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el mejor resumen de malvino...

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Resumen Principios de Electrónica Malvino Jorge Alberto Cantor Gonzalez. Jacantorg @sanmateo.edu.co Fundación Universitaria San Mateo Ingeniería en telecomunicaciones

Grupo 02N25

Resumen- Este documento presenta el resumen acerca de los capítulos 16 18 20 y 21 los cuales se da a conocer relevancia de los casos de los anteriores capítulos para mejor entendimiento de acuerdo con la lectura que se realizo en el libro solicitada por la materia Análisis de Señales. Para más información sobre el libro, se puede consultar del libro “Principios de Electrónica” Malvino 6ta Edición, McGRAWHILYINTERAMERICANA DE ESPANA, S. A. U. 28023 Aravaca (Madrid)

CONTENIDO Capitulo 16. EFECTOS DE LA FRECUENCIA Capitulo 18. AMPLIFICADORES OPERACIONALES Capitulo 20. ClRCUlTOS LINEALES Capitulo 21. FILTROS ACTIVOS CAPITULO 16 EFECTOS DE LA FRECUENCIA En este capítulo se describe de cómo calcular las ganancias de potencia y de tensión en decibelios. También se encuentra los diagrama de Bode por la magnitud y la fase. Se encuentra del cómo utilizar el teorema de Miller Se describe relaciones de subida y bajada en anchos de banda Explica acerca de los condensadores de acoplo y desacoplo. 1. Efectos de la Frecuencia Respuesta de una frecuencia de un amplificador se entiende como la representación de una ganancia con función a la frecuencia, también se indican que se pueden diseñar amplificadores de continua el cual puede amplificar tanto señales continuas como alternas. 2. Respuesta de un amplificador de alterna.

Se indica acerca de que en las regiones de frecuencias medias, la ganancia de tensión máxima de acuerdo a lo anterior es hay donde funciona el amplificador. En cambio en bajas frecuencias la tensión de salida disminuye. En altas frecuencias la ganancia de tensión decrece. Se habla acerca de los transistores ya que tienen capacidades internas en sus uniones, que proporcionan cortocircuito para la señal alterna. Existen diferentes tipos de transistores . Transistor bipolar . Transistor Darlington . Transistor de efecto campo . Transistor de pequeña señal .Transistor de potencia . Transistor externo de potencia . Transistor ideal .Transistor pnp .Transistor uniunion Se habla también acerca de capacidades parasitas de las conexiones es otra razón para la perdida de ganancia de tensión a altas frecuencias. De acuerdo a las imágenes ilustradas en el libro se identifica que cualquier cable de conexión en un circuito de transistor actúa como una placa condensadora. 3. Frecuencias de corte Se conoce como las frecuencias a las que la ganancia de tensión es igual a 0,707 de su valor máximo, se conocen como frecuencia de corte. Recordar: potencia es igual al cuadrado de la tensión dividida por la resistencia. Cuando se eleva al cuadrado 0,707, se obtiene 0,5

Para calcular la ganancia de tensión de un amplificador:

Esta ecuación supone que un condensadores dominante esta produciendo estas frecuencias de corte inferior. Analizar tres zonas de frecuencia f1/f = 0 aproximadamente igual a 1 f/f 2= 0 Banda Media: A= Amed Respuesta de un amplificador de continua

Preguntas: 1 ¿cómo es la respuesta en frecuencia? 2 ¿Cuál es la ganancia de tensión si la frecuencia de entrada es de 5Hz? 3 ¿y si es de 200 Hz? Respuestas 1 En las frecuencias medias la ganancia de tensión es de 200 en cualquiera de las dos frecuencias de corte es igual A = 0,707(200) = 141 2 200 200

A= = 200

= 1 + 17

= 48,5 3

200

= 19,9

1+(200/20)2 4. Ganancia de potencia en decibelio Como no hay frecuencias de corte inferior, las dos características importantes de amplificador de continua son Amed y f2, a partir de estos tenemos ganancia de tensión. La anterior formula indica: Ganancia de tensión es 0,5 x 100 menor que el valor máximo, cuando fent es la 1/10 parte de la frecuencia de corte superior Quiere decir ganancia de tensión casi 100 x 100 del valor máximo.

La ganancia de potencia en decibelios G G = Pout Pin Hay veces se utiliza Ap en lugar de G para representar la ganancia de potencia. Ahora en decibelios Gdb = 10logG G= cociente entre potencia de salida y de entrada no tiene dimensiones o unidades. Dos propiedades útiles en la potencia de decibelios

4. Banda Media Se conocen como frecuencias medias de un amplificadores como margen de frecuencias.

10f1 y 0,1f2 = frecuencias medias

medias, si las frecuencias de corte son: f1 = 20 Hz f2 = 20 kHz

Amplificadore de alterna son una ganancia de tensión de 200 en las frecuencias

. cuando la ganancia de potencia se incrementa o disminuye o un factor de 2 la ganancia de potencia en Dv aumenta o disminuye en 3 Db. . Si la ganancia de potencia crece o decrece en un factor

de 10, la ganancia de potencia en Db aumenta o disminuye en 10 Db.

Adaptación impedancia

Problema: Calcular la ganancia de potencia en decibelios para los siguientes valores G = 1, 2 ,4 ,8 Con una calculadora obteneos las siguientes respuestas Gdb = 10log1 = 0db Gdb = 10log2 = 3db Gdb = 10log4 = 6db Gdb = 10log8 = 9db Cada vez que G se incrementa por un factor de 2 la ganancia de potencia, la ganancia de potencia en decibelios se incrementa en 3db 5. Ganancia de potencia en Db Las medias de tensión son más habituales que las medidas de potencia. Por esta razón los Db son mas útiles aplicados a la ganancia de tensión.

Problema ¿Cuál es la ganancia total de tensión de la siguiente figura?

(Dos etapas de ganancia de tensión) Solución

a) A m pli fic ad or in ve rs or

La ganancia de tensión total es A= (100)(200) = 20.000 de

En muchos sistemas de comunicaciones (microondas, televisión y teléfono, todas las impedancias están adaptadas.

(Diagrama asintótico de Bode de un amplificador de alterna)

Potencia de entrada Pin = Vin R Potencia salida Pout

Vout ´2 R

Ganancia de potencia es G = Pout = Vout´2/R = Vout´2 = Vout Pin Vin´2 Vin´2 Vin 6. DECIBELIOS CON REFERENCIA Los niveles de referencia utilizados en este apartado son el milivatio y el voltio. a veces se usan 10s decibelios para indicar el nivel de potencia por encima de 1 mW.

(Potencia en dBm) 7. DIAGRAMAS DE BODE Es una representación incompleta del comportamiento del arnplificador este tipo de representaci6n utiliza 10s Decibelios, puede dar mas informaci6n acerca de la respuesta del amplificador fuera de las frecuencias medias.

(Diagrama asintótico de un amplificador de continua) Los diagramas asint6ticos de Bode son aproximaciones útiles para análisis preliminares. La ganancia de tensi6n de un arnplificador operacional decrece gradualmente entre las frecuencias medias y la frecuencia de corte 8. EL EFECTO MILLER Es un amplificador inversor con una ganancia de tensión A. un amplificador de inversor produce una tensión de salida donde se desfasa 180° de acuerdo a la tensión de entrada.

b) El ef ec to M ill er pr od uc e u na ca pa ci da d gr an de a la en tr ad a

Sus valores se pueden obtener mediante procedimientos de algebra compleja

Se indica como ventaja utilizar el teorema de Miller es que descompone el condensador en otros dos nuevos, uno tanto de entrada y otro de salida. la mayoría de los amplificadores operacionales están compensados internamente, lo que significa que incluyen un condensador de desacoplo dominante que hace caer la ganancia de tensión con una pendiente de 20 dB por década.

El efecto Miller se usa para producir este condensador de desacoplo dominante.

Se indica también acerca de las resistencias del generador y la resistencia de entrada de la etapa aparecen junto al condensador. El circuito que se indica de acoplamiento tiene una frecuencia de corte de donde R es la suma de RG y Rin, en la figura anterior representa la respuesta en frecuencia.

El efecto Miller produce una red de retardo de fase a la entrada. 9. RELACION TIEMPO DE SUBIDA ANCHO DE BANDA un arnplificador con una onda sinusoidal consiste en excitarlo con una entrada sinusoidal y medir su tensi6n de salida sinusoidal. 10. ANALISIS FRECUENCIAL DE ETAPAS BIPOLARES En estos tiempos existe en el mercado existen gran variedad de amplificadores operacionales con frecuencias de ganancia unidad desde 1 hasta más de 200 MHz. La mayoría de amplificadores se construyen utilizando amplificadores operacionales. Cuando se acopla una señal alterna a la entrada de una etapa de amplificación, el circuito equivalente a la siguiente imagen.

11. EFECTOS DE LA FRECUENCIA DE CIRCUITOS DE MONTAJE SUPERFICIAL Se indica acerca de las capacidades a inductancias parasitas de las conexiones de convierten en un problema considerable en dispositivos discretos y circuitos integrados que funcionan por encima de 100 kHz. Hay tres tipos de efectos de fuentes parasitas en los componentes convencionales. 1.

La geometría y la estructura interna

2.

El diseño del circuito impreso, incluyendo las orientaciones de los dispositivos.

3.

Las conexiones externas del dispositivo

De acuerdo a lo anterior se indica que el uso de componentes en montaje superficial elimina virtualmente el punto tercero de la lista, aumentando el control que tienen 10s ingenieros de diseño sobre los efectos de capacidades e inductancias parasitas entre los componentes de una placa de circuito.

Esta imagen indica acerca de la utilización de EWB y su trazador de diagramas de Bode para analizar una etapa en EC. CAPITULO 18 AMPLIFICADORES OPERACIONALES En este capitulo encontramos casos como el indicar como se enumera las características de los amplificadores operacionales ideales. También define la velocidad de respuesta y utilizarla para encontrar el ancho de banda a plena potencia. Indica como analizar un amplificador operacional inversor y también no inversor Explica como funciona los amplificadores sumadores y los seguidores de tensión. Indica como enumerar otros circuitos integrados y comentar como se aplican.

1 INTRODUCCION A LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Se entiende como un diagrama de bloques de un amplificador operacional, La etapa de entrada es un amplificador diferencial

seguido de más etapas de ganancia y un seguidor de emisor de clase B en contrafase. En la mayoría de los amplificadores operacionales la salida es de un terminal, como se muestra en la siguiente figura:

Con resistencias de carga pequeñas, MPP está limitada por la corriente de cortocircuito. La velocidad de respuesta es la máxima velocidad a la que puede variar la tensión de salida cuando se excita la entrada con un escalón. El ancho de banda a plena potencia es directamente proporcional a la velocidad de respuesta e inversamente proporcional a la tensión de pico de salida.

Diagrama de bloques de un amplificador operacional.

Circuito interno simplificado de un 741

a. b.

Símbolo eléctrico para un amplificador operacional; Circuito equivalente de un amplificador operacional

2 EL AMPLIFICADOR OPERACIONAKL 741 Es un operacional estándar ampliamente utilizado. Incluye un condensador de compensación interno para evitar oscilaciones. Se indica que tiene una resistencia de carga grande, la señal De salida puede oscilar en un margen de 1 o 2 V inferior al margen entre las dos alimentaciones.

. Compensación de Frecuencia Es un condensador de compensación. Debido al efecto Miller este pequeño condensador (generalmente 30 pF) se multiplica por la ganancia de tensión de Q5 y Q6, para tener una capacidad equivalente mucho mayor de donde A es la ganancia de tensión de las etapas Q5 y Q6. La resistencia frente a esta capacidad Miller es la impedancia de salida del amplificador diferencial, Por tanto, se tiene un circuito de desacoplo como se describe en el capitulo 16.

La resistencia frente a esta capacidad Miller es la

impedancia de salida del arnplificador diferencial. Por tanto, se tiene un circuito de desacoplo como se describió en el Capitulo 16. Este circuito de desacoplo produce una frecuencia de corte de 10 Hz en un 741C. La ganancia en lazo abierto del amplificador operacional decrece 3 dB en esta frecuencia de corte. Después, la ganancia en lazo abierto decrece aproximadarnente 20 dB por década hasta alcanzar la frecuencia de ganancia unidad.

de entrada para anular la salida. Se comentara este método más adelante.

POLARIZACIONES Y OFFSETS Un arnplificador diferencial tiene polarizaciones y offsets de entrada que producen una salida err6nea cuando no Existe señal de entrada. En muchas aplicaciones el offset de salida es tan pequeño que se puede ignorar. Cuando no se puede ignorar, un diseñador puede reducirlo usando resistencias de base iguales, lo que elimina el problema de la comente de polarizaci6n pero no la corriente de offset o la tensi6n de offset. Por esta raz6n es mas conveniente eliminar el offset de salida utilizando los circuitos de anulaci6n que se especifican en las hojas de características. El circuito de anulaci6n que se recomienda funciona a nivel de circuito interno para eliminar el offset de salida y también para minimizar la deriva, un ligero cambio en la tensi6n de salida causada por el efecto del carnbio de temperatura en los parámetros del amplificador operacional. Algunas veces, las hojas de características de un amplificador operacional no incluyen un circuito de anulaci6n. En este caso se tiene que aplicar una pequeña tensión

Relación de rechazo al modo común

Compensación y anulación para un 741C.

Se defini6 anteriormente. Para un 741C, CMRR = 90 dB en frecuencias medias. Dadas dos señales iguales, una señal deseada y otra señal en modo común, la señal deseada ser-4 90 dB mayor en la salida que la señal en modo común Expresado numéricamente, significa que la señal deseada sera aproximadarnente 30.000 veces mayor que la señal en modo Común. En altas frecuencias, las inductancias parasitas degradan el CMRR. IMPEDANCIA DE ENTRADA En algunas aplicaciones un diseñador puede querer especificar la impedancia de entrada. Estas es una de las ventajas de un amplificador inversor: es fácil tener una impedancia de entrada arbitraria. La raz6n de ello es que el extremo derecho de R1 es una masa virtual, y la impedancia de entrada en lazo cerrado es:

ANCHO DE BANDA

El ancho de banda en lazo abierto o frecuencia de corte de un amplificador operacional es muy baja a causa del condensador de compensación interno para un 741 C

A esta frecuencia, la ganancia de tensión en lazo abierto se quiebra y cae con una pendiente de primer orden. Cuando se utiliza realimentación negativa, el ancho de banda total se incrementara.

ecuación para la tensi6n de offset total de salida:

Cuando se utiliza realimentación negativa la ecuación es:

4 EL AMPLIFICADOR NO INVERSOR El amplificador no inversor es otro circuito operacional básico, Emplea realimentación negativa para estabilizar la ganancia de tensión en lazo cerrado. La entrada inversora es una masa virtual porque es un cortocircuito para la tensión pero un circuito abierto para la corriente para la corriente. La ganancia de tensión en lazo cerrado es igual a la resistencia de alimentación dividida por la resistencia de entrada. El ancho de banda en lazo cerrado es igual a la frecuencia de ganancia unidad dividida por la ganancia de tensión en lazo cerrado.

( una menor ganancia de tensión produce un mayor ancho de banda.) En la anterior figura se ilustra cómo crece el ancho de banda en lazo cerrado con realimentación negativa (menor Acl), mayor será el ancho de banda, en lazo cerrado, esta es la ecuación para el ancho de banda cerrado (Amplificador no inversor) POLARIZACION Y OFFSET La realimentaci6n negativa reduce el error de salida causado por la comente de offset de entrada, la' comente de polarizaci6n de entrada y la tensi6n de offset de entrada.

Se puede imaginar un cortocircuito virtual entre 10s terminales de entrada del amplificador operacional. Entonces, el cortocircuito virtual significa que la tensi6n de entrada se representa a traves de R1 como se presenta en la figura. Asi, es posible escribir:

Como no puede circular comente por un cortocircuito virtual, la misma comente i1 debe circular a través de R2 lo que significa que la tensi6n de salida viene dada por:

Existe un cortocircuito virtual entre las dos entradas del operacional

La impedancia de entrada en lazo cerrado se aproxima a infinito. Debido a que la impedancia de entrada en lazo abierto ya Es muy alta (2 Mi2 para 741C), la impedancia de entrada en lazo cerrado será aun mayor. El efecto de la realimentación negativa sobre el ancho de banda es igual que con un amplificador inversor:

LA TENSION DE OFBET DE SALIDA REDUCE EL VALOR MPP Si se esta amplificando señales alternas, se puede acoplar capacitivamente la señal de salida a la carga. En este caso se puede ignorar la tensi6n de offset de salida, except0 si es excesivamente grande. Si sucede esto, significa que se reduce la MPP, la máxima salida pico a pico sin recortar.

En esta figura se entiende por la tensión de offset de salida reduce el valor MPP 5

DOS APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORE S OPERACIONALES

Un amplificador sumador tiene dos o más entradas y una salida, Cada entrada es amplificada por la ganancia de su canal. La salida es la suma de las ganancias amplificadas. Si todas las ganancias de canal son igual a 1, la salida es la suma de las entradas. En un mezclador, un amplificador sumador puede amplificar y combinar señales de audio. Un seguidor de tensión tiene una ganancia de tensión en lazo cerrado de 1 y un ancho de banda de f unidad. El circuito es útil como interface entre una fuente de alta impedancia y una carga de baja impedancia. AMPLIFICADOR SUMADOR Se utiliza siempre cuando se necesite combinar dos o mas señales analógicas en una sola salida, es natural utilizar un amplificador sumador

salida en lazo abierto (75 R para un 741C). Por tanto, se obtiene un método casi perfecto para convertir una fuente de alta impedancia en una fuente de baja impedancia. 6

Por simplicidad el circuito muestra solo dos entradas, pero podemos tener tantas entradas como se necesite para la aplicación. Un circuito como este amplifica cada señal de entrada. La ganancia para cada canal de entrada viene dada por el cociente entre la resistencia de alimentaci6n y la Resistencia de entrada apropiada. Por ejemplo, las ganancias de tensi6n en lazo cerrado

El circuito sumador combina todas las señales de entrada amplificadas en una sola salida, dada por:

SEGUIDOR TENSION

DE

El seguidor de tensión tiene ganancia unidad y ancho de banda máximo El seguidor de tensión permite que fuentes de alta impedancia alimenten cargas de baja impedancia sin pérdida de tensión lo que significa que la ganancia de tensi6n en lazo cerrado es: Podemos obtener el mismo resultado calculando la ganancia de tensión en lazo cerrado con la ecuación Como R, = 0 y R, = infinito:

Por tanto, el seguidor de tensi6n es un circuit0 seguidor perfecto porque produce una tensi6n de salida que es exactamente igual a la tensión de entrada (o suficientemente parecidas como para satisfacer casi cualquier aplicación). Además la realimentaci6n negativa máxima produce una impedancia de entrada en lazo cerrado que es mucho mayor que la impedancia de entrada en lazo abierto (2 MR para un 741C). También, la alimentaci6n negativa máxima produce una impedancia de salida en lazo cerrado que es mucho menor que la impedancia de

CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES

Los amplificadores operacionales representan cerca de la tercera parte de todos los circuitos integrados. Existe una gran variedad de operacionales para casi cualquier aplicación. Algunos tienen offsets de entrada muy bajos, ot...