Generador unipolar de onda triangular. Generador de onda diente de sierra. Funcionamiento del circuito. Análisis de la forma de la onda diente de sierra. Procedimiento de diseño. Convertidor de voltaje a frecuencia. Modulación de frecuencia y manipulación por desplazamiento de frecuencia. Desventajas. Modulador/demodulador balanceado, el AD630. Introducción. Terminales de entrada >> salida. Formas de onda de entrada y salida. Generador de ondas triangular y cuadrada de precisión. Funcionamiento del circuito. Frecuencia de oscilación. Estudio de la generación de una onda senoidal. Generador de funciones trigonométricas universal, el AD639. Introducción. Operación de la función senoidal. Generador de onda senoidal de precisión. Funcionamiento del circuito. Frecuencia de oscilación. Generador deformas de onda de alta frecuencia. Simulación en PSpice de los circuitos generadores de señales. Multivibrador astable. Multivibrador monoestable. Generador de onda triangular bipolar. Generador de onda triangular unipolar. Ejercicios de laboratorio.
• AMPLIFICADORES OPERACIONALES CON DIODOS. Objetivos de aprendizaje. Introducción a los rectificadores de precisión. Rectificadores de media onda. Introducción. Rectificador inversor de media onda lineal con salida positiva. Rectificador inversor lineal de media onda con salida negativa. Separador de polaridad de señal. Rectificadores de precisión: circuito de valor absoluto. Introducción. Tipos de rectificadores de onda completa de precisión. Detectores de picos. Seguidor y retenedor de pico positivo. Seguidor y retenedor de pico negativo. Convertidor de CA a CD. Conversión de CA a CD o circuito MAV. Rectificador de precisión con entradas sumadoras. Convertidor de CA a CD. Circuitos de zona muerta. Introducción. Circuito de zona muerta con salida negativa. Circuito de zona muerta con salida positiva. Circuito de zona muerta y salida bipolar. Recortador de precisión. Convertidor de onda triangular a onda senoidal. Simulación en PSpice de amplificadores operacionales con diodos. Rectificador de media onda lineal. Rectificador de onda completa de precisión. Amplificador de valor medio absoluto. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• AMPLIFICADORES DIFERENCIALES, DE INSTRUMENTACIÓN Y DE PUENTE. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Amplificador diferencial básico. Introducción. Voltaje en modo común. Comparación entre amplificadores diferenciales y amplificadores de una sola entrada. Medición con amplificador de entrada única. Medición con un amplificador diferencial. Cómo mejorar el amplificador diferencial básico. Aumento de la resistencia de entrada. Ganancia ajustable. Amplificador de instrumentación. Funcionamiento del circuito. * Voltaje de salida respecto a una referencia. Detección y medición mediante el amplificador de instrumentación. Terminal de detección. Mediciones de voltaje diferencial. Convertidor de voltaje diferencial a corriente. El amplificador de instrumentación como circuito acondicionador de señal. Introducción al sensor de deformaciones. Material utilizado en el sensor de deformación. Cómo se usa la información obtenida mediante el sensor de deformación. Montaje de los sensores de deformación. Cambios en la resistencia del sensor de deformación. Medición de pequeños cambios en la resistencia. Es necesario utilizar un puente resistivo. Puente básico de resistencias. Efectos térmicos en el balance del puente. Balanceo de un puente de sensores de deformación. Técnica obvia. Una técnica mejor. Aumento en la salida del puente de sensores de deformación. Una aplicación práctica del detector de deformaciones. Medición de presión, fuerza y peso. Amplificador de puente básico. Introducción. Funcionamiento del circuito puente básico. Medición de temperatura con un circuito puente. Amplificadores de puente y computadoras. Cómo dar más versatilidad al amplificador de puente. Transductores a tierra. Transductores de corriente alta. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• FUNCIONAMIENTO EN CD: POLARIZACIÓN, DESVÍOS Y DERIVA. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Corrientes de polarización de entrada. Desvío de las corrientes de entrada. Efectos de las corrientes de polarización en el voltaje de salida. Simplificación. Efecto de una corriente de polarización en la entrada (—). Efecto de la corriente de polarización de la entrada (+). Efectos de la desviación de corriente en el voltaje de salida. Seguidor de voltaje compensado por corriente. Otros amplificadores compensados por corriente. Resumen sobre la compensación de la corriente de polarización. Voltaje de desvío de entrada. Definición y modelo. Efecto del voltaje de desvío de entrada en el voltaje de salida. Medición del voltaje de desvío de entrada. Voltaje de desvío de entrada del circuito sumador. Comparación entre la ganancia de señal y la ganancia del voltaje de desvío de entrada. Cómo no eliminar los efectos del voltaje de desvío. Anulación del efecto del voltaje de desvío y de las corrientes de polarización. Diseño o secuencia de análisis. Circuitos para la anulación del voltaje de desvío de entrada. Procedimiento para la anulación del voltaje de salida (en caso de ser necesario). Deriva. Medición del voltaje de desvío y las corrientes de polarización. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• FUNCIONAMIENTO EN CA: ANCHO DE BANDA, VELOCIDAD DE RESPUESTA Y RUIDO. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Respuesta en frecuencia del amplificador operacional. Compensación interna de frecuencia. Curva de respuesta en frecuencia. Ancho de banda de ganancia unitaria. Tiempo de subida. Ganancia del amplificador y respuesta en frecuencia. Efecto de la ganancia en lazo abierto sobre la ganancia en lazo cerrado en un amplificador que funciona en CD. Ancho de banda para pequeña señal y límites de alta y baja frecuencia. Medición de la respuesta en frecuencia. Ancho de banda de amplificadores inversores y no inversores. Determinación del ancho de banda por el método gráfico. Velocidad de respuesta y voltaje de salida. Definición de la velocidad de respuesta. Causa de la limitación en la velocidad de respuesta. Límite de la velocidad de respuesta para ondas senoidales. Método simplificado para obtener la velocidad de respuesta. Ruido en el voltaje de salida. Introducción. Ruido en los circuitos de los amplificadores operacionales. Ganancia de ruido. Ruido en el sumador inversor. Resumen. Ejercicios de laboratorio.
• FILTROS ACTIVOS. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Filtro pasa bajas básico. Introducción. Diseño del filtro. Respuesta del filtro. Introducción al filtro Butterworth. Filtro Butterworth pasa bajas de -40 db/década. Procedimiento simplificado de diseño. Respuesta del filtro. Filtro putterworth pasa bajas de -60db/década. Procedimiento de diseño simplificado. Respuesta del filtro. Filtros Butterworth pasa altas. Introducción. Filtro de 20 dB/década. Filtro de 40 dB/década. Filtro de 60 dB/década. Comparación de magnitudes y ángulos de fase. Introducción a los filtros pasa banda. Respuesta a la frecuencia. Ancho de banda. Factor de calidad. Filtros de banda angosta y de banda ancha. Filtro de banda ancha básico. Configuración en cascada. Circuito del filtro de banda ancha. Respuesta a la frecuencia. Filtros pasa banda de banda angosta. Circuito del filtro de banda angosta. Funcionamiento. Filtro de octavas para ecualizador de estéreo. Filtros de muesca. Introducción. Teoría de los filtros de muesca. Filtro de muesca de. Hz. Para qué sirve un filtro de muesca. Planteamiento del problema. Procedimiento para construir un filtro muesca. Componentes del filtro pasa banda. Montaje final. Simulación de circuitos de filtros activos con PSpice. Filtro pasa bajas. Filtro pasa altas. Filtro pasa banda. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• MODULACIÓN, DEMODULACIÓN Y CAMBIO DE FRECUENCIA POR MEDIO DE UN MULTIPLICADOR. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Multiplicación de voltajes de CD. Factor de escala del multiplicador. Los cuadrantes del multiplicador. Elevación al cuadrado de un número o de voltaje de CD. Duplicación de la frecuencia. Principio del duplicador de frecuencia. Elevación al cuadrado de una onda senoidal. Detección del ángulo de fase. Fundamentos teóricos. Medidor del ángulo de fase. Ángulos de fase superiores a ±90°. Divisor analógico. Cálculo de raíces cuadradas. Introducción a la modulación en amplitud. Para qué sirve la modulación en amplitud. Definición de modulación en amplitud. El multiplicador utilizado como modulador. Matemáticas de un modulador balanceado. Frecuencias de suma y de diferencia. Frecuencias y bandas laterales. Modulación en amplitud estándar. Circuito modulador de amplitud. Espectro de frecuencias de un modulador AM estándar. Comparación entre moduladores AM estándar y moduladores balanceados. Demodulación de un voltaje de AM. Demodulación de voltaje de un modulador balanceado. Modulación y demodulación de banda lateral única. Desplazamiento de frecuencia. Receptor de modulación en amplitud universal. Sintonización y mezclado. Amplificador de frecuencia intermedia. Procedimiento para la detección. Receptor universal de AM. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• TEMPORIZADORES INTEGRADOS. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Modos de operación del temporizador 555. Las terminales del 555. Encapsulado y terminales de alimentación. Terminal de salida. Terminal de reinicio. Terminal de descarga. Terminal de voltaje de control. Terminales de disparo y de umbral. Retrasos en el tiempo de encendido. Operación astable. Funcionamiento del circuito. Frecuencia de oscilación. Ciclo de trabajo. )3-3.4 Ampliación del ciclo de trabajo. Aplicaciones del como multivibrador astable. Oscilador de ráfaga de tonos. Desplazador de frecuencia controlado por voltaje. Funcionamiento monoestable. Introducción. Circuito del pulso de entrada. Aplicaciones del como multivibrador monoestable. Control de nivel de agua. Interruptor al tacto. Divisor de frecuencia. Detector de pulso faltante. Introducción a los contadores para temporización. El temporizador/contador programable XR 2240. Descripción del circuito. Funcionamiento del contador. Programación de las salidas. Aplicaciones del temporizador/contador. Aplicaciones de temporización. Oscilador, salidas sincronizadas. Generador de señal con patrón binario. Sintetizador de frecuencias. Temporizador programable mediante interruptores. Intervalos de temporización. Funcionamiento del circuito. Simulación de los circuitos del temporizador con PSpice. Multivibrador astable o autónomo. Circuito para control de ráfagas de tono. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• CONVERTIDORES DIGITAL A ANALÓGICO Y ANALÓGICO A DIGITAL. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Características de un DAC. Resolución. Ecuación de entrada-salida. Características del ADC. Ecuación de entrada-salida. Error de cuantización. Procedimiento para la conversión digital a analógica. Diagrama a bloques. Red de escalera R-2R. Corrientes de escalera. Ecuación de la escalera. DAC con salida de voltaje. DAC multiplicador. Convertidor digital a analógico de 8 bits: el DAC-08. Terminales de alimentación. Terminal de referencia (multiplicadora). Terminales de la entrada digital'. Corrientes de salida analógica. Voltaje de salida unipolar. Voltaje de salida analógica bipolar. Compatibilidad con microprocesadores. Principios de interface. Registros temporales de memoria. El procedimiento de selección. DAC compatible con el microprocesador AD558. Introducción. Alimentación. Entradas digitales. Circuitos lógicos. Salida analógica. Circuito para prueba dinámica. ADC integrador. Tipos de ADCs. Principios de funcionamiento. Fase de integración de señal, Tu. Fase de integración de referencia, T-i. La conversión. Puesta a cero. Resumen. ADC de aproximaciones sucesivas. Funcionamiento del circuito. Analogía de las aproximaciones sucesivas. Tiempo de conversión. ADC para microprocesadores. ADC compatible con el microprocesador AD670. Terminales de voltaje de la entrada analógica. Terminales de la salida digital. Terminal de la opción de entrada. Terminal de la opción de salida. Terminales de control de microprocesador. Cómo probar el AD670. Convertidores paralelos (flash). Principio de su funcionamiento. Tiempo de conversión. Respuesta a la frecuencia de los ADC. Error de apertura. Amplificador de muestreo y retención. Ejercicios de laboratorio. Problemas.
• FUENTES DE ALIMENTACIÓN. Objetivos de aprendizaje. Introducción. Introducción a la fuente de alimentación no regulada. Transformador de alimentación. Diodos rectificadores. Características de las fuentes positivas y negativas. Capacitor de filtrado. Carga. Regulación del voltaje de CD. Variaciones en el voltaje de carga. Curva de la regulación de voltaje de CD. Modelo de CD de una fuente de alimentación. Porcentaje de regulación. Voltaje de rizo de CA. Cálculo del voltaje de rizo de CA. Frecuencia del voltaje de rizo y porcentaje de rizo. Cómo controlar el voltaje de rizo. Procedimiento para diseñar una fuente no regulada con un puente rectificador de onda completa. Especificaciones generales de diseño. Fuentes de alimentaciones no reguladas bipolares y de dos valores. Fuente de alimentación bipolar o positiva y negativa. Fuentes de alimentación de dos valores. Por qué es necesaria la regulación del voltaje. Historia de los reguladores de voltaje lineales. La primera generación. La segunda generación. La tercera generación. Reguladores de voltaje lineales. Clasificación. Características comunes. Circuitos de autoprotección. Protección externa. Disminución del rizo. Fuente de alimentación para circuitos lógicos. El circuito regulador. La fuente no regulada. Fuentes de alimentación de ±15 V para aplicaciones lineales. Regulador de ±15 V para corriente alta. Regulador de ±15 V para corriente baja. Fuente de alimentación no regulada para los reguladores de ±. Reguladores de voltajes ajustables de tres terminales positivos (LM317HV) y negativo (LM337HV). Ajusté del voltaje de carga. Ajuste del voltaje de salida regulado positivo. Características del LM317HVK. Regulador de voltaje negativo ajustable. Protección externa. Regulador de voltaje ajustable tipo laboratorio. Otros reguladores lineales. Ejercicio de laboratorio. Problemas. APÉNDICE 1 Amplificador operacional compensado en frecuencia /aA741. APÉNDICE 2 Amplificador operacional LM301. APÉNDICE 3 Comparador de voltaje LM311. Regulador ajustable de 3 terminales LM117. RESPUESTAS A LOS PROBLEMAS IMPARES. BIBLIOGRAFIA. ÍNDICE.