reporte practica 1 electronica

7/22/2019 Reporte Practica 1 Electronica

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S.E.P. D.G.E.S.T. S.N.E.S.T. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CD. CUAUHTMOC

ING.MECATRNICA

REPORTE ELECTRNICA II

1AMPLIFICADORES OPERACIONALES

APORTADO POR: REVISADO POR:


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ADAME CASTILLO AARN DR.DAVID SENZ ZAMARRN

RIOS ROBLES NIVIAJIMENA

VALENZUELA RASCNJAVIER EDUARDO

Cd. Cuauhtmoc, Chih. A 13 de Junio del 2012

Lista de Figuras ......................................................................................... 3Lista de tablas ........................................................................................... 4I Introduccin ........................................................................................... 5II Marco Terico ........................................................................................ 7

2.1 Antecedentes ................................................................................... 72.2 Smbolo de un amplificador operacional ........................................... 82.3 Caractersticas ideales y reales ......................................................... 92.4 Comportamiento en corriente continua (DC) ..................................... 9

2.4.1 Lazo abierto .............................................................................. 92.4.2 Lazo cerrado o realimentado .................................................... 10

2.5 Limitaciones .................................................................................. 112.5.1 Saturacin ............................................................................... 112.5.2 Tensin de offset ..................................................................... 112.5.3 Corrientes ............................................................................... 122.5.4 Caracterstica tensin-frecuencia ............................................. 122.5.5 Capacidades ............................................................................ 122.5.6 Deriva trmica ......................................................................... 12

2.6 Configuracin en resta inversora .................................................... 13III Objetivo .............................................................................................. 14IV Material y equipo de apoyo ................................................................. 15

4.1 Material ......................................................................................... 16


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4.2 Equipo y software .......................................................................... 17V Metodologa......................................................................................... 18VI Desarrollo ........................................................................................... 19

6.1 Simulacin ..................................................................................... 196.2 Circuito Fsico ................................................................................ 23

VII Resultados ......................................................................................... 25VIII Conclusiones .................................................................................... 26Bibliografa ............................................................................................. 27Apndice A Data sheet de circuito integrado LM741 ................................ 28

Lista de Figuras2.1 Smbolo del circuito Op-Amp .............................................................. 6

2.2 Restador inversor .............................................................................. 10

6.1 Barra de herramientas (Tools) ............................................................ 16

6.2 Opcin Circuitwizard y Op-Ampwizard .............................................. 17

6.3 Seleccin de Op-Amp ....................................................................... 17

6.4 Circuito Simulado .............................................................................. 18

6.5 Circuito simulado con multimetro ..................................................... 18

6.6 Resultado de la configuracin del Op-Amp ........................................ 19

6.7 Circuito armado en fsico .................................................................. 19

6.8 Resultado obtenido en la prctica en fsico ........................................ 207.1 Comparacin de resultados ............................................................... 21


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Lista de tablas2.1 Caractersticas ideales y reales.7

4.1 Materiales..13

4.2 Equipo y software14

7.1 Resultados.21


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I Introduccin


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El concepto original del Op-Amp (amplificador operacional) procede del

campo de los computadores analgicos, en los que comenzaron a usarse

tcnicas operacionales en una poca tan temprana como en los aos 40. El

nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un

amplificador DC (amplificador acoplado en continua) con una entradadiferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas caractersticas de

operacin estaban determinadas por los elementos de realimentacin

utilizados.

La importancia del amplificador operacional en la electrnica actual es que

permite disear bloques funcionales con un comportamiento que es

independiente de las caractersticas del elemento amplificador. Con l se

consigue disear circuitos electrnicos muy precisos y estables aun cuando

se utilice tecnologa semiconductora que en si es imprecisa e inestable.

Cambiando los tipos y disposicin de los elementos de realimentacin,

pueden implementarse diferentes operaciones analgicas; en gran medida,

las caractersticas globales del circuito estn determinadas slo por estos

elementos de realimentacin. De esta forma, el mismo amplificador es

capaz de realizar diversas operaciones, siendo en este caso el restador

analgico que consiste en restar dos seales de voltaje con el fin de

obtener la resta de estos con la polaridad invertida


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II Marco TericoA continuacin se presentan los principios tericos del funcionamiento del

Op-Amp as como la configuracin de restador de voltajes.

2.1 Antecedentes

Los primeros aos del amplificador operacional no fueron los de un

circuito integrado de 8 patitas. Este amplificador operacional era untubo al

vaco. La idea principal de estos "operacionales" originales era la de serutilizados en computadoras analgicas, para sumar, restar, multiplicar y

realizar operaciones ms complejas.
http://www.unicrom.com/Tut_comofuncionantubos.asphttp://www.unicrom.com/Tut_comofuncionantubos.asphttp://www.unicrom.com/Tut_comofuncionantubos.asphttp://www.unicrom.com/Tut_comofuncionantubos.asp


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El Sr. George Philbrick, que trabajaba en los Huntington Engeneering Labs,

y a quien se le atribuye su invencin, lo introdujo al mercado en el ao

1948.

Estos circuitos integrados son muy verstiles, de bajo precio, tamaopequeo, con excelentes caractersticas y redujeron el diseo de

unamplificador a la adicin de unosresistores.

Con el paso de los aos y la mejora en la tecnologa de fabricacin,

los amplificadores operacionales mejoraron notablemente. En su

configuracin interna se reemplazaron unostransistores

bipolares portransistores de efecto de campo (JFET).

2.2 Smbolo deun amplificador operacional

El amplificador Operacional es un dispositivo con dos terminales de

entrada denominados + y o bien no-inversora e inversora,respectivamente. El dispositivo se conecta adems a una fuente de

corriente continua ( y ). La referencia comn para la entrada, lasalida y la fuente de alimentacin esta fuera del amplificador operacional y

se denomina tierra (Figura 2.1).

Figura 2.1 Smbolo del circuito OpAmp

Los terminales de alimentacin pueden recibir diferentes nombres, porejemplos en los A.O. basados enFET y respectivamente. Para losbasados enBJT son VCCy VEE.

Normalmente los pines de alimentacin son omitidos en los diagramas

elctricos por claridad (Boylestad R.L. yNasheksky L, 2003).

(Positivo de alimentacin)

(Salida)

(Negativo de alimentacin)

(Entrada inversora)

(Entrada no- inversora)
http://www.unicrom.com/Tut_amplificadores_.asphttp://www.unicrom.com/Tut_resistencia.asphttp://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asphttp://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asphttp://www.unicrom.com/Tut_Fet.asphttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistor#MOSFEThttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistor#BJThttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opamppinouts.pnghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opamppinouts.pnghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opamppinouts.pnghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opamppinouts.pnghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opamppinouts.pnghttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistor#BJThttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistor#MOSFEThttp://www.unicrom.com/Tut_Fet.asphttp://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asphttp://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asphttp://www.unicrom.com/Tut_resistencia.asphttp://www.unicrom.com/Tut_amplificadores_.asp


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2.3 Caractersticas ideales y reales

En la tabla 2.1 se muestran las caractersticas de un Op-Amp con los

parmetros en valor ideal y en valor real.

Tabla 2.1 Caractersticas ideales y reales

Parmetro Valor ideal Valor real

Zi 10 T

Zo 0 100

Bw 1 MHz

Av 100.000

Ac 0

2.4 Comportamiento en corriente continua (DC)

A continuacin se describirn los comportamientos en corriente continua

de un amplificador operacional.

2.4.1 Lazo abierto

Si no existerealimentacin la salida del A. O. ser la resta de sus dos

entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de

100,000(que se considerar infinito en clculos con el componente ideal).Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida

debera ser 100,000 V. Debido a la limitacin que supone no poder

entregar mstensin de la que hay en la alimentacin, el A. O. estar

saturado si se da este caso. Esto ser aprovechado para su uso en

comparadores, como se ver ms adelante. Si la tensin ms alta es la
http://es.wikipedia.org/wiki/Realimentaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Realimentaci%C3%B3n


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aplicada a la patilla + la salida ser,mientras que si la tensin ms altaes la del pin - la salida ser la alimentacin VS-.

2.4.2 Lazo cerrado o realimentado

Se conoce como lazo cerrado a la realimentacin en un circuito. Aquaparece una realimentacin negativa. Para conocer el funcionamiento de

esta configuracin se parte de las tensiones en las dos entradas

exactamente iguales, se supone que la tensin en la pata + sube y, por

tanto, la tensin en la salida tambin se eleva. Como existe la

realimentacin entre la salida y la pata -, la tensin en esta pata tambin

se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce,

disminuyndose tambin la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se

tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas,idealmente, con el mismo valor.

Siempre que hay realimentacin negativa se aplican estas dos

aproximaciones para analizar el circuito:

V+= V-(lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual).

I+= I-= 0

Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual

que con cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas caractersticas

del mismo como una mayorimpedancia en la entrada y una menor

impedancia en la salida. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la

corriente de entrada sea muy pequea y se reducen as los efectos de las

perturbaciones en la seal de entrada. La menor impedancia de salida

permite que el amplificador se comporte como unafuente elctrica de

mejores caractersticas. Adems, la seal de salida no depende de lasvariaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable,

sino que depende de la ganancia de la red de realimentacin, que puede

ser mucho ms estable con un menor coste. Asmismo, lafrecuencia de

corte superior es mayor al realimentar, aumentando elancho de banda.
http://es.wikipedia.org/wiki/Impedanciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_de_cortehttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_de_cortehttp://es.wikipedia.org/wiki/Ancho_de_bandahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ancho_de_bandahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_de_cortehttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_de_cortehttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Impedancia


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Asmismo, cuando se realiza realimentacin positiva (conectando la salida

a la entrada no inversora a travs de un cuadripolo determinado) se buscan

efectos muy distintos. El ms aplicado es obtener unoscilador para el

generar seales oscilantes (Edminister J.A, Nahvi M, 1997).

2.5 Limitaciones

A continuacin se mencionaran los tipos de limitaciones con las que cuenta

el amplificador operacional.

2.5.1 Saturacin

Un A.O. tpico no puede suministrar ms de la tensin a la que se alimenta,

normalmente el nivel de saturacin es del orden del 90% del valor con que

se alimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no est

amplificando. La saturacin puede ser aprovechada por ejemplo en

circuitos comparadores (Bravo Sos I. 2006).

2.5.2 Tensin de offset

Es la diferencia de tensin que se obtiene entre los dos pines de entrada

cuando la tensin de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador

ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta tensin puede

ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en

algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisin. El offsetpuede variar dependiendo de latemperatura (T) del operacional como

sigue:

Donde T0es una temperatura de referencia.

Un parmetro importante, a la hora de calcular las contribuciones a la tensin de

offset en la entrada de un operacional es el CMRR (Rechazo al modo comn).

Ahora tambin puede variar dependiendo de la alimentacin del operacional, a

esto se le llama PSRR (power supply rejection ratio, relacin de rechazo a la

fuente de alimentacin). La PSRR es la variacin del voltaje de offset respecto a la
http://es.wikipedia.org/wiki/Osciladorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Rechazo_al_modo_com%C3%BAnhttp://es.wikipedia.org/wiki/Rechazo_al_modo_com%C3%BAnhttp://es.wikipedia.org/wiki/Oscilador


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variacin de los voltajes de alimentacin, expresada en dB. Se calcula como

sigue:

2.5.3Corrientes

Aqu hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes

suelen proporcionar:

a) | |b)

Idealmente ambas deberan ser cero.

2.5.4Caracterstica tensin-frecuencia

Al A.O. tpico tambin se le conoce como amplificador realimentado en

tensin (VFA). En l hay una importante limitacin respecto a la frecuencia:

El producto de la ganancia en tensin por el ancho de banda es constante.

Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador

con esta configuracin slo tendra un ancho de banda de unos

pocosHercios(Hz). Al realimentar negativamente se baja la ganancia a

valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable.Existen modelos de diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores,

en estos amplificadores para mantener las caractersticas a frecuencias ms

altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro

aspecto tcnico(Boylestad R.L. yNasheksky L, 2003).

2.5.5Capacidades

El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parsitas, las cuales producen

una disminucin de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.

2.5.6Deriva trmica

Debido a que una unin semiconductora vara su comportamiento con la

temperatura, los A.O. tambin cambian sus caractersticas, en este caso

hay que diferenciar el tipo detransistor en el que est basado, as las
http://es.wikipedia.org/wiki/Herciohttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Hercio


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corrientes anteriores variarn de forma diferente con la temperatura si son

bipolares o JFET.

2.6 Configuracin en resta inversora

Una fuente de sealsin conexin a tierra se llama fuente flotante. Estasseales pueden amplificarse por el circuito de la figura 2.2.

Figura 2.2Restador InversorAqu los dos terminales de entrada A y B del OpAmp tienen la misma

tensin. Adems escribiendo la LKT a lo largo del lazo de la entrada, se

tiene:

de donde (2.1)

Las entradas del Op-Amp no demandan corriente y, por tanto, la corrientefluye a travs de la resistencia . Aplicando la LKT alrededor del lazo delOp-Amp, se tiene:

(2.2) (2.3)

En el caso especial de que no se conecten dos fuente de tensin y contierra comn a las entradas inversora y no-inversora del circuito,respectivamente, se tiene (Edminister J.A yNahvi M, 1997).

B

A
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opampdifferencing.pnghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opampdifferencing.pnghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opampdifferencing.pnghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opampdifferencing.png


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( ) (2.4)

III ObjetivoEl objetivo principal y/o general de dicha prctica esinteractuar con los

Amplificadores Operacionales y conocer las configuraciones bsicas, as

como su funcionamiento. En este caso el amplificador operacional est

configurado en modo restador inversor, de esta manera se conocer ms

de cerca el funcionamiento prctico y simulado por medio de computadora,

en base a la teora investigada y explicada previamente en el curso.


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IV Material y equipo de apoyoEl material y equipo necesario para el desarrollo de la prctica consiste en

simples componentes electrnicos, circuitos integrados, adems de equipo

bsico de laboratorio que se especificarms adelante.


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4.1 Material

El material requerido en la prctica se trata de los componentes ms

bsicos y conocidos en el campo de la electrnica, a continuacin en la

tabla 4.1 se mostraran de forma especfica.

Tabla 4.1 MaterialesCantidad Nombre Descripcin Imagen

1

Amplificador

operacional 741

Circuito integrado

utilizado en esta

ocasin, es unamplificador operacin

de propsito general

muy comn.

1 Fuente de poder

2 pilas de 9 volts para

alimentar a nuestro CI

4

Resistencias de 10k

(2) y de 1k(2)

Componentes

esenciales que

impiden el paso de

corriente.

3 resistencias de

2k,1/4 hp

N Cable

Cable de red

telefnica para hacer

las conexiones

necesarias


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1 Protoboard

Tablilla generalmente

de plstico, utilizada

para realizar prcticas

relacionadas con la

electrnica

4.2 Equipo y software

En la tabla 4.2 se muestra el equipo necesario para realizar la prctica, as

como el software que se usar para la comparacin de resultados.

Tabla 4.2 Equipo y softwareCantidad Nombre Descripcin Figura

1 Multmetro

Es un instrumento

porttil para medir

magnitudes elctricas

como corrientes,

potenciales,

resistencia, etc.

1 Software de

simulacin

Multisim 11.0 es un

software simulador

de circuitos

electrnicos, muy

til a la hora de

comprobar

practicas.


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V MetodologaLa metodologa propuesta para este proyecto se plantea ordenadamente en

los siguientes pasos.

a) Primero se asign una prctica la cual consisti en un circuito

restador de voltajes utilizando el amplificador operacional 741.

b) Una vez asignada la prctica se identificaron los componentes a

utilizar en la misma.

c) Se llev a cabo la simulacin del circuito en NI multisim 11.0,

utilizando el simulador para seleccionar los componentes para

asconseguir la configuracin deseada.

d) Se compraron los componentes requeridos en una electrnica para

realizar la prctica en fsico

e) Se arm la prctica de acuerdo a la simulacin.

f) Se realizaron pruebas, mediciones y comparaciones de los circuitos

armados y simulados.

g) Una vez hecho lo anterior, se mostr lo realizado al profesor que

hicieran las recomendaciones pertinentes para el ptimo

funcionamiento de la prctica.

h) Por ltimo se realiz el reporte de la prctica mencionando como fuerealizada la misma.


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VI DesarrolloLa prctica se desarrollo de forma terica, por medio de simulacin porcomputadora y por medio del armado fsico de la misma, es importante

resaltar que al realizar cualquier prctica, se deben llevar a cabo todos los

pasos que se mencionarn ms adelante, ya que esto facilita el proceso de

aprendizaje y permite realizar la prctica de un manera ms exacta.

6.1 Simulacin

Como ya se haba mencionado anteriormente para realizar la prctica se

uso el programa NI Multisim 11.0.Una vez abierto el programa se busca la barra de herramientas en la parte

superior (Tools), como se muestra en la figura 6.1.


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Figura 6.1 Barra de herramientas (Tools)

Una vez seleccionada la pestaa de herramientas (Tools), se busca y

selecciona la opcin circuit wizards, desplegndose otra barra de opciones,

donde se debe seleccionar OpampWizard, opcin que se muestra en la

figura 6.2.


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Figura 6.2 OpcinCircuit Wizards y Op-Amp Wizard

Al seleccionar la opcin Op-Amp wizard, aparecer una ventana como semuestra en la figura 6.3, donde el programa permite seleccionar la

configuracin del amplificador operacional por medio de la opcin type,

donde se desplegara una barra de opciones, seleccionando en este caso la

configuracin difference amplifier. En esta misma ventana da la

oportunidad de asignar los valores de los voltajes y resistencias, por lo

tanto se asigna a el y a el , y asignando el valor de lasresistencias como y , hecho esto, se seleccionala opcin verify que permite al programa confirmar que los clculos estn

completos, y por ltimo se selecciona en la parte inferior build circuit, para

que el programa realice el circuito.

Figura 6.3 Seleccin de Op-Amp restador

Una vez creado el circuito queda como se muestra en la figura 6.4.


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Figura 6.4 Circuito simulado

Para comprobar que el circuito cumple con la configuracin que se hizo

anteriormente, se usa el multimetro, instrumento que se encuentra en la

barra lateral derecha. Despus de seleccionado,este se conecta a la salida

y a tierra como se muestra en la figura 6.5, para entonces as correr elprograma en el botn de play que se encuentra en una de las barras de

arriba de la hoja de trabajo, y dando doble clic sobre el multimetro de la

simulacin, aparecer un recuadro donde se visualizar la resta de los

voltajes que se asignaron previamente como se muestra en la figura 6.6.

Figura 6.5 Circuito Simulado con multimetro


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Figura 6.6 Resultado de la configuracin del Op-Amp

Debido a que el multimetro arroj el valor esperado con respecto a la

formula de la configuracin del restador, se prosigue a armar el circuito enfsico.

6.2 Circuito Fsico

Terminando la simulacin se procedi a armar el circuito en fsico (ver

figura 6.7), con los componentes y equipo mencionados previamente en el

captulo IV.

Figura 6.7 Circuito armado en fsico

A continuacin en la figura 6.8 se muestra como al usar el multimetro, se

comprueba como el valor del voltaje final coincide con el valor de voltaje

calculado tericamente y por medio de la simulacin.


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Figura 6.8 Resultado obtenido de la prctica en fsico

La ecuacin inicial de la configuracin del amplificador restador.

( ) (6.1)

Sustituyendo los valores que se utilizaron para la realizacin de esta

prctica la ecuacin (6) nos queda de la siguiente manera:

(6.2)


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VII ResultadosComparando los resultados recabados en los diferentes procesos que se

llevaron a cabo para esta prctica, se puede afirmar que los resultados son

casi exactos en todos los procesos (vase tabla 7.1).

Tabla 7.1 Resultados

Desarrollo Resultado

Formula 700 mV

Simulacin 699.976 mV

Practica 700 mV

Como se puede observar en la figura 7.1 el resultado de la simulacin tiene

un poco de variacin con respecto al resultado de la formula y al de laprctica, pero cabe mencionar que la variaciones se le pueden adjudicar a

tolerancias del mismo simulador.


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(7.1)

Figura 7.1 Comparacin de resultados

VIII ConclusionesComo comentario final se destaca lo importante que son los amplificadores

operacionales ya que tienen una amplia aplicacin en la electrnica.

El equipo de trabajo se dio cuenta que los amplificadores operacionales son

multifuncionales debido a su infinita gama de aplicaciones que se les puede

encontrar, gracias a las diferentes configuraciones a las que se puede conectar,

adems que como ya se mencion anteriormente son muy utilizados en la

fabricacin de distintos dispositivos elctricos y electrnicos.


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Se puede destacar que el desarrollo de prcticas de este tipo permite al estudiante

conocer ms el campo de la electrnica analgica, ya que gracias a ellas, como

estudiante,te abre las puertas para desarrollar proyectos futuros.

BibliografaBoylestad R.L. y Nasheksky L. (2003). Electrnica Terica de Circuitos y

Dispositivos Electrnicos. (Mxico) Pearson.

Bravo Sos I. (2006). ElectrnicaAnalgica. Barcelona (Espaa) Marcombo.


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Edminister J.A. y Nahvi M (1997). Circuitos Elctricos. Schaums.

Apndice A Data sheet de circuito integradoLM74


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