analogica, Apuntes de Física

¡Descarga analogica y más Apuntes en PDF de Física solo en Docsity!

__| AMPLIFICADORES | OPERACIONALES Y | ¡4 CIRCUITOS INTEGRADOS ¡1 LINEALES A Robert F. Coughlin Frederick F. Driscoll Traducción Efrén Alatorre Migue! Lic, en Ciencias Físicas Facultad de Ciencias, UNAM ¡ Revisión Técnica ! Guillermo Aranda Flores : > Ingeñiero Electrónico Universidad La Salle : PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA, S.A. e México - Englewood ClifIs - Londres » Sidney - Toronto Nueva Delhi - Tokio Singapur - Rio de Janeiro EDICION EN ESPAÑOL: DIRECTOR Raymundo Cruzado González EDITOR José Tomás Pérez Bonilla GERENTE DE TRADUCCION Jorge Bonilla Talavera SUPERVISOR DE TRADUCCION Joaquía Ramos Santalla GERENTE DE PRODUCCION Juan Carlos Hernández García SUPERVISOR DE PRODUCCION — Jorge Manzano Olmos” : EDICION EN INGLES: Ñ Evitorial/production supervision: Ellen Denning Interiór design: Jayne Conte, .* . . 4 Cover design: Bruce Kensélaar + Manufacturing buyer: Ed O”dougherty my Cover photograph: Gary Gleadstone! The Image Bank AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES, 4/E ; Traducido de la cuarta edición en inglés de: OPERATIONAL AMPLIFIERS £: LINEAR INTEGRATED CIRCUITS Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio o método sin autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS O 1993 respecto a lá primera edición en español por . PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA, S.A. Cafle Enrique Jacob G, No. 20 Col . El Conde Naucatpan de Juárez, Edo. de México ISBN 968-830-284-0 Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Núns. 1524 Original English Language Edition Published by Copyright O MCMXCI Prentice-Hall Inc. Ali Rights Reserved o ISBN 0-13-639923-1 Se TIPOGRAFICA BARSA, S.A. 7 Pino 343 Local 71-72 . , + México 4, Dif. ' 2000 1 994 IMPRESO EN MEXICO / PRINTED IN MEXICO Contenido | PREFACIO xowvil INTRODUCCION A LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES ¡ 1 1-0 1-1 1-2 Objetivos de aprendizaje 1 Introducción 2 ! Breve bosquejo histórico 2 1-1.1 Los primeros años, 2 1-12 Nacimiento y desarrollo del amplificador operacional del circuito integrado, 2 i 1-13 Progreso en el desarrollo de los amplificadores operacionales, 3 1-14 Los amplificadores operacionales se especializan, 3 : | El amplificador operacional de propósito general 741 4 1! Contenido 2-5.3 Voltímetro luminoso, 28 2-54 Detector de humo, 28 2-6 Procesamiento de señales con detectores de nivel de voltaje, :30 2-6.1 Introducción, 30 2-6.2 Convertidor de onda senoidal q cuadrada, 31 2-7 Conexión de una computadora a detectores de nivel de voltaje 31 2-7,1 Introducción, 31 2-7.2 Comparador de voltaje cuádruple, LM339,.32 2-7.3 Modulador de. ancho de pulso no inversor, 34 2-7.4 Moduladores de ancho de pulso inversores y no inversores, 36 2-8 Conversión analógica a digital con una microcomputadora ¡ y con un moduládor de'antho de pulso 38 Ejercicios de laboratorio 38 Problemas 40 AMPLIFICADORES INVERSORES Y NO INVERSORES Objetivos de aprendizaje 43 3-0 Introducción 44 : 3-1 Amplificador inversor 44 3-11 Introducción, 45 3-12 Voltaje positivo aplicado a la entrada inversora, 45. 3-13 Corrientes de carga y de salida, 46 3-14 — Voltaje negativo aplicado a la entrada inversora, 47 3-15 Voltajede ca aplicado a la entrada inversora, 49 3.1.6 Procedimiento de diseño, 50 3-1.7 Procedimiento de análisis, 50 3-2 Sumador inversor y mezclador de audio: 52 3-2.1 Sumador inversor, 52 3-2.2 Mezclador de audio, 53 3-23 Nivel de cd para:desviar una séñal de ca, 53 3-3: Amplificador multicanal. 54 2 3-3.1 Necesidad de un amplificador multicanal, 54 3-32 — Análisis del circuitos, 54 3-3.3 Procedimiento de diseño, 57 '> 43 3-4 3-5 3-7 3-8 3-9 3-10 3-11 Contenido Amplificador inversor de promedio 57 Seguidor de voltaje 58 3-5.1 — Introducción 58 3-5.2 Empleo del seguidor de voltaje, 60 Amplificador no inversor 62 3-6.1 Análisis del circuito. 62 * 3-6.2 Procedimiento de diséño, 64 Fuente "ideal" de voltaje 66 3-7.1 Definición, 66 3-7.2 Fueñte “ideal” de voltaje, 66 3-73 Fuertede voltaje “ideal” práctica, 66 Sumador no inversor '67 Operación « co alimentación única 68 L-—— Amplificadores diferenciales 70 . 3-10.1 Restador 70 Mw 3-10.2 Amplificador inversor y no inversor, 72 Servoamplificador 72 3-11.1 Introducción, 72 3-11.2 Análisis del circuito del servoamplificador, 72 3-11.3 Acción de retardo, 74 Ejercicios de laboratorio 75 Problemas 76 COMPARADORES Y CIRCUITOS DE CONTROL 80 4-0 4-1 4-2 4-3 4-4 Objetivos de aprendizaje 80 Introducción 81 Efectos del ruido sobre los circuitos comparadores 81 Retroalimentación positiva 83 4-2.1 Introducción, 83 4-22 Voltaje de umbral superior, 83 4-2.3 Voltaje de umbral inferior, 83 Detector de cruce por cero:con histéresis - 86 4-3.1 Definición de histéresis, 86 4-32 Detector de cruce por cero con histéresis como un elemento de memoria, 87 Detectores de nivel de voltaje con histéresis 88 xi 5-2 5-3 5-4 5-6 5-8 5-9 Contenido 5-1.1 Circuito básico de medición de voltajes, 113 5-12 Cambio de escala en el voltímetro, 114 Voltímetro universal de alta fesistencia 115 5-2.1 Operación del circuito, 115 5-2.2 Procedimiento de diseño, 116 Convertidores de voltaje a corriente: cargas Hotantes 117 5-3.1 Control de voltaje de la corriente de carga, 117 5-32: Probadorde diodo zener, 117 5-3.3 Probador de diodo, 118 Probador de diodo emisor de luz 119 - ; Alimentación de corriente constante a'una carga conectada a tierra 120 . | 5-5.1 Convertidor de voltaje diferencial a corriente, 120 5-5,2 * Fuenté'de corriénte constante alta con Carga conectada a tierra, -122 5-53 “Conexión de una microcomputadora a 'una teleimpresora, 123 5-5.4 Fuente de corriente de 4 a20 mA con control digital, 124 Medición de corriente en cortocircuito y conversión de corriente a voltaje 125 5-6.1 Introducción 125 “" 5-6.2 Utilización del amplificador operacional para medir corriente de cortocircuito 127 Medición de la corriente de fotodetectores 127 5-7.1 Celda fotoconductora, 127 5-7.2 Fotodiodo, 128 Amplificador de corriente 128 Mediciones de energía de la celda solár 130 5-9,1 Introducción a los problemas, 130 5-9.2 Conversión de la corriente de cortocircuito de una celda solar a voltaje, 130 * 5-9.3 Circuito divisor de corriente (convertidor de.corriente a corriente), 131 Desfasador 132 5-10.1 Iniroducción, 132 5-10.2 Circuito desfasador, 132 Proceso de grabación a velocidad constante , 132 5-11.] Introducción a los problemas del corte de discos, 134 5-11.2 Modulación del surco con grabación a velocidad constante, 135 1 Contenido 5-12 GENERADORES DE SEÑAL 6.0 6-1 6-2 6-3 6-4 . 5,13.1 Introducción, 141 " i ' Generador de onda diente de sierra, 163 ! 5-11.3 Ruido y sobrecorte de grabación, 136 5-11,4 Solución a los problemas de ruido y sobrecorte en grabación, 137 Reproducción de la grabación 138 5.12.1 Necesidad de ecualización para la reproducción, 138 ! 5.12.2 Niveles de voltaje de señal y ganancia en el preamplificador, 139 5.12.3 Operación de circuito preamplifi ficador de reproducción, 139 Control de tono" 141 $.13,2- Circuito dé control de tono, 141 '* ! : Convertidores de temperatura a Voltaje 143 5-14.1 Transductor de temperatura ADS90, 143 : 5.142 Termómetro Celsius, 143 . : 5-14.3 Termómetro Fahrenheit; 144 . Ejercicios de laboratorio 145 Problemas 145 Obejetivos de aprendizaje 149 introducción 150 * i Multivibrador de-oscitación libre. 150 i 6-1.1 Acción del multivibrador, 150 6-1.2 Frecuencia de oscilación, 152 Multivibrador de un disparo 154 i 6-2.1 Introducción, 154 6-2.2 Estado estable, 154 . ñ 6-2.3 Transición al estado tempotizado, 157 6-2.4 Estado temporizado, 157 6-2.5 Duración del pulso de salida, 157 6-2.6 Tiempo de recuperación, 158 Generadores de onda triangular 158 6-3.1 Teoría de operación, 158 6-3.2 Frecuencia de operación, 159 1 6-3.3 Generador unipolar de onda triangular, 161 6-4.1 Operación del circuito, 163 6-42 Análisis de la forma de ónda de diente de'sierra, 165 6-43 Procedimiento de diseño, 165 xxi 149 Contenido 7-3 7-4 7-5 7-6 77 AMPLIFICADORES DIFERENCIALES, DE INSTRUMENTACION Detectores de pico..194 7-3.1 Seguidor y retenedor de pico positivo, 194 7-3.2 Seguidor y retenedor de pico negativo, 195 Convertidor de ca a cd- 196 : 7-41 Conversión de ca á td o circuito MAV, 196 7-4.2 Rectificador de precisión cón entrádas -':* conectadas a tierra, 198 7-4.3 Convertidor de ca-a cd, 198 Circuitos cón-Zzona muerta 200 7-5.1 * Intróducción, 200 7-5,2.- “Circiito con z0ná muierta y salida: negativa, 200 7-53 Circuito con zona muerta y salida positiva, 203 7-54 Circuito con zonamuerta y salida bipolar, 203 Recortador de precisión 203 Convertidor de anda triangular a.onda senoidal 205 Ejercicios de laboratorio 206 : Problemas 207 Y DE PUENTE 8-0 8-1 8-2 84 Objetivos de aprendizaje 208 Ñ Introducción 209 Amplificador diferencial básico 209 8-1.1 * Introducción, 209 8-1,2 Voltajeen modo común, 211 Comparación entre amplificadores diferenciales y amplificadores de una sola entrada: 212 - 8-2.1 Medición con amplificador de entrada única, 212 8-2.2: Medición cón un amplificador diférencial, 213 Mejoras en el amplificador diferencial básico 214 * 8-3.1 Incremento de la resistencia de entrada, 214 8-3.2 Ganancia ajustable, 214 Amplificador de instrumentación 216 8-4.1 Operación del circuito, 216 o 8-4.2 Voltaje referencial de salida, 218 209 xvi Contenido 8-5 Detección y medición con el amplificador de instrumentación 220 8-5.1 Terminal sensora, 220 8-5.2 Mediciones de voltaje diferencial, 221 8-5.3 Convertidor de voltaje diferencial a corriente, 223 8-6 Amplificador básico de puente 224 8-6.1 Introducción, 224 8-6.2 Operación del circuito básico de puente, 225 8-6.3 Medición de temperatura-con-un circuito puente, 226 8-6.4 Amplificador de puente y computadoras, 229 8-7 Aumento de flexibilidad al amplificador de puente 230 8-7.1 Transductores conectados a tierra, 230 8-7.2 Transductores de alta corriente, 230 8-8 Sensor de deformaciones y medición de pequeños cambios de resistencia: 231... 8-8.1 Introducción al sensor de deformaciones, 231 8-8.2 Material de los sensores de deformación, 232 8-8.3 Utilización de información obtenida con el sensor de deformación, 233 .8-8.4 Montaje de los sensóres de deformación, 234 8-8.5 Cambios de resistencia del sensor de deformación, 234 8-9 Medición de pequeños cambios de resistencia 234 8-9.1 Necesidad de un puente de resistencia, 234 8-9.2 Puente básico de resistencia, 234 8-9.3 Efectos térmicos en el balance del puente, 236 8-10 Balanceo de un puente de sensores de deformación 236 8-10.1 Técnica obvia, 237 8-10,2 Una técnica mejor, 238 8-11 Aumento en la salida del puente de detectores de deformación 239 8-12 Una aplicación práctica del detector de deformaciones 241 8-13 Medición de presión, fuerza y peso 242 - Ejercicios de laboratorio 243 Problemas 244 FUNCIONAMIENTO PARA CORRIENTE CONTINUA: POLARIZACION, DESVIACIONES Y DERIVA 247 10 xvili Contenido FUNCIONAMIENTO EN CA: ANCHO DE BANDA, VELOCIDAD DE RESPUESTA, RUIDO Y COMPENSACION DE FRECUENCIA 10-0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 Objetivos de aprendizaje 270 Introducción 271. +.;-»s ES Respuesta en frecuencia del amplificador operacional 271 10-1.1 Compensación interna de f'ecuencia; 271 10-1.2 Curva derespuesta en frecuericia, 272 > 10-13 Ancho de banda con ganancia unitaria, 272 10-14 Tiempode'crecimiento, 2753: Ganancia del amplificador y fespuesta en frecuencia 275 10-2.1 Efecto de ld gararicia en Í: abierto sobre la” ganancia en lazo cerrado de un amplificador para la'* operación en cd, 275 + e 10-2.2 Ancho de banda para pequeña. señal; límites :.de alta y baja frecuencia, 278 > 10-2.3 Medición de la respuesta en frecuencia, 278 10-2.4 Ancho de banda de amplificadores inversores: A y no inversores, 279 10-2.5 Obtención del ancho de banda por el método gráfico, 280 Velocidad de respuesta y voltaje de salida 281 10-3.1 Definición de la velocidad de respuesta, 281 . 10-3.2 Causa de la limitación en la velocidad de respuesta, 282 10-3.3 Límite de la velocidad de respuesta para ondas sencidales, 283 10-3.4 Simplificación de la velocidad de respuesta, 285 Ruido en el voltaje de salida 286 .. 10-4.1 Introducción, 286 10-4,2 Ruido en los circuitos de.amplificadores operacionales, 286 10-4,3 Ganancia de ruido, 286.. , 10-4.4 Ruido en el sumador inversor, 286 10-45 Resumen, 288 Compensación externa de frecuencia 288 10-5.1 Necesidad de compensación externa de frecuencia;- 288 10-5,2 Compensación con un solo capacitor, 289 10-5,3 Compensación de frecuencia con prealimentación, 290 Ejercicios de laboratorio 291 Problemas 292 ., 270 11 Contenido FILTROS ACTIVOS 294 11-0 1141 11-2 11-3 Objetivos de aprendizaje 294 Introducción 295 Filtro básico pasabajas 297 11-1.1 Introducción, 297 11-12 Diseño del filtro, 298 11-13 Respuesta del filtro, 299 introducción al filtro Butterworth 300. +... Filtro Butterworth de -40 dh/década, : 301 11-3.1 Procedimiento simplificado de diseño, 301 11-3.2 Respuesta del filtro, 303 't: Filtro Butterworth pasabajas de -60 dbfdécada 304 11-41 Procedimiento de diseño simplificado ,' 304 z 11-4.2 Respuesta del filtro, 306 : Filtros Butterworth-pasa-altas “307 11-5.1 Irtroducción; 307 11-5.2 Filtro de 20 dB/décida, -308 * 11-5,3 Filtro de 40 dBidécada, 310 11-5.4 Filtro de 60 dBldécada;.:312 11-5.5 Comparación de las magnitudes y ángulos de fase, 314 Introducción a los filtros pasa-banda 315 - 11-6.1 Respuesta en frecuencia, 315 11-6.2 Ancho de banda, 316 11-6,3 Factor de calidad, 317 Ñ 11-6.4 Filtros de banda angosta y de banda ancha, 317. Filtro básico de banda ancha 318 11-71 Encascada, 318 11-7.2 - Circuito del filtro de banda ancha, 318 11-7.3 Respuesta en frecuencia, 318 Filtros pasa-banda de banda angosta 320 11-8.1 Circuito del filtro. de banda angosta, 320 11-8.2 Funcionamiento, 321 SA * 11-8,3 Filtro de octava para ecualizador estéreo, 321 Filtros de muesca, 322 11-9.1: Introducción, 322: 11-9.2 Teoría de los filtros de muesca, 323 11-10 Filtro de muesca de 120 Hz 324 xix Contenido 12-7 12-8 12-9 12-10 12-114 12-12 12-13 Demodulación de un voltaje en amplitud modulada 355 Demodulación de un voltaje moduladó balanceado 355 Modulación y demodulación de banda táterál única 355 Corrimiento de frecuencia 358 : Divisor analógico 359 Extractor de raíz cuadrada --361 Receptor universal de amplitud modulada 362 12-13.1 Sintonizador y mezclador, 362 - : 12-13.2 Amplificador de frecuencia intermedia 364 : 12-13.3 Proceso de detección, 364 o 12-13.4 Receptor universal de AM, 364 / Ejercicios de laboratorio 365 Problemas 365 O CIRCUITOS INTEGRADOS TEMPORIZADORES 367 13-0 13-1 132 13-3 * 13-4. 13-5 Objetivos de aprendizaje 367 Introducción 368 Modos de operación del temporizador '555 368 Terminales del 555 370 13-2.1 Encapsulado y terminales de alimentación de potericia, 370 13-2.2 Terminal de salida, 370 13-2.3 Terminal de restablecimiento, 371 13-2.4 Terminal de descarga, 372 13-2.5 Terminal de voltaje de control, 373 13-2.6 Terminales de disparo y de umbral, 373 13-2.7 Retardos en el tiempo de encendido, 375 Operación en oscilación libre o estable 376 133.1 Operación del circuito, 376 13-3.2 Frecuencia de oscilación, 377 Ciclo de trabajo, 379 Ampliación del ciclo de trabajo, 380 Aplicaciones del temporizador 555 cómo multivibrador estable 381 13-4.1 Oscilador con barrido de tonos,' 381* 13-4.2 Desplazador de frecuencia controlado por voltaje, 382 Operación monoestable o de un disparo 385 pS 14 xxi 13-6 13-7 13-8 13-9 13-10 Contenido 13-5.1 Introducción, 385 13-5.2 Circuito de pulso de entrada, 388 Aplicaciones del temporizador, 555 como multivibrador de un disparo 388 ! 13-6.1 Control de nivel de agua, 388 13-6.2 Interruptor de tacto 388 13-6.3 Divisor de frecuencia, 389: .' : 13-6.4 Detector de.pulso perdido, 390+ Introducción a los contadores de tiempo 392 Temporizador/contador programable XR 2240 392 13-8.1 Descripción del circuito, 392 * 13-8,2 Operación del contador; 393 13-8,3 Programación de las salidas, 395: - Aplicaciones del temporizador/contadof 397 13-9.1 Aplicaciones del temporizador, 397 13-9,2 Oscilador libre, salidas sincronizadas, 398 13-9.3 Generador de señales.con Patrón, binario, 399 13-94 $ intetizador de frecuencias, 400 Temporizador programable por interruptores 402 13-10.1 Intervalos de tiempo, 402 . 13-10.2 Operación del circuito, 402 Ejercicios de laboratorio 404 Problemas 404 CONVERTIDORES DIGITAL A ANALOGICO Y ANALOGICO A DIGITAL 406 14-0 14-1 14-2 14-3 Objetivos de aprendizaje 406 introducción 407 * . Características del convertidor digital a analógico 407 14-1.1 Resolución, 408 ' 14-12 Ecuación de entrada-salida, 410 Ñ Características del convertidor analógico-a digital 411 14-2.1 Ecuación de entrada-salida, 411 . - 14-2.2 Error de cuantificación, 413 , Proceso de conversión digital a analógico 41 3 14-31 Diagrama, de bloques, 413 14-32 Red de escalera R-2R, 414 . Y