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1 Circuitos bsicos con amplificadores operacionales

1.1 Conceptos bsicos

1.1.1 Estructura

CARACTERISTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

Tiene dos entradas una inversora y otra no inversora. Ganancia infinita (10^4 - 10^12). Ancho de banda infinito (Bw 0 - 10^4Hz, Bw 0 - 10^8Hz). Impedancia de entrada infinita tanto entre las terminales como entre cada entrada y tierra. Impedancia de salida igual a cero. Posibilidad de manejar una corriente infinita a la salida. Voltaje de off-set de entrada nulo. Amplificacin diferencial con rechazo infinito a seal comn. Caractersticas anteriores ciertas a cualquier temperatura.

El primer cuadro representa un amplificador diferencial con salida balanceada que puede tener una entrada darlington o utilizar varios fet y una fuente de corriente constante. El segundo cuadro es un segundo amplificador operacional con salida desbalanceada, en si es una etapa amplificadora lineal de alta ganancia, generalmente otro amplificador diferencial; si la tension de c.c existente en la salida del amplificador de alta ganancia, no es cero voltios cuando v1 = v2 = 0 V, se emplea un circuito desplazador de nivel tal como un amplificador cascodo . Y la etapa de salida es un amplificador que proporciona una impedancia de salida baja; el restaurador de nivel se emplea para obtener un voltaje de salida aproximadamente cero en ausencia de seal; se emplean los amplificadores diferenciales para obtener un alto factor de rechazo en modo comn. En este caso habitualmente uno de simetra complementaria.

1.1.2 Parmetros de polarizacin

Especificaciones, parmetros de desvo de DC.

Antes de explicar las distintas prcticas usando el op amp, debemos familiarizarnos con algunos de los parmetros ms utilizados para definir la operacin de la unidad. Estas especificaciones incluyen las caractersticas de dc y las caractersticas de operacin en frecuencia.

Corrientes y voltajes de desvo.

Aunque la salida del op amp debiera ser 0 V cuando la entrada es 0 V, en la operacin real hay algn voltaje de desvo en la salida. Por ejemplo si se conectan 0 V en ambas entradas del op amp y luego se mide 26 mV (dc) a la salida, esto podra representar 26 mV de voltajes no deseado generado por el circuito y no por la seal de entrada. Sin embargo, ay que el usuario puede conectar el circuito amplificador para distintas operaciones de ganancia y polaridad, el fabricante especifica el voltaje de desvo de entrada para el op- amp. El voltaje de desvo a la salida se determina entonces por el voltaje de desvo a la entrada y la ganancia del amplificador.

Se puede mostrar que el voltaje de desvo de salida lo afectan dos condiciones de circuito separadas. Estas son: 1) un voltaje de desvo a la entrada, VIO, y 2) una corriente de desvo debida la diferencia en corrientes resultantes en las terminales de entrada con signo ms (+) y menos (-).

Voltaje de desvo de entrada, VIO La hoja de especificaciones del fabricante proporciona un valor para el VIO del op amp. Para determinar el efecto de ese voltaje de entrada sobre la salida, considere la conexin que se muestra en la figura 1. Usando Vo = Avi, podemos escribir

Resolviendo para Vo, ontenemos

a partir de lo cual podemos escribir

La ecuacin 1 muestra cmo el voltaje de desvo de salida resulta de un voltaje de desvo de entrada especfico para una conexin de amplificador tpica del op amp.

Figura 1. Operacin mostrando el efecto del voltaje de desvo de entrada.

1.1.3 Circuitos bsicos

AMPLIFICADOR INVERSOR.

El amplificador inversor mostrado en la figura 1 (a) constituye una configuracin que nos puede a portar muchas aplicaciones.En sus comienzos el amplificador operacional tena una sola entrada, la cual era la inversora. Si observamos el circuito de la figura 1 (b) nosotros tenemos:

Vp = 0 ec. 1

Ya que no fluye corriente (ver tierra virtual) en la entrada no inversora, nosotros podemos encontrar Vn por medio de le principio de superposicin. Por consiguiente, Vn = R2Vi / (R1+R2) + R1Vo / (R1+R2), y esta ecuacin la podemos arreglar de la siguiente forma:

ec. 2

Figura 1. (a) Amplificador inversor de ganancia constante; (b) circuito equivalente.

de donde:

ec. 3

El parmetro b, es de nuevo el factor de realimentacin, sustituyendo la ecuacin 2 y 3 en la siguiente ecuacin Vo = Avd = a(Vp - Vn) obtenemos:

ec. 4

Nuestro circuito es de nuevo un amplificador. Sin embargo, puesto que b 1, la ganancia de lazo cerrado A es ahora negativa, indicando que la polaridad de Vo ser lo opuesto a Vi. Esto no nos debe sorprender ya que nosotros estamos aplicando Vi a la entrada inversora del amplificador operacional. Por lo tanto en circuito es llamado amplificador inversor. Para una entrada peridica como una onda senoidal el circuito producir cambio total de fase o lo equivalente a 180.

AMPLIFICADOR NO INVERSOR.Para entender el funcionamiento del circuito que se muestra en la figura 1, nosotros necesitamos encontrar una relacin entre Vo y Vi.Para este fin nosotros redibujaremos el circuito y quedar como se muestra en la figura 1 (b), donde el amplificador operacional ha sido reemplazado por su modelo equivalente y la resistencias han sido conectadas de otra manera para enfatizar su funcin en el circuito.Vo puede ser encontrado por medio de la ecuacin siguiente:

ec. 1

sin embargo, nosotros debemos determinar las expresiones para Vp y Vn. Por inspeccin tenemos:

Vp = Vi ec. 2

Adems, puesto que Vn est conectado a Vo por medio de el divisor de voltaje que forman R1 y R2, nosotros tenemos que:

ec. 3 y 4

Figura 1. (a) Amplificador no inversor de ganancia constante; (b) circuito equivalente.

El parmetros b (b 1) representa una porcin del voltaje de salida que realimenta la entrada y es llamado factor de realimentacin, Vo es encontrado como sigue:

Si acomodamos los trminos y lo resolvemos por la relacin Vo/Vi, y nosotros a esta relacin la designaremos como A, encontramos:

ec. 4

este resultado nos dice que el circuito de la figura 1(a) consiste en un amplificador operacional, adems de un par de resistencias, en este caso R1 y R2, y notamos que el dispositivo funciona como un amplificador y que su ganancia es A. Puesto que A es un nmero positivo, la polaridad de Vo ser la misma como la de Vi.Por esta razn el circuito es llamado amplificador no inversor. Nosotros inmediatamente notamos que la ganancia A de un circuito con amplificador operacional y la ganancia de este son trminos totalmente diferentes.Esto no nos causa sorpresa ya que los dos amplificadores, los cuales comparten la misma salida Vo, pero tiene diferentes entradas, a saber, Vi para la primera y Vd para la segunda. Para subrayar la diferencia, a se refiere a la ganancia de lazo cerrado , la segunda designacin es a raz de que en efecto nuestro circuito contiene un lazo. Y este se empieza de la entrada no inversora de la figura1 (b), nosotros podemos trazar un lazo en el sentido de las agujas del reloj a travs de el amplificador operacional y tambin pasar a travs de la red que conforman las resistencias, el cual nos traer de regreso al punto de partida.

EL AMPLIFICADOR SUMADOR.El circuito amplificador sumador tiene 2 o ms entradas y una salida (el ejemplo de la figura 1 tiene 3 entradas V1, V2 y V3). Para determinar la relacin entre salida y la entrada nosotros redibujaremos el circuito y este se muestra en la figura 1(b).

Figura 1 (a) Amplificador sumador. (b) Circuito equivalente.

Por la ley de corriente de Kirchhoff IR1 + IR2 + IR3 = IRF, que es:

Y sabemos que en esta configuracin en la entrada existe corto circuito virtual Vn = Vp = 0. Por lo tanto:

Resolviendo para Vo:

Con esto vemos que el voltaje de salida ser la suma de los voltajes de entrada y este valor es multiplicado por la ganancia, y esta ganancia est dada por las resistencias externas.

Refirindonos de nuevo a la figura 1(b) nosotros notamos que Ro = 0. Es ms, puesto que Vn es virtualmente un corto circuito respecto a tierra, las resistencias de entrada Rik (k = 1,2,3) vistas por la fuente Vk (el valor de las 3 fuentes es la misma), entonces tenemos que:

Ri1 = R1, Ri2 = R2, Ri3 = R3

Ro = 0

LIMITADOR.Un circuito limitador de amplitud o recortador limita todas las seales arriba de un voltaje de referencia y todas las seales debajo de un voltaje negativo de referencia. Los voltajes de referencia pueden hacerse simtricos o no respecto a cero. La construccin de un circuito recortador de precisin se lleva a cabo agregando una resistencia nica Rc a un circuito de zona muerta de salida bipolar como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Las salidas VoA se combinan mediante un sumador inversor para dar un circuito de zona muerta de salida bipolar.

Las salidas de los amplificadores operacionales A y B estn conectadas a la entrada de un sumador inversor, a travs de la resistencia Rc. Si Rc se elimina, el circuito acta como uno de zona muerta. Sin embargo, cuando Rc est presente, el voltaje de entrada Ei se resta de la salida del circuito con zona muerta y el resultado es un recortador inversor de precisin.

La operacin del circuito se resume por las formas de onda de la figura 2(b). Las salidas VOA y VOB se invierten y suman a Ei. La grfica de Vo en funcin del tiempo muestra en lneas oscuras cmo parece la salida recortada. Las lneas punteadas indican la actuacin del circuito como uno d zona muerta si Rc se elimina.

Figura 2. Un recortador de precisin se hace con un circuito de zona muerta bipolar ms una resistencia Rc; (a) Al aadir una resistencia Rc al circuito de zona muerta de la figura 1 se tiene un recortador de precisn; (b) Formas de onda para el recortador de precisin.

1.2 Amplificador de transconductancia.

Entrada de voltaje y salida de corriente. Impedancia de entrada alta e impedancia de salida alta. La figura correspondiente se encuentra a continuacin:

Figura 126. Esquema de un Amplificador de transconductancia.En la figura 126:

La corriente de salida es proporcional al voltaje de entrada.

En el amplificador ideal se tiene que Ri y R0.

El amplificador puede ser excitado por una fuente de baja resistencia y este puede excitar una carga de baja resistencia.

1.3 Amplificador de audio.

Amplificador de audio de 8w con TDA2002. Este amplificador que durante aos predomino en los auto radios y dems montajes para coche.

El diagrama del circuito nos muestra que la seal de entrada es bloqueada en DC a travs del capacitor de 1F, luego ingresa al amplificador operacional por la entrada no inversora. De la salida se toma una parte de la seal para realimentar el sistema por medio de la entrada inversora. La seal completa de la salida se le quita la continua por medio del capacitor de 1000F y se aplica al parlante, cuya impedancia debe ser de 4 ohms. De colocar un parlante de 8 ohms la potencia total obtenida ser de 4 vatios.

El circuito se alimenta con 12V y necesita una corriente de 1A a mxima potencia.

1.4 Amplificador de instrumentacin

El amplificador de instrumentacin (Ia), algunas veces tambin es llamado amplificador de datos, en si es un amplificador diferencial.

conociendo las siguientes especificaciones.

1. 1. Precisin y una ganancia estable, usualmente en el rango de 1 a 1000, para acomodar las situaciones de el amplificador diferencial, esto es que A sea variable por encima de un rango preescrito, esto puede ser mediante un potencimetro o digitalmente por medio de switches, usualmente los switches son JFETS o MOSFETS.

2. 2. Extremadamente alta impedancia de entrada (idealmente infinita), para ambos, tanto para el modo diferencial como el modo comn, esto evita la carga de las fuentes de entrada. La impedancia de entrada en modo diferencial, Zid, es definida como la impedancia equivalente entre las dos terminales de entrada; la impedancia de entrada en modo comn, Zic, es definida entre cada terminal y tierra.

3. 3. Impedancia de salida extremadamente baja, Zo, hace al dispositivo inmune a las cargas de salida.

4. 4. Extremadamente alto CRM (idealmente infinita) as que el circuito slo responde a las entradas diferenciales, ignorando completamente las componentes de entrada en modo comn. Eso es precisamente el requisito que hace a los amplificadores de instrumentacin ideales para que con precisin amplifique las seales de bajo nivel en presencia de grandes voltajes en modo comn, tales como las seales producidas por un transductor en el control de procesos y biomedicina. Por esta razn, los amplificadores de instrumentacin han llegado de modo integral en pruebas y medidas de instrumentacin (de ah su nombre).

ANLISIS DE UN AMPLIFICADOR DE INSTRUMETANCIN CON 3 OP - AMPS.

En la figura 1, la formacin de A1 y A2 que algunas veces es llamado como la entrada o primera etapa, A3 forma la salida o segunda etapa.

Figura 1. Realizacin de un amplificador de instrumentacin con 3 amplificadores operacionales.

Sin embargo el circuito nos puede intimidar por su anlisis, pero este anlisis es totalmente simple. Denotaremos la salida de A1 y A2 como Vo1 y Vo2 respectivamente, tenemos por la ecuacin 2.

Puesto que IR2 = IRG, nosotros deducimos por la ley de ohm:

Ya que A1 mantiene Vn1 = Vp1 = V1 y A2 mantiene Vn2 = Vp2 = V2, IRG = (Vn1 Vn2)/RG, que es:

Sustituyendo la ecuacin 4 en la ecuacin 3 y entonces dentro de la ecuacin 2, nosotros podemos colocar a Vo de la forma:

donde:

La razn de expresar a A en esta forma es para identificar de forma separada la contribucin de la ganancia de la primera y la segunda etapa.

La ganancia A depende de las resistencias externas, y las cuales pueden ser hechas totalmente precisas y estables, nos referimos a las resistencias o potencimetros de precisin.

Ya que A1 y A2 estn operando como amplificadores no inversores, su impedancia de entrada es extremadamente alta; y la impedancia de salida es muy baja.

El CMRR puede ser totalmente alto debido a una de las resistencias de la segunda etapa.

1.5 Amplificador sintonizado.

Amplificadores de clase C: un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensin de polarizacin y la amplitud mxima de la seal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un semiperodo de la seal de entrada.

Alguien puede que haya visto, en algn libro o manual de reparacin, una notacin tipo a esto: Amplificador clase AB1 o tambin amplificador clase B2; estas notaciones vienen de los antiguos amplificadores con vlvulas. Los subndices 1 y 2 indicaban que no exista corriente de reja (el 1) o que si exista (el 2), esto era debido a que en la polarizacin de la vlvula, la reja se haca positiva con respecto al ctodo (para los que nunca hayan odo hablar de las vlvulas, diremos, que la reja se correspondera con la base de un transistor y el ctodo con el terminal de salida, que en los transistores, dependiendo del tipo de conexin, puede ser el emisor o el colector). En los amplificadores de clase A no hay nunca corriente de reja (base) por lo que es indiferente decir que el amplificador es de clase A1 o de clase A. Lo contrario ocurre en los amplificadores de clase C donde siempre va a existir corriente de reja (base), en este caso es indiferente decir que el amplificador es de clase C2 o de clase C (a secas). En los amplificadores de clase B y AB, puede que exista o no la corriente de base (o reja) por lo que s es importante que nos especifiquen el tipo de amplificador del que se trata (AB1 dira que no tiene corriente de base y B2 indicara que s hay corriente de base). Este tipo de notacin tambin podemos encontrarla en los amplificadores transistorizados

2 Osciladores

2.1 Conceptos bsicos.

2.2 Oscilador de desplazamiento de fase.

2.3 Osciladores con circuitos integradosNE/SE566El generador de funciones NE/SE566 es oscilador controlado por voltaje, con un linealidad excepcional, este integrado proporciona salidas cuadrada y triangular. La frecuencia de oscilacin es determinada por un resistor externo y un capacitor, adems de la aplicacin de voltaje a la terminal de control. El oscilador puede ser programado cerca de un rango de frecuencia 10:1 mediante el control de voltaje, con una excepcional linealidad

2.4 Temporizador

CONFIGURACION DE TEMPORIZADORES.

La necesidad de las funciones astables y monoestables, provienen de unos circuitos muy especiales, llamados temporizadores. Entre la variedad de productos, el nico que ha ganado la aceptacin en trminos de costo y versatilidad es el 555. Otro producto muy popular es el 2240 el cual combina un temporizador con un contador programable binario el cual provee una flexibilidad adicional en el cronometraje.

El temporizador 555.

Como se muestra en el diagrama de la figura 1, los bloques bsicos de el temporizador 555 son una cadena de 3 resistencia del mismo valor, dos comparadores de voltaje, un flip - flop, y un transistor BJT. Las resistencias se colocan en las entradas de los comparadores (este es el pin 6, threshold) en VTH = (2/3) Vcc y VTL = (1/3)Vcc.

Figura 1. Temporizador NE555.

Para una flexibilidad adicional, observamos que podemos variar el valor del umbral (threshold) externamente va pin 5, as de este modo el usuario puede cambiar el valor de VTH. A pesar de el valor de VTH, nosotros tenemos algunas veces que VTL = VTH/2.

El estado de el flip - flop es controlado por los comparadores como sigue. Cada vez que el voltaje Vtrig en la entrada TRIGGER cae debajo de VTL, CMP2 dispara y fija al flip - flop, forzando una Q con valor alto y una Q (testada) baja. Con un voltaje bajo en su base, el BJT est en corte.

De la misma forma, cada vez que el voltaje Vthres y la entrada Threshold se incrementan por encima de VTH, CMP1 dispara y limpia al flip - flop, forzando a una Q baja y una Q (testada) alta. Con un voltaje alto en su base, el BJT est ahora en el estado de saturacin debido a la baja resistencia entre Q (testada) y la base del transistor.

Resumiendo, cuando baja el voltaje Vtring por debajo de VTL esto apaga al BJT, incrementando Vthres por encima de VTH y esto satura al transistor.

El dispositivo tambin incluye una entrada llamada RESET y forza a una Q baja, encendiendo al transistor a pesar de las condiciones en la entrada de los comparadores.

Para activar este comando, el voltaje del pin nmero 4 debe ser colocado a tierra. Cuando no est en uso, el pin 4 es conectado a Vcc.

El 555 est disponible en ambas versiones bipolar y CMOS. El NE555 (Signetics), el cual es una versin bipolar, est diseado para operar con una fuente de voltaje con los rangos de 4.5 V a 18 V y es capaz de producir a su salida corrientes de 200 mA.

El TLC555 (Texas Instrument), el cual en su versin CMOS, est diseado para operar con fuentes de voltaje que van de 2 V a 18 V y es capaz de producir a su salida corrientes de 100 mA y 10 mA, respectivamente. El transistor que tiene la funcin de switch es un nMOSFET tipo incremental.Las ventajas de los temporizadores CMOS es su bajo consumo de energa y una muy alta impedancia de entrada. El 556 consiste en 2 temporizadores 555 compartiendo la misma fuente de voltaje y la tierra.Vibrador Monoestable

Para configurar un temporizador 555 como monoestable, se utilizan una resistencia y un condensador externos, como se muestra en la figura.

Para el siguiente diagrama la resistencias de 470 y sus leds se utilizan como simple indicadores y su uso es opcional, la resistencia de 10K es la que regula la sensibilidad del pulso.

El potencimetro de 100K hace que el ciclo de trabajo sea del 50% (duty cycle)

La anchura del impulso de salida se determina mediante la constante de tiempo, que se calcula a partir de R1 y C1.tH=1.1RCPara tener una salida alrededor de los 5 volts es recomendable alimentar el circuito con 6.5 fo, indicando que la entrada senoidal con frecuencia menos que fo va a travs de el filtro sin afectar su amplitud, mientras que una frecuencia ms grande que fo es afectado por la atenuacin. Una aplicacin comn de un filtro pasa bajo es la eliminacin de el ruido de altas frecuencias de una seal.2. La respuesta de un filtro paso alto es complementario de la repuesta de un filtro paso bajo. Una entrada senoidal con una frecuencia mayor que la frecuencia de corte fo sale de el filtro sin cambio en la amplitud, mientras que esa frecuencia es menor que fo sufre una completa atenuacin.3. La respuesta de un filtro pasa banda se caracteriza por una banda de frecuencia fL < f < fH tal que una entrada una entrada senoidal con frecuencia dentro de la banda no sufre cambio mientras que con una frecuencia fuera de la banda es atenuada. La diferencia de fH - fL es llamado ancho de banda de un filtro, y el punto de el espectro de frecuencia en el cual la banda es centrada es llamada frecuencia central. Un ejemplo familiar de este tipo de filtros es circuito sintonizador de un radio AM / FM.4. La respuesta de el filtro rechazo de banda es complementario a la respuesta de el filtro pasa banda, este no permite el paso de frecuencias dentro de el siguiente rango fL < f < fH mientras que pueden pasar todas las otras. Cuando el rechazo de banda es suficientemente estrecho es llamado punto de respuesta.

Clasificacin y tipos.

3.2 Anlisis y diseo.

FILTRO PASO ALTO CON GANANCIA.

Colocando un capacitor en serie con la resistencia de entrada el amplificador inversor se torna en un filtro paso alto con ganancia. Ver figura 1.

Figura 1. Filtro paso alto con ganancia.

FILTROS ACTIVOS.

Los filtros pueden ser construidos solamente con resistores, inductores y capacitores (filtros RLC), los cuales son componentes pasivos. Sin embargo, podemos disear un filtro sin aadir inductores. En otras palabras, el op - amp ms una resistencia ms un capacitor pueden hacer lo que realiza una resistencia, ms un capacitor, ms un inductor.La eliminacin de un inductor es una gran ventaja ya que su rendimiento es el menos ideal de los elementos bsicos de un circuito. Adems estos tienden a ser pasados y voluminosos, otro inconveniente de los inductores es que son muy caros. Sin embargo, los filtros activos se abren paso con el bajo costo de los amplificadores operacionales monolticos, lo cual hace que los filtros activos sean comercialmente accesibles. Los filtros activos por consiguiente constituyen una de las reas ms frtiles de las aplicaciones de las amplificadores operacionales.

Filtros activos de primer orden.

Filtro paso bajo.

El filtro activo ms simple es obtenido de la configuracin inversor reemplazando uno o dos resistencias con otros elementos veamos.

El integrador (Tipo inversor).

Reemplazando la resistencia de realimentacin con un capacitor el amplificador inversor se convierte en un integrador. Ver figura 1.

Figura 1. El integrador (inversor).

Esta configuracin ya la analizamos en el dominio de el tiempo. Aqu sin embargo nosotros estamos interesados en el dominio de la frecuencia, as pues si analizamos el siguiente circuito en el dominio de la frecuencia , por la formula de al amplificador inversor H = -ZC/ZR esto es,

Considerando que |H|db = 20 log10 [1/(f/fo)] = -20 log10 (f/fo), el plano de |H|db vs. log10 es una lnea recta de el tipo y = -20x, como se muestra en la figura 2(b).Esto indica que el integrador pertenece a la clase de el filtro paso bajo, porque la entrada senoidal con frecuencia superior a fo es atenuada, mientras que esa misma seal con una frecuencia menor a fo no slo pasa sino tambin es amplificada en el proceso. Esto para nosotros no e sorpresa ya que |ZC| = 1/(2fC) es dependiente de la frecuencia. Una alta frecuencia donde |ZC| < R el circuito genera una atenuacin, mientras que para bajas frecuencias donde |ZC| > R el circuito genera una amplificacin. , el lmite ocurre en la frecuencia fo, |ZC| = R, esto es, 1/(2foC) = R. Esto produce fo = 1/(2RC), como es esperado. Por razones obvias, fo es llamado la frecuencia de ganancia unitaria de el integrador.La ecuacin 6 indica que el integrador introduce un desfasamiento de 90 entre la salida y la entrada. Por esto, los integradores son usados en las cudraturas de los osciloscopios para la generacin simultnea de una onda seno y coseno. Ciertamente, si alimentamos un integrador con una onda senoidal el resultado de la frecuencia fo ser un desfasamiento de 90 con respecto a la entrada.

El integrador no inversor.

Por el signo negativo en la ecuacin 2, se dice que es del tipo inversor. La figura 2 muestra el esquema de un integrador no inversor. Tambin llamado integrador Debo debido a su inventor, que consiste de un generador de corriente Howland no inversor que alimenta a un capacitor. Sabemos que si el puente de resistencias se encuentra en una forma balanceada, entonces tendremos que I = Vi/R1.

Figura 2. Integrador no inversor.

Por consiguiente, Vp = ZcI = Vi/(jwR1C). Por la accin de el amplificador no inversor tambin tenemos Vo = (1 + R2/R1). Eliminando Vp y resolviendo para h = Vo/Vi obtenemos:

Podemos observar que que H es ahora positiva (de ah el porqu de su nombre). Adems, su argumento es de -90, indicando que ahora la salida se retrasa con la entrada 90. El mayor inconveniente de este integrador es la necesidad de resistencias de precisin.

Filtro paso bajo con ganancia.

Colocando una resistencia en paralelo con el capacitor de realimentacin se torna el integrador en un filtro paso bajo con ganancia, ver figura 3.

Figura 3. Filtro paso bajo con ganancia.

Su funcin de transferencia es rpidamente encontrada como H = -Z2/R1, donde Z2 = R2 // [1/jwC)] = R2/(1 + jwR2C). Tenemos que w = 2f, nosotros ponemos a H en la forma:

Para construir el plano de magnitud notamos que (f/fo) > 1 podemos aproximar la ecuacin 7 como H Ho * 1/(j f/fo), indicando que la asntota de alta frecuencia es similar a que de un integrador podamos tener una ganancia |Ho| en (f/fo) = 1. Esto de nuevo no nos debe asombrar, ya que en altas frecuencias |Zc| is tan pequeo en comparacin con R2 que podemos ignorar a R2 y ver al circuito como esencialmente como un integrador. No obstante el lmite entre el comportamiento entre amplificador e integrador ocurre en la frecuencia fo que hace que |Zc| = R2, esto es, 1/(2foC) = R2.Esto produce que fo = 1/(2foC), como es esperado. Para (f/fo) = 1, la ecuacin 7 nos da que H = Ho/(1 + j) as que |H| = |Ho| /2, o equivalentemente a |H|db - 3 dB. Por esta razn fo es llamado frecuencia de -3 dB.

FILTRO PASA BANDA DE BANDA ANCHA.

Introduccin.Un filtro pasabanda es un selector de frecuencia. Permite seleccionar o pasar nicamente una banda particular de frecuencias de entre otras que pueden estar presentes en un circuito. En la figura 1 se mestra su respuesta nomalizada en frecuencia. Este tipo de filtro posee una ganancia mxima a una frecuencia resonante fr. Hay una frecuencia por debajo de fr en la que la ganancia cae a 0.707. Es la frecuenica de corte fL. En la frecuencia de corte mayor, fH, la ganancia tambin es igual a 0.707, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Un filtro pasa - banda tiene una ganancia mxima a la frecuencia de resonancia fr. La banda de frecuencias transmitidas quedan entre fL y fH.

Ancho de banda.El intervalo de frecuencias entre fL y fH recine el nombre de ancho de banda B o bien:

B = fH - fL

El ancho de banda no est exactamente centrado en la frecuencia de resonancia (por ello utilizamos el nombre trradicional "frecuencia de resonancia" y no "frecuencia central" para designar a fr).Cuando se concen los valores de fL y fH, la frecuencia de resonancia se puede obtener apartir de:

Si se conocen la frecuencia de resonancia, fr y el ancho de banda B, es posible calcular las frecuencias de corte mediante:

fH = fL + b

Factor de calidad.El factor de calidad Q se define como la relacin entre la frecuencia de resonancia y el ancho de banda o sea:

Q = fr / B

Q es una medida de selectividad del filtro pasabanda. Un Q alto indica que el filtro selecciona una banda de frecuencias ms pequea (es ms selectivo).El circuito de la figura 2 es una combinacin de el filtro pasa bajo y el filtro paso alto, y esto produce a el filtro pasa banda. La impedancia de entrada Z1 = R1 + 1/(jwC1) forma la seccin de el filtro paso alto con frecuencia de corte f1 = 1/(2R1C1), mientras que la impedancia de realimentacin Z2 = 1/(2R2C2). La funcin de transferencia es fcilmente determinada como H = -Z2/Z1. Expandiendo Z1 y Z2 nosotros obtenemos:

Podemos ver en la figura 2 el plano de magnitud que es fcilmente dibujado. Este tipo de filtro tiene aplicaciones tales como trasmisores de audio, donde es deseable amplificar seales dentro de un rango audible mientras se aparta las componentes de subaudio. Si lo deseramos, el filtro lo podemos hacer ms selectivo para mover f1 y f2, y que estn juntos, sin embargo, hay un lmite en el grado de selectividad a alcanzar con esta topologa de filtro pasa banda con la relacin frecuencia de corte alta a la frecuencia de corte baja.

Figura 1. Filtro pasa banda de banda ancha.

FILTRO RECHAZO DE BANDA.

Este filtro se forma a partir de filtros pasa bajas y pasa altas, la respuesta en frecuencia se muestra en la figura 1. Este tipo de filtro se forma colocando un filtro pasa - bajas en paralelo con uno pasa - altas.

Figura 1. Filtro rechazo de banda.

3.3 Filtros con Circuitos Integrados.

Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos ltimos son solamente una combinacin de resistencias, capacitores e inductores. En cambio los filtros activos se componen de resistores, capacitores y dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores.

Filtro activo paso bajo con Amplificador Operacional

Curva de respuesta de un filtro Paso bajo.Las lneas discontinuas rojas representan el filtro paso bajo ideal

Si se seleccionan los capacitores de modo que: C1 = C2 = C y R1 = R2 = R3 = REl valor de la frecuencia Fc (frecuencia de corte) se puede obtener con ayuda de la siguiente frmula: Fc = 0.0481 / RC.Y la ganancia del filtro (acordarse de que es un amplificador) ser: Av = Vo / Vin = R2 / R1.Si se expresa esta ganancia en decibeles: Av = 20Log Vo / Vin o Av = 20 log R2 / R1.Nota: Fc (frecuencia de corte) es el punto en la curva de transferencia en que salida ha cado 3 dB (decibeles) desde su valor mximo.4 Convertidores

4.1 Voltaje / frecuencia / voltaje

VCO (OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE).Este es un circuito que proporciona una seal de salida oscilante, cuya frecuencia puede ajustarse en un intervalo controlado por un voltaje de CD.

La frecuencia de oscilacin est dada por la siguiente ecuacin:

Restricciones prcticas:

1. R1 debe encontrarse dentro de un intervalo de 2 k < R1 < 20 k.2. Vc debe estar dentro del intervalo V+ < Vc < V+.3. F0 debe ser menor ue 1 MHz.4. V+ debe variar entre 10 y 24 V.

MODULACION EN FRECUENCIA. Es el proceso de cambiar la frecuencia de una forma de onda segn los cambios instantneos de nivel de otra forma de onda.

En este circuito L1 con D1 y D2 forman el circuito sintonizador.

Q1 Transistor oscilador Hartley.

D1, D2 Diodos capacitivos para controlar la frecuencia del oscilador.

L1 Bobina del oscilador.

C1 Capacitor de acoplamiento.

R2 Retorno de corriente continua para la compuerta de Q1.

D3 Rectifica la seal para la modulacin de compuerta de Q1.

C2 Derivacin de RF para los electrodos del drenador.

R3 Asla el drenador de Q1 del voltaje de alimentacin cc para la seal de c.a. proporciona el voltaje del drenador para Q1 y Q2.

VDD Voltaje de alimentacin de cc para los drenadores de Q1 y Q2.

Q2 Transistor seguidor de fuente.

R4 Resistencia de carga de salida para el electrodo de fuente de Q2.

Ambos ctodos tienen un voltaje de cc positivo de control, para el voltaje en sentido inverso y as variar la capacitancia. Esta capacitancia controla la frecuencia del oscilador.La salida del oscilador del electrodo de fuente de Q1 est conectada a la compuerta de Q2. Su salida se toma de la fuente en el circuito de seguidor de fuente el cual corresponde a un seguidor de emisor, lo que se persigue es usar a Q2 como una etapa reforzadora, la cual asla la salida del oscilador de Q1 de la carga conectada a Q2. La ventaja que se obtiene es la mejora de la estabilidad de frecuencia.

TIPOS DE VCO.

1. Oscilador de cristal (alta frecuencia, buena estabilidad).Su diseo depender de la frecuencia de operacin con TTL CMOS respuesta de 103 (estabilidad) otros con respuesta de 109 (estabilidad).

Alta Q, corte AT, operan en modo fundamental de resonancia serie (3 a 20 Mz). Impedancias bajas de fuente de carga, trabajan en una red lineal. La excitacin o disipacin del cristal debe ser pequea (no exceder de 10mW).

Oscilador Colpitts.

2. Oscilador LC.Cuando son ms importantes los cambios amplios de sintona y el costo de la estabilidad. Trabajan en frecuencias de 30 MHz a 200 MHz, se pueden construir con amplificadores operacionales. EJ.: RCA 3048, MC 1648.

3. Multivibrador RC.Son multivibradores de precisin y generalmente son del tipo de acoplo por emisor. La frecuencia de operacin est determinada por las componentes R, C y el voltaje de control, los zener se incluyen para hacer la salida independiente de control I (corriente de control), para que la frecuencia venga determinada por Vc.Vc/R * R1 > Vz, donde Vz es el voltaje de los zener.

Con esta codicin cumplida la frecuencia de viene determinada por el valor de Vc.

Algunos fabricantes son:

Signetics 566 Motorola MC4024National LM566 Motorola 1658Exar XR2209

4.2 Voltaje / Corriente.

CONVERTIDORES V-I (CARGA A TIERRA).

Cuando una de las terminales de la carga est ya compartida, no es posible colocar la carga dentro del lazo de realimentacin de el op-amp.La figura 1 muestra un circuito alternativo de convertidores de V - I para una carga situada a tierra. Refirindonos a como el generador de corriente Howland, por el nombre de su inventor, el circuito es engaosamente evocador del amplificador de diferencia. En este caso la salida es la corriente de carga Io, y R4 es ahora conectado a la salida del op - amp antes que la tierra. Adems, el circuito emplea ambos, realimentacin negativa, va R2 y realimentacin positiva va R4. El propsito de la realimentacin positiva es la de incrementar la efectividad de la impedancia de salida e idealmente, hacerla infinita como es requerido por el comportamiento de una fuente de corriente exacta.

Figura 1. Fuente de corriente Howland y su circuito equivalente de Norton vista por la carga. Si R4/R3 = R2/R1, entonces Ro ser infinito.

Para determinar la relacin entre Io y Vi nosotros aplicamos la ley de corrientes de Kirchhoff en el nodo no inversor. Y tenemos:

Donde Vo denota la salida del op - amp, tan usual. Sin embargo nosotros estamos interesados en Io, no en Vo. Para determinar Vo notamos que, con respecto a VL, el op-amp acta como un amplificador no inversor.

Eliminando Vo y reacomodando, nosotros podemos poner Io en la forma:

donde

La ecuacin 3 puede ser estimada con la ley de corrientes de Kirchhoff para el circuito de la figura 1(b), por lo tanto, este circuito representa el equivalente de Norton. Para una fuente de corriente Io debe ser independiente de VL; eso es, Ro debe ser infinita.

De acuerdo con la ecuacin 4 para lograr Ro = , debemos imponer R4/R3 R2/R1 = 0. Esto es la condicin familiar de balance de puente:

entonces la ecuacin 3 se simplifica a:

Esto es, la corriente de salida llega a independizarse de el voltaje en la carga, por consiguiente asegura la conversin de V I. La ganancia de el convertidor es 1/R3. Con Vi en el rango de volts, escogiendo R3 en el rango de los k esto producir una salida de corriente en el orden de los mA, escogiendo R3 en el rango de los M producir una salida en el orden de los uA y as sucesivamente.

Cmo puede lograr el circuito que Ro = ?, es una pregunta muy intrigante. Nosotros tenemos que ganar una mejor capacidad conteniendo a Vi, reemplazando la carga por un voltaje Vx; al determinar la corriente Ix tenemos que Ro = Vx/Ix. Aplicando en el nodo Vx con Vi = 0 esto causar que R3 conduzca una corriente IR3 = Vx/R3 haca tierra y tambin forzar a que el op amp balancee su salida a Vo = (1 + R2/R1)Vx. Como consecuencia de esto, R4 conducir una corriente IR4 = (Vo Vx)/R4 = VxR2/(R1R4). Note, sin embargo que por la ecuacin 5; R2/(R1R4) = 1/R3 as que IR4 = Vx/R3 = IR3.

En otras palabras, esto es que el op amp por s mismo proveer, va R4, la corriente demandada por R3 cuando nosotros aplicamos Vx. Por consiguiente el circuito no absorber corriente, nada en absoluto de la fuente de prueba Vx, por lo tanto hacemos Ix = 0. As pues, por ltimo Ro = Vx/0 = .

El circuito trabaja tanto para valores positivos y negativos de Vi y por consiguiente es tambin llamado un convertidor bidireccional de V I.

CONVERTIDORES DE V-I (CARGA FLOTANTE).

El convertidor de voltaje a corriente controlado por voltaje (VCCS), acepta una entrada de voltaje Vi y da una salida de corriente Io. Tal que Io = (1/R)Vi; donde la ganancia, 1/R, es ahora expresado en las dimensiones de siemens, que es, las dimensiones de la conductancia. Por esta razn, los convertidores de V - I son tambin llamados amplificadores de transconductancia. Ya que la salida del circuito es una corriente, no necesita una carga para trabajar apropiadamente.Dejando la salida abierta causar el mal funcionamiento del circuito ya que la corriente no tendra un camino en el cual fluir.

Si ambas de las terminales son no comprometidas, la carga es dicho ser del tipo flotante.

Frecuentemente, sin embargo, una de las terminales est ya comprometida a tierra o a otro potencial, la carga es entonces dicho ser del tipo tierra, y la salida del convertidor V - I deber ser aplicado a la terminal no comprometida. Los convertidores de V - I son fcilmente implementados con op - amps.

Los convertidores de V - I ms fciles para implementar son esos para cargas flotantes. La figura 1 muestra las 2 implementaciones bsicas, ambas usan una carga como una red de realimentacin. (Si una de las terminales de carga fuera ya comprometida, esto por supuesto no sera posible).

Refirindonos a el circuito de la figura 1(a), notamos que puesto que el op - amp mantiene Vn = 0, la corriente en el resistor debe ser IR = Vi/R. Por lo tanto no fluye corriente dentro de las entradas del op - amp, esa corriente debe fluir a travs de la carga, as que Io = IR, eso es:

Esta expresin se mantiene a pesar de todo del tipo de carga. Eso puede ser lineal (ejemplo, un transductor resistivo) o no lineal (ejemplo, un diodo emisor de luz), o puede tener caractersticas que dependen de tiempo (ejemplo, un capacitor).

No importa la carga, el op - amp trazar la corriente de la ecuacin 1, de quienes la magnitud depende solo de Vi y R. Para lograr Vn = 0 el op - amp debe tambin acomodar cualquier cada de voltaje VL, que la carga da en respuesta a esta corriente. Esto requiere que el op - amp balancee la salida a Vo = -VL, algo de eso en buen grado har tan grande como la magnitud de VL no es tambin grande a causa de una saturacin en la salida.

En efecto, eso es fcilmente visto que la obediencia del voltaje de el circuito coincide con la regin lineal del op - amp, esto es el rango del voltaje de carga permisible es VSATL( VL VSATH.De importancia particular es el caso en la cual la carga es un capacitor. Si Vi se mantiene constante, el circuito forzar a una corriente constante a travs del capacitor as que este ltimo se cargar o descagar, dependiendo de la polaridad de Vi, en una velocidad constante.

Esto forma las bases de los generadores de diferentes formas de onda (dientes de sierra o forma de onda triangular), convertidores de V - F y de F - V, convertidores A - D de rampa doble, etc.

Un problema con el circuito de la figura 1(a), es que la fuente Vi debe ser capaz de suplir la cantidad deseada a la corriente de carga.

Esta desventaja es evitada con el circuito de la figura 1(b), el cual presenta una impedancia de entrada virtualmente infinita para la fuente.

El op - amp mantiene Vn = Vp eso requiere forzar a la corriente IR = Vn/R = Vp/R = Vi/R a travs del resistor.

Puesto que no fluye corriente dentro de las entradas del op - amp, la corriente IR tendr que fluir a travs de la carga as que nosotros tenemos de nuevo Io = (1/R)Vi.

Para hacer apto todo, el op - amp debe balancear su salida a Vo = Vi + VL. Esto puede en seguida ser hecho mientras Vo es confinado dentro de la regin lineal. Por consiguiente, el rango de voltaje de carga permisible es ahora (VSATL-Vi) ( VL( (VSATH-Vi).

Esto es mas restrictivo que con el circuito previo, as que las ventajas de una impedancia de entrada infinita es compensada por un bajo acatamiento.

4.3 Corriente / Voltaje

CONVERTIDORES DE I - V.

El convertidor de I a V, tambin llamado una fuente de voltaje controlado por corriente (CCVS), acepta una corriente de entrada Ii y produce un voltaje de salida Vo tal que Vo = AIi, donde A es la ganancia del circuito. Puesto que A es medido en ohms, es ms apropiado de notar la ganancia por el smbolo R. A causa de esto, los convertidores de I - V son tambin llamados amplificadores de transresistencia.

Figura 1. Convertidor bsico de corriente a voltaje.

Aunque el amplificador operacional es, estrictamente hablando, un amplificador de voltaje, puede ser configurado como un amplificador de transresistencia, si lo conectamos como se muestra en la figura 1. Si observamos con atencin al circuito podemos ver que IR = Ii; esto es, (Vn Vo)/R = Ii. Ya que el op amp mantiene Vn = 0, nosotros obtenemos que

Vo = (-R)Ii ec. 1

La ganancia R, es negativa porque nosotros especificamos la direccin de la corriente Is. Invirtiendo la polaridad de Is, tambin se invertir el voltaje Vo. Si deseramos, la magnitud de la ganancia podemos variarla; cambiando la resistencia R por un potencimetro, est quiz sea la razn de que algunas veces el circuito es algunas veces llamado un amplificador potenciomtrico.

Por supuesto, el elemento de realimentacin no necesariamente tiene que ser puramente resistiva, tambin puede ser arbitrariamente una impedancia Z, en el caso de la ecuacin 1 cambia de la siguiente forma Vo = (-Z)Ii y el circuito es llamado un amplificador de transimpedancia.

El propsito del amplificador operacional es de eliminar ambas posibles cargas, en la entrada y en la salida. En efecto, debera la fuente de entrada exhibir alguna resistencia en paralelo finita Rs, el op - amp eliminar cualquier corriente perdida a travs de Rs, vemos que Vn = 0.

De la misma forma, por la entrega de Vo con una virtual resistencia que vale cero. Eso elimina cualquier voltaje perdido esperado por la carga de salida.

4.4 Anlogo / Digital

CONVERTIDORES ANALOGICOS - DIGITALES (ADC).

CLASIFICACION.

1. Comparador de voltaje (Rampa discreta, Aproximaciones sucesivas, Balance nulo continuo).

2. Carga y/o descarga del capacitor (Conversin de Vc a frecuencia, Conversin de ancho de pulso, Doble integracin).

PARA EL DISEO EXISTEN DOS ERRORES PRINCIPALES

A). ERROR DE CANTIDAD. Est en funcin del nmero de bits en la palabra digital convertida, si se considera que el nmero de valores digitales (0,1) de que se dispone para representar una cantidad analgica, el error de cantidad tiene un mximo de del valor de LSB. Tambin conocido como resolucin o precisin de conversin.

B). ERROR POR EQUIPO. Se refiere al error en los componentes empleados (tolerancias), a cambios en los valores de dichos componentes con la temperatura, el tiempo, la humedad, etc.

PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE EL CONVERTIDOR ANALGICOS - DIGITALES.

A. RAPIDEZ. Velocidad de conversin que se expresa en bit/seg palabra/seg, y depende de:

A.1. Del nmero de seales analgicas que se desean convertir con el mismo convertidor.A.2. El contenido armnico de la seal analgica por convertir.

B. IMPEDANCIAS DE ENTRADA. Cuando se tiene una fuente de voltaje analgico y que necesariamente presenta una impedancia de fuente se obtiene un error que se puede calcular de la siguiente manera:

INCLUDEPICTURE "../../../Mis%20documentos/jacobo/tutoriales/ElectrnicaIV/Page/Captulo4/Iconos/cformula2.jpg" \* MERGEFORMATINET En donde E1 tiende a 0 a medida que Ze tiende a infinito.

C. RANGOS DE VOLTAJES ANALOGICOS. Este parmetro se refiere a la mxima excursin positiva o negativa del voltaje analgico en los cuales se tiene una operacin adecuada del convertidor.

D. SALIDA DIGITAL. La seal digital se debe especificar debidamente si est en serie o paralelo, los niveles de las cantidades lgicas 1 y 0, los tiempos de subida y cada de los pulsos, etc. Es necesario que la salida est bien caracterizada para poder disear los enlaces con otros equipos.

E. RANGO DE TEMPERATURA. Normalmente se especifica el rango de temperatura en el cual el convertidor puede trabajar adecuadamente.

F. POTENCIA DE CONSUMO Y FACTORES MECANICOS. Se debe especificar el voltaje de alimentacin y la potencia de consumo del convertidor, as como las dimensiones fsicas y su peso.

G. RECHAZO A MODO NORMAL. Se refiere a la posibilidad que tenga el circuito de rechazar seales sobrepuestas y montadas en la seal analgica a medir. Por lo general, estas seales sobrepuestas son generadas por la frecuencia de lnea, pero pueden presentarse en otras seales.

Una solucin a este problema es introducir un filtro pasa-bajas el cual eliminar todas las componentes en alta frecuencia, en ruidos que tenga la seal analgica a convertir.

CONVERTIDOR DE APROXIMACIONES SUCESIVAS.

1. Supngase que todos los circuitos est a cero, lo cual se logra aplicando un pulso a la entrada de reposicin de cero.

2. Si aplicamos un pulso de arranque al biestable RS que permite el acceso a los pulsos del reloj al programador lgico, el cual empieza cargando un 1 en el dgito ms significativo.

3. Si se parte de la suposicin de que Vc es cero, lgicamente: Vx > Vc por lo cual a su vez alimenta al DAC apareciendo cierto valor de Vc, por lo cual a travs de la compuerta Y1 aparece el pulso de reloj con un cierto retardo.

4. Esto hace que el 1 programado se transfiera a la memoria la cual a su vez alimenta al DAC apareciendo el valor de Vc a su salida, estableciendo una nueva comparacin entre Vx y Vc.

5. Si Vc resulta mayor que Vx, entonces el siguiente pulso de reloj retira el 1 del dgito ms significativo, y el programador pone un 1 en el bit siguiente, y nuevamente se efecta la comparacin.

6. El programador contina unos a las dems posiciones y sucesivamente se va comparando para borrar o retener el valor obtenido.

7. En esta forma, cuando el programador ha recorrido todos los bits, se termina la conversin y se detiene el paso de los pulsos de reloj, se determina la conversin y se detiene el paso de los pulsos de reloj por la puesta a cero del biestable RS de control.

EJEMPLO. Supngase que se quiere convertir una seal analgica Vx=0.65v con un convertidor de 3 bits.Se pone a 100, es decir, y se compara Vx resultando que Vx>Vc, por lo tanto se retiene en 1 y se agrega el siguiente es decir 110 que equivale a , se compara con Vx y resulta queVx Vo. Esto es como dejar el peso de 4 lb en la balanza.El registro de aproximacin sucesiva aplica despus 110 (se agrega un peso de 2 lb) al convertidor digital a analgico; D1 se pone a 1 puesto que Vent = 6.5 V es mayor que Vo = 6 V. Por ltimo, el registro aplica 111 al convertidor digital a analgico (se agrega 1 lb). Dado que Vent = 6.5 V es menor que 7 V, se pone Do a cero (se elimina el peso de 1 lb).Tiempo de conversin.La figura 6 muestra que se necesita un pulso de reloj para que el registro de aproximacin sucesiva (SAR) compare cada bit. No obstante, casi siempre se requiere un pulso adicional para restablecer el registro antes de llevar a cabo la conversin. El tiempo que tarda una conversin analgica a digital depender tanto del periodo del reloj T como del nmero de bits n. La relacin es:

Figura 6. Inicio, comienza la operacin de este registro de aproximacin sucesiva de 3 bits. Comenzando con el MSB, el peso de cada bit se compara con Vent con el comparador de la figura 5. Si Vent es mayor, la salida del SAR se pone en 1 o en 0 si Vent es menor. Las lneas oscuras muestran la conversin para Vent = 6.5 V.4.5 Digital / Anlogo.

Tipos de DACSEn paralelo.- Resistencias ponderadas.

- Escalera de resistencias R - 2R.

En serie.- Circuito integrador.

CARACTERSTICAS DE UNA SEAL DIGITAL.

Entrada serie. Entrada paralelo. Anchura (nmero de bits). Cdigo. Nivel (0 1). Elementos lgicos. Tecnologas (TTL, DTL, etc.).

PARAMETROS DE OPERACIN DEL DAC.

a) Precisin absoluta.b) Linealidad diferencial.c) Linealidad absoluta.d) Sensitividad de la fuente de alimentacin.e) Estabilidad trmica.f) Resolucin.g) Tiempo de establecimiento.

PRECISION ABSOLUTA. Se refiere al porcentaje de error que presenta el convertidor a plena escala en su magnitud de salida analgica.

LINEALIDAD DIFERENCIAL. Describe la variacin del tamao en escalones adyacentes; el tamao de los escalones depende del nmero de bits del DAC, mientras ms bits ms pequeos son los escalones.

LINEALIDAD ABSOLUTA. Es el error mximo que se presenta en el convertidor, usualmente por la ganancia del amplificador operacional cambia la pendiente de la recta.

SENSITIVIDAD DE LA FUENTE DE ALIMENTACION. Esto se refiere al mximo valor que puede variar la fuente de alimentacin para no afectar la salida del convertidor y por lo general el 3% de variacin en la fuente, no debe variar LSB.

ESTABILIDAD TERMICA. Se refiere a la inmunidad del convertidor a los cambios de temperatura y se mide por el coeficiente de temperatura que se expresa por el nmero de m-volts que cambia la salida por grado centgrado de incremento en la temperatura.

RESOLUCION. Se refiere a la longitud de la palabra que puede manejar el convertidor, posee el nmero de dgitos (bits) del nmero binario cuyo LSB puede distinguirse en la salida analgica.

TIEMPO DEL ESTABLECIMIENTO. La operacin del convertidor no es instantnea pues est limitada por los tiempos de conmutacin de los transistores o FET's usados en la compuerta. Se mide por el tiempo requerido para un cambio en plena escala (cero mximo) o un porcentaje en ella.

SELECCIONAR UN DAC PARALELO.

1. Caractersticas de la entrada digital.-Serie o paralelo.

-Cdigo usado (binario, BCD, binario complementario, etc.).

- Tiempo que mantiene el dgito en la lectura.

2. Caractersticas de la salida analgica.-Tipo de salida (corriente o voltaje), rango a plena a plena escala.

-Precisin requerida (resolucin).

-No linealidad absoluta y diferencial que puede tolerarse.

3. Caractersticas ambientales que afectan la precisin.-Variacin en la lnea, variaciones en la fuente.

-Variacin de la temperatura.

-Estabilidad con el tiempo.

Diagrama abloques de un DAC paralelo.

Convertidor DAC serie.Si observamos la siguiente figura:

INCLUDEPICTURE "../../../Mis%20documentos/jacobo/tutoriales/ElectrnicaIV/Page/Captulo3/Iconos/cfig6.jpg" \* MERGEFORMATINET

Esta ecuacin se cumple si los pulsos de entrada tienen la misma amplitud y anchura.

Donde:

N es el nmero de pulsos en el intervalo de integracin.A es la amplitud de los pulsos.t es el intervalo de integracin.

La constante de proporcionalidad entre el nmero de plusos y la salida analgica.

K = At / R1C

La precisin de este tipo de convertidores depender principalmente de:

A). La igualdad de anchura y amplitud de los pulsos.

B). Los voltajes y corrientes residuales del opamp y su corrimiento por temperatura.

C). Las fugas del condensador debidas al imperfecto aislamiento del mismo, y al la resistencia no infinita de la compuerta usada como interruptor.

D). La dependencia de la temperatura de las resistencias y condensador.

E). La precisin del intervalo de integracin.

RESISTENCIAS PONDERADAS.

Los convertidores de digital a analgico (D/A) transforman una palabra digital en una tensin o corriente analgica. La magnitud de la salida de D/A es en general proporcional o inversamente proporcional a la corriente que fluye a travs de resistores ponderados. En la figura 1 se muestra un ejemplo de convertidor binario de ocho bits con un amplificador operacional como convertidor de corriente a tensin. Cada una de las entradas est ponderada de acuerdo con los resistores de suma de entrada de tal forma que se obtenga la potencia de 2 apropiada. Una seal de 8 bits en la entrada proporciona una salida analgica.

Figura 1. Convertidor D/A.

Ahora veremos otro ejemplo la figura 1 b muestra el circuito bsico para un DAC de 4 bits. Las entradas A, B, C y D son entradas binarias que se supone tienen valores de 0 V o 5 V. El amplificador operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma de los factores de ponderacin de estos voltajes de entrada. Debemos recordar que el amplificador sumador multiplica cada voltaje de entrada por la proporcin de las resistencias de retroalimentacin RR a la resistencia de entrada correspondiente RENT. En este circuito RR = 1 K, de modo que el amplificador sumador pasa el voltaje en D sin atenuacin. La entrada C tiene RENT = 2 K, de manera que ser atenuada en . En forma anloga, la entrada B ser atenuada en y la entrada A en 1/8.

Por consiguiente, la salida del amplificador se puede expresar como:

El signo negativo est presente debido a que el amplificador sumador es un amplificador inversor.La salida del amplificador sumador evidentemente es un voltaje analgico que representa una suma de los factores de ponderacin de las entradas digitales, como lo muestra la tabla de la figura 1 b. Esta tabla muestra todas las posibles condiciones de entrada y el voltaje de salida del amplificador resultante. La salida es evaluada con cualquier condicin de entrada, poniendo las entradas apropiadas en 0 V o 5 V. por ejemplo, si la entrada digital es 1010, entonces VD = VB = 5 V y VC = VA = 0 V. As utilizando la ecuacin anterior:

La solucin de este convertidor D/A es igual a la asignacin del factor del LSB, que es 1/8 * 5 V = 0.625. Como muestra en la tabla, la salida analgica aumenta en 0.625 V a medida que el nmero de entrada binario avanza un paso.D C B A Vsal en Volts

0 0 0 0 0

0 0 0 1 -0.625

0 0 1 0 -1.250

0 0 1 1 -1.875

0 1 0 0 -2.500

0 1 0 1 -3.125

0 1 1 0 -3.750

0 1 1 1 -4.375

1 0 0 0 -5.000

1 0 0 1 -5.625

1 0 1 0 -6.250

1 0 1 1 -6.875

1 1 0 0 -7.500

1 1 0 1 -8.125

1 1 1 0 -8.750

1 1 1 1 -9375

Figura 1 b. DAC simple que utiliza un amplificador operacional en configuracin de sumador con resistencias de ponderacin binarias.Si se observan los valores de las resistencias de entrada de la figura 1 b, no debe ser ninguna sorpresa que stos muestren factores de ponderacin binarios. En otras palabras, comenzando con la resistencia correspondiente al MSB, los valores de las resistencias aumentan por un factor de 2. Esto produce la ponderacin deseada en el voltaje de salida.Exactitud de la ponderacin.

La tabla de la figura 1 b da los valores ideales de VSAL en los diversos casos de entrada. La aproximacin que logre este circuito al producir estos valores depende principalmente de dos factores: (1) la precisin de las resistencias de entrada y retroalimentacin y (2) la precisin de los niveles de voltaje de entrada. Las resistencias pueden hacerse muy exactas (dentro de 0.01 % de los valores deseados) por ajuste, pero los niveles de voltaje de entrada deben manejarse en formas distintas. Las entradas digitales no pueden tomarse directamente de las salidas de los FFs o compuestas Lgicas, puesto que los niveles lgicos de salida de estos dispositivos no son valores exactos como 0 V y 5 V, sino que varan en un intervalo determinado. Por esta razn, se necesita aadir cierta circuitera entre cada entrada digital y su resistencia de entrada al amplificador sumador.CONVERSION POR RED DE ESCALERA R 2R.

La conversin digital a analgica se lograr mediante varios mtodos diferentes. Un esquema popular utiliza una red de resistencias llamadas red de escalera. Una red de escalera acepta entradas de valores binarios, por lo general. A 0 V o Vref , proporciona un voltaje de dc. El voltaje de salida es proporcional al valor de la entrada digital y est dado por la relacin:

Figura 1. Red de escalera de cuatro etapas usada como convertidor D/A. a) Circuito bsico; b) circuito de ejemplo con entrada de 0110.

En el ejemplo mostrado en la figura 1 b, el voltaje de salida resultante debe ser:

Por lo tanto, 01102 digital se convierte a 6 V analgicos.

La funcin de la red de escalera es convertir los 16 valores binarios posibles, desde 0000 hasta 1111, en algunos de los 16 niveles de voltaje en incrementos de Vref/16. El uso de ms secciones de escalera permite tener ms entradas binarias y mayor cuantizacin para cada incremento. Por ejemplo, una red de 10 etapas puede extender la cantidad de incrementos de voltaje a Vref/2^10 o Vref /1024, o aproximadamente 10 mV. Ms etapas de escalera proporciona mayor resolucin de voltaje.

En trminos generales, la resolucin de voltaje para n etapas de escalera es:

La figura 3 muestra un diagrama de bloques de un DAC usando una red de escalera. La red de escalera que se indica en el diagrama como escalera R-2R se localiza entre la fuente de la corriente de referencia y los interruptores de corriente conectados a cada entrada binaria, siendo la corriente de salida resultante proporcional al valor binario de la entrada. La entrada binaria activa las terminales seleccionadas de la escalera, siendo la corriente de salida una suma ponderada de la corriente de referencia. La conexin de la salida a una resistencia producir un voltaje analgico, en caso de que as se desee.

Figura 2. CI convertidor D/A usando una red de escalera R-2R.