Investigacion Unidad III

7/24/2019 Investigacion Unidad III

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Introduccin

La mayor parte del control y medida de los procesos industriales se realiza

mediante circuitos electrnicos, siendo el amplificador operacional (Amp. Op.) un

mdulo bsico de dichos circuitos de control. Aunque cada ez ms, el procesado

de la informacin y la toma de decisiones del sistema se realiza con circuitos

di!itales o sistemas basados en microprocesadores, la conersin de las ariables

medidas (temperatura, presin, elocidad, etc.) en ariables el"ctricas# corriente o

tensin (en los sensores), o la conersin inersa (en los actuadores anal!icos),

requiere de circuitos anal!icos, donde el amplificador operacional $ue!a un papel

fundamental. el amplificador operacional (Amp. Op.). Aunque los Amp. Op. han

estado usndose desde hace mucho tiempo, sus aplicaciones fueron inicialmente

en las reas de la computacin anal!ica y de la instrumentacin. Los primeros

Amp. Op. %e construyeron partiendo de componentes discretos (transistores y

resistencias). A la mitad de la d"cada de &' se produ$o el primer Amp. Op.de

circuito inte!rado (*I).


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+.& Arquitectura de un Amplificador Operacional

%e trata de un dispositio electrnico (normalmente se presenta como

circuito inte!rado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia

de las dos entradas multiplicada por un factor () (!anancia)#

-out /(-0 1 -1) el ms conocido y com2nmente aplicado es el 3A45& o

L645&.

7l primer amplificador operacional monol8tico, que data de los a9os &', fue

el :airchild ;A4< (&'5), dise9ado por =ob >idlar. Le si!ui el :airchild ;A4'

(&'?), tambi"n de >idlar, y que constituy un !ran "@ito comercial. 6s tarde

ser8a sustituido por el popular :airchild ;A45& (&'), de Baid :ulla!ar, y

fabricado por numerosas empresas, basado en tecnolo!8a bipolar.

Ori!inalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemticas (suma,

resta, multiplicacin, diisin, inte!racin, deriacin, etc.) en calculadoras

anal!icas. Be ah8 su nombre.

7l A.O. ideal tiene una !anancia infinita, una impedancia de entrada infinita,un ancho de banda tambi"n infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de

respuesta nulo y nin!2n ruido. *omo la impedancia de entrada es infinita tambi"n

se dice que las corrientes de entrada son cero.

Los terminales son#

-0# entrada no inersora


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-C# entrada inersora

-O3D# salida

-%0# alimentacin positia

-%C# alimentacin ne!atia

Los terminales de alimentacin pueden recibir diferentes nombres, por

e$emplos en los A.O. basados en :7D -BB y -%% respectiamente. Eara los

basados en =FD son -** y -77.

*omportamiento en corriente continua (B*)

Lazo abierto

La realimentacin salida del A. O. ser la resta de sus dos entradas

multiplicada por un factor. 7ste factor suele ser del orden de &.(que se

considerar infinito en clculos con el componente ideal). Eor lo tanto si la

diferencia entre las dos tensiones es de &- la salida deber8a ser &. -.

Bebido a la limitacin que supone no poder entre!ar ms tensin de la que hay en

la alimentacin, el A. O. estar saturado si se da este caso. 7sto ser

aproechado para su uso en comparadores, como se er ms adelante. %i la

tensin ms alta es la aplicada a la patilla 0 (entrada no inersora) la salida ser

-%0, mientras que si la tensin ms alta es la del pin C (entrada inersora) la salida

ser la alimentacin -%C.

Lazo cerrado o realimentado

%e conoce como lazo cerrado a la realimentacin en un circuito. Aqu8

aparece una realimentacin ne!atia. Eara conocer el funcionamiento de esta

confi!uracin se parte de las tensiones en las dos entradas e@actamente i!uales,

se supone que la tensin en la pata 0 sube y, por tanto, la tensin en la salida

tambi"n se elea. *omo e@iste la realimentacin entre la salida y la pata C, la

tensin en esta pata tambi"n se elea, por tanto la diferencia entre las dos

entradas se reduce, disminuy"ndose tambi"n la salida. 7ste proceso pronto se

estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas,

idealmente, con el mismo alor.


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%iempre que hay realimentacin ne!atia se aplican estas dos

apro@imaciones para analizar el circuito#

-0 -C (lo que se conoce como principio del cortocircuito irtual).

I0 IC

*uando se realimenta ne!atiamente un amplificador operacional, al i!ual

que con cualquier circuito amplificador, se me$oran al!unas caracter8sticas del

mismo como una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la

salida. La mayor impedancia de entrada da lu!ar a que la corriente de entrada sea

muy peque9a y se reducen as8 los efectos de las perturbaciones en la se9al de

entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte

como una fuente el"ctrica de me$ores caracter8sticas. Adems, la se9al de salida

no depende de las ariaciones en la !anancia del amplificador, que suele ser muy

ariable, sino que depende de la !anancia de la red de realimentacin, que puede

ser mucho ms estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte

superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda.

As8 mismo, cuando se realiza realimentacin positia (conectando la salida a

la entrada no inersora a tra"s de un cuadripolo determinado) se buscan efectos

muy distintos. 7l ms aplicado es obtener un oscilador para !enerar se9ales

oscilantes.

+.< Dipos de Amplificadores

Los amplificadores operacionales son unos amplificadores diferenciales

usados en circuitos electrnicos para aplicar arios procesos a una se9al anlo!a.

Bependiendo del tipo de amplificador operacional que est" inte!rado en un

circuito, puede realizar arias funciones electrnicas diferentes, como suma, resta,

inte!racin o diferenciacin.


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Amplificador inersorGno inersor#

7l propsito definitio de cualquier amplificador es aumentar la se9al de un

circuito en particular. Lo que diferencia a los amplificadores operacionales de los

otros es que realizan al!unos procesos matemticos adicionales a la se9al

mientras la amplifican. 3n amplificador operacional no inersor es esencialmente

el tipo HbaseH que incrementa la !anancia de una se9al electrnica sin nin!2n otro

proceso adicional. 3n amplificador operacional inersor aumentar la !anancia de

la se9al y tambi"n reertir la polaridad de la se9al de salida, de positio a

ne!atio o iceersa.

%e!uidor de olta$e#

3n se!uidor de olta$e es usado para aumentar la se9al de circuitos con

olta$es ariables. Aplica el mismo tipo de aumento de !anancia que el

amplificador estndar, pero se rastrearn ariaciones en la !anancia de entrada y

se empare$arn por la se9al de salida. 7ste tipo de circuitos son a menudo usados

por delante de otros sistemas para preenir el da9o por cambios s2bitos de

olta$e.

Amplificadores de sumaGresta#

7stas dos ariedades de amplificadores operacionales realizan un proceso

aritm"tico en la se9al. 3n amplificador operacional de resta saca una se9al que es

i!ual a la resta entre sus dos entradas. 3n amplificador de suma combina

diferentes olta$es de un n2mero de entradas, y saca una !anancia basndose en

los olta$es combinados. *ualquiera de estos circuitos puede ser confi!urado para

operar como sistemas inersores o no inersores.

Inte!radoresGdiferenciadores#

Las ariedades ms comple$as de amplificadores operacionales son los

inte!radores y diferenciadores. La suma de un capacitador al circuito si!nifica que

el inte!rador reacciona a cambios en el olta$e con el tiempo. La ma!nitud del


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olta$e de salida cambia, basndose en la cantidad de tiempo que un olta$e !asta

apareciendo en la entrada. 7l diferenciador es lo opuesto a esto. 7l olta$e

producido en el canal de salida es proporcional a la tasa de cambio de la entrada.

Los cambios ms !randes y rpidos en el olta$e de entrada producirn olta$es de

salida ms altos.

+.+ 7specificaciones de los Amplificadores Operacionales

La electrnica anal!ica se ha isto enriquecida con la incorporacin de un

nueo componente bsico# el amplificador operacional (A.O.).

Aunque realmente el A.O. es un circuito electrnico eolucionado, sus

caracter8sticas de ersatilidad, uniformidad de polarizacin, propiedades notables

y disposicin en circuito inte!rado, conierten al mismo en un nueo elemento

electrnico capaz de interenir en la conformacin de circuitos anal!icos de

mayor comple$idad. La utilizacin del A.O. en circuiter8a presupone un adecuado

conocimiento de sus caracter8sticas de funcionamiento y prestaciones. 7stos datos

se eal2an en base a determinadas caracter8sticas proporcionadas por el

fabricante. 7l ob$eto de un amplificador electrnico, es elear el alor de la tensin,corriente o potencia de una se9al ariable en el tiempo, procurando mantenerla lo

ms fiel posible. Los parmetros que caracterizan a un amplificador son los

si!uientes# Bonde#


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A !anancia del amplificador. rado de amplificacin.

-e tensin de entrada.

ie Intensidad de entrada.

e Impedancia de entrada.

-s tensin de salida.

is Intensidad de salida.

s Impedancia de salida.

La !anancia (A), es la relacin entre la salida y la entrada. %e puede

distin!uir entre !anancia de tensin, corriente y potencia.

A -sG-e !anancia de tensin.

AI isGie !anancia de corriente.

Ap EsGEe A.AI !anancia de potencia.

7l amplificador operacional (AO), es un amplificador que posee, dos entradas

actias referidas a masa (entrada diferencial)J la entrada inersora (C), y la no

inersora (0). Diene una salida y se alimenta con tensin sim"trica (dos fuentes de

tensin).

Las caracter8sticas del AO ideal son#


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C anancia de tensin en lazo abierto (A) infinita.

C Impedancia de entrada (e) infinita.

C Impedancia de salida (s) cero.

7l A.O. es un dispositio amplificador cuyas caracter8sticas de

funcionamiento se apro@iman a las de un amplificador ideal# !anancia infinita,

salida nula en ausencia de la se9al de entrada, impedancia de entrada infinita,

impedancia de salida cero, ancho de banda infinito y tiempo de subida nulo. Las

caracter8sticas de un A.O. real difieren de las propias de un A.O. ideal. Ko

obstante, un A.O. t8pico est caracterizado por las si!uientes propiedades

sustancialmente aceptables# eleada !anancia en tensin, alta impedancia de

entrada, ancho de banda amplio (partiendo desde c.c.), ba$a tensin de offset,

m8nima distorsin, niel de ruido reducido, etc. *omo se obsera en la fi!ura &, el

amplificador operacional posee dos entradas# una IK-7%OA (C) y otra KO

IK-7%OA (0) y una salida asim"trica referida a masa.

%i la se9al se mete por la inersora, la se9al de salida aparecer inertida

&M respecto a la e@citacin. La alimentacin se realiza por medio de dos fuentes

sim"tricas, una 0-cc, u otra C-cc, 7sta circunstancia permite centrar la se9al desalida respecto al niel de referencia f (masa). 7@isten dos tipos de funcionamiento

bsico# sin realimentacin o en =3*L7 A=I7DO y con realimentacin o en

=3*L7 *7ABO. Kormalmente se usa en =3*L7 *7ABO. La red de

realimentacin determina la funcin que realiza el monta$e, permitiendo la

construccin de amplificadores asim"tricos, osciladores, inte!radores,


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diferenciadores, sumadores, restadores, comparadores, filtros, etc. Las

limitaciones de este tipo de dispositios quedan determinadas por las

caracter8sticas del fabricante interpretacin de las especificaciones de los

amplificadores operacionales.

+.5 Aplicaciones =sicas de los Amplificadores Operacionales.

Los amplificadores operacionales, tambi"n llamados Op Amp por sus si!las

en in!l"s, son dispositios electrnicos capaces de realizar una !ran cantidad de

funciones dentro de un circuito electrnico, dependiendo de la como se coloque

dentro del mismo.

7l amplificador operacional posee ? patas, las cuales poseen distintas

funciones#

Terminal Descripcin

input Entrada Inversora

+ inputEntrada no

inversora

Output Salida


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+VssAlimentacin

Positiva

-VssAlimentacin

Negativa

7n los amplificadores operacionales se cumplen al!unas condiciones#

La impedancia entre las entradas inversora y no inversora es

innita! por lo "ue no #ay corriente de entrada$ La di%erencia de

potencial entre las terminales inversora y no inversora es! o de&e ser

nula$ No #ay corriente entrando o saliendo de las patas inversora y no

inversora$

*on dichas condiciones basta para conocer el funcionamiento de los

amplificadores operacionales. 7l s8mbolo del amplificador operacional es el de un

trin!ulo en cuya base de colocan las patas inersora y no inersora. 7n el "rtice

superior se coloca la salida. 7n los lados del trin!ulo se colocan las entradas del

olta$e que se necesita para hacer efectia la amplificacin.

3sos del Amplificador Operacional#

*omo su nombre lo indica, el amplificador operacional es un dispositio que

puede aumentar cualquier tipo de se9al, sea de olta$e o de corriente, de corriente

alterna o de corriente directa. Ahora amos a er cmo es que se da este proceso

y las diferentes confi!uraciones con las que puede traba$ar este dispositio.

7l Amplificador Operacional como comparador#


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3na de las funciones principales del amplificador operacional es la de

comparador. 3na de las condiciones que se debe cumplir para utilizar el

amplificador operacional es que el olta$e entre la entrada inersora y no inersora

debe ser cero. %i establecemos un olta$e fi$o en la terminal inersora, pero en lapata no inersora tenemos un olta$e menor a dicho potencial, la salida del

amplificador ser nula, es decir, no habr olta$e en la salida.


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%i i!ualamos el olta$e en las terminales inersora y no inersora, la salida de

olta$e ser efectia.


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7sta funcin es utilizada en los comparadores l!icos que conforman los

conersores de Anlo!o a Bi!ital. Los olt8metros y por e@tensin la mayor8a de

los instrumentos de medicin di!itales estn basados en comparadores l!icos y

conersores de anlo!o a di!ital. Dambi"n pueden ser utilizados para comparar

nieles de olta$es o en protecciones contra sobre corriente. Los usos que le

podamos dar al comparador los podremos estudiar a profundidad en futuros

aportes.

7l Amplificador Operacional no inersor#


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7sta confi!uracin permite aumentar el niel del olta$e en una se9al de

entrada de tal forma que la se9al que entra en la pata no inersora sale

amplificada del dispositio.

%i el olta$e en las terminales inersora y no inersora es el mismo, entonces

podemos suponer que el olta$e entre & y < es el mismo que el olta$e de

entrada.


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Segn laLey de O#mla corriente es igual al voltaje entre la

resistencia.

LaLey de Las 'orrientes de (irc##o)establece que la corriente

que entra a un nodo es la misma corriente que sale del mismo.
http://panamahitek.com/conceptos-basicos-de-electricidad-la-ley-de-ohm/http://panamahitek.com/conceptos-basicos-de-electricidad-la-ley-de-ohm/


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=asados en estos dos conceptos, podemos analizar las corrientes que entran

al Kodo a analizar que es el que se forma entre las resistencias & y


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Eodemos hacer una prueba con el simulador. %i queremos obtener el doble

de un olta$e de entrada, los alores de < y de & deben ser id"nticos.

3saremos como olta$e de entrada + oltios.

Ahora en el simulador:


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*on esto se comprueba que la ecuacin del amplificador no inersor se

cumple. *abe destacar que los alores de & y < los podemos esco!er siemprey cuando sean i!uales. Dodo a a depender de cuanta corriente queremos que

haya en la salida.

7l Amplificador Operacional como inersor#


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7l amplificador operacional inersor lo!ra inertir un olta$e de entrada a laez que lo amplifica. 7l anlisis es simple. 3na ez ms el olta$e en la para

inersora y en la no inersora es el mismo. *omo en la terminal no inersora el

olta$e es cero (KB), entonces hacemos un anlisis en el nodo que se forma

entre & y


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%i hacemos un anlisis en el nodo que se se9ala en la fi!ura obtenemos lo

si!uiente#


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La corriente que entra es el resultado de diidir el olta$e de entrada menos

el olta$e en las terminales inersoras y no inersoras (es el mismo) entre la

resistencia &. ecordemos que no entra ni sale nin!una corriente entre las

terminales inersora y no inersora. 7sto quiere decir que la corriente que entra

ser i!ual a la que sale. La corriente que sale es el resultado de diidir la

diferencia en el olta$e en las terminales inersora y no inersora menos el olta$e

de salida entre la resistencia. %i lleamos todo a una e@presin final en donde el

olta$e de salida quede e@presado en funcin del olta$e de entrada, obtenemos#


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%i utilizamos los alores que aparecer en la fi!ura de arriba obtenemos#

Vsalida = -(5)(1k/1k)=-5 voltios

*omo podemos obserar, la simulacin coincide con nuestros clculos. %i

queremos duplicar el olta$e a la ez que lo inertimos, el alor de < debe ser el

doble del de &, para que el - de entrada sea duplicado.


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Las relaciones entre las resistencias & y + son las que indican el factor

multiplicador del olta$e de entrada el cual siempre tendr si!no inerso.

7l Amplificador Operacional como sumador inersor#

7l amplificador operacional sumador permite al usuario sumar arios nieles

de olta$e a la ez que se inierte el si!no del olta$e.

7l anlisis de esta confi!uracin es el si!uiente#


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3tilizando la Ley de las *orrientes de Nirchhoff se obtiene#


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*abe destacar que a esta e@presin se le pueden a!re!ar ms fases, por lo

tanto ms olta$es. 3na ez ms todo depender de las relaciones en las

resistencias.

7l resultado es el si!uiente#


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La salida es la suma de todos los olta$es (


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Bnde#

C -out tensin de salidaC

AOL !anancia de amplificador operacional en lazo abierto (


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La !anancia de tensin es# A -out G -in -e G -b.

*omo -e es siempre menor que -b, entonces la

!anancia siempre ser menor a &.

La impedancia de entrada se obtiene con la si!uiente

frmula# in (P 0 &) @ e. Bnde# P es la !anancia de

corriente del transistor (dato del fabricante).

Bel !rfico anterior. %i e


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El amplificador operacional no amplifica de la misma manera para todo el rango de

frecuencias. Conforme la frecuencia de la seal a amplificar aumenta, la capacidad del

Qay una frecuencia para la cual la !anancia de tensin ha disminuido al 4.4

R de la !anancia a frecuencias medias. (La !anancia a disminuido en + d= .

(Becibeles))

7sta es la frecuencia de corte y nos indica el l8mite superior del ancho debanda (=>) de este Op. Amp.

+.5.5 Ko inersor

7n un amplificador operacional confi!urado como amplificador no inersor, la

se9al a amplificar se aplica al pin no inersor (0) del mismo. *omo el nombre lo

indica, la se9al de salida no est inertida respecto a la entrada

Bel !rfico se e que la tensin en & es i!ual a# -& S& G (& 0


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La impedancia de entrada del amplificadorno inersor es mucho mayor que

la del amplificador inersor. %e puede obtener este alor e@perimentalmente

colocando en la entrada no inersora una resistencia de alor conocido. -er el

si!uiente !rfico#

7n los terminales de la resistencia habr una ca8da de tensin debido al

flu$o de una corriente por ella que sale de la fuente de se9al y entra en elamplificador operacional. 7sta corriente se puede obtener con la ayuda de la ley

de ohm.

+.5.? %umador y estador.

3n amplificador sumador es un circuito electrnico creado por medio de

amplificadores operacionales el cual est en capacidad de sumar o unir dos

se9ales de entrada y unirlas en una sola a la salida.

*omo se puede obserar el dia!rama de el amplificador sumador se puede

er que es un amplificador sumador pero inersor ya que bsicamente su se9al de

entrada se encuentra por el pin ne!atio para lo!rar que sea un sumador no

inersor se debe conectar a el pin positio de entrada


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=sicamente para cualquier amplificador su !anancia est dada por la

resistencia de entrada sobre la de salida todo esto multiplicado por su olta$e de

entrada.

7n el caso de sumador no inersor la !anancia de salida a ha ser mayor ya

que la formula est li!ada a un 0& es decir que su !anancia es -ou-n(&0:Gn)

3nas de las aplicaciones prcticas del amplificador sumador es como un

mezclador de audio su dia!rama bsico seria# 7n un Op amp sumador las

entradas pueden sumarse y restarse. Las ecuaciones istas en el sumador

inersor y en el sumador no inersor son totalmente lidas. 7l circuito de un

Opamp sumadorCrestador es el si!uiente#

7l m"todo dise9ar sumadorCrestador es el si!uiente#

&. Deniendo la ecuacin salida requerida, se prosi!ue a esco!er las

resistencias del circuito, se debe esco!er primero la :, posteriormente se

esco!en las resistencias de todas las entradas de acuerdo al peso que ten!an, por

medio de la si!uiente ecuacin $:GU$, donde U$ representa el peso o !anancia

de cada entrada, sin importar que este por el pin inersor o no inersor.


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resistencia debe tener un alor i!ual a : diidido sobre el peso que falta para

cumplir la ecuacin. 7sta resistencia se denominara @.

+.5. Biferenciador.

7ste dispositio nos permite obtener la deriada de la se9al de entrada. 7n el

caso !eneral la tensin de entrada ariar con el tiempo -i -i(t). La principal

diferencia que se obsera en este circuito es la presencia de un condensador de

capacidad constante *. *omo se sabe la car!a V que almacena un condensador

es proporcional a su capacidad * y a la diferencia de potencial - a la que est"n

sometidos las armaduras de "ste (V*-). 7s fcil entender que si la tensin ar8a

con el tiempo y la capacidad del condensador es constante, la car!a que "ste

almacena tambi"n ariar con el tiempo, V V(t).

7st claro tambi"n que el primer miembro de esta i!ualdad

representa el concepto de intensidad

Adems la diferencia de potencial en los e@tremos del condensador

es -i ya que una de sus armaduras tiene un potencial -i y la otra, tiene

un potencial cero ya que -C al ser -0. La se9al de salida -o se

obtiene sabiendo que -o CI , sustituyendo los alores obtenidos queda


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+.5.4 Inte!rador.

3n circuito inte!rador realiza un proceso de suma llamado Hinte!racinH. La

tensin de salida del circuito inte!rador es proporcional al rea ba$o la cura de

entrada (onda de entrada), para cualquier instante.

7n el primer !rfico (izquierda) se puede er una se9al de entrada (l8nea

recta) de + oltios que se mantiene continuo con el pasar del tiempo. 7n el

se!undo !rfico (derecha) se muestra que el rea ba$o la cura en un momento

cualquiera es i!ual al alor de la entrada multiplicado por el tiempo. -sal -ent @ t


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=iblio!raf8a

www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADOR-INVERSOR.pp

www.uu.es/a!oracion.er"oso/Docu"entos/te"a-#.p!f

electronicsena-$lo%%er.$lo%spot.co"/&''(/.../a"plifica!or-su"a!or.t"..

www.electronicafacil.net/tutoriales/AMPLIFICADOR-RES)ADOR.pp

a"plifica!oroperacional.$lo%spot.co"/.../a"plifica!or-!iferencia!or.t...asp

http#GGWWW.unicrom.comGDutXinte!rador.asp

www.unicro".co"/)ut*inte%ra!or.asp

Investigacion Unidad III

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