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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.asp7/22/2019 Reporte Practica 1 Electronica
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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_.asp7/22/2019 Reporte Practica 1 Electronica
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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%B3n7/22/2019 Reporte Practica 1 Electronica
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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/Impedancia7/22/2019 Reporte Practica 1 Electronica
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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/Oscilador7/22/2019 Reporte Practica 1 Electronica
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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/Hercio7/22/2019 Reporte Practica 1 Electronica
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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.png7/22/2019 Reporte Practica 1 Electronica
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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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