Amplificador Amplificador operacional operacional Configuración interna
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1.- Espejos de corriente
Como Q1 =Q2 además VBE1=VBE2 por tanto IB1=IB2=IB IC1=IC2=IC Q2 debe estar en región activa
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Espejo de corriente • Ii=IC+2IB
• IO=IC • Ii=IC+2IC/β = IC(1+2/β) (1+2/β) ≈ IC
• Por tanto IO=Ii
Ejercicio: Hallar I i
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Espejos de corriente
• Conclusión: Conclusión: Se usa para reproducir una corriente de un lugar en otro • Ai = Io / Ii = 1/(1+2/β) 1/(1+2/β) ≈ 1
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2.- Fuentes de corriente múltiple usando espejos de corriente
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Fuentes de corriente múltiple usando espejos de corriente múltiples
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3.- Fuente de corriente Wilson
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Fuente de corriente Wilson
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Fuente de corriente wilson • Ejercicio Hallar iREF
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Fuente de corriente Wilson • IREF= (Vcc-2VBE)/R
• Esta configuración brinda una resistencia en paralelo muy grande, para lo cual emplea tres transistores. La salida es casi independiente de las características internas del transistor. Esta configuración emplea realimentación negativa del colector a la base de Q3 aumentando la impedancia de salida de esta fuente de corriente.
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4.- Fuente de corriente Widlar • Debido a las altas ganancias del OPAMP, se requieren corrientes de polarización pequeñas, por lo tanto esto implica el uso de resistencias de alto valor. Se reemplazan estas altas resistencias por fuentes de corriente. • Para esto Q1 y Q2 deben ser iguales, esto implica I 0, y VT iguales.
• Se conoce I C1 (IREF) entonces se coloca R 2 tal que I C2 sea la corriente deseada.
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5.- Trasladador de nivel
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Trasladador de nivel
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Trasladador de nivel
Ejercicio: Desarrollar el trasladador de nivel para desplazamientos hacia arriba. (Ayuda: Usar transistores PNP) 14
6.- Fuentes de corriente como carga activa
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6.- Fuentes de corriente como carga activa
• Av = -hfe.RC/hie = -Rc/hib = -RCICQ/VT 16
6.- Fuentes de corriente como carga activa
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Amplificador Amplificador diferencial diferencial
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OPAMP 741 Construcción Construcción interna. • Posee compensación interna dado por la red RC tal que su respuesta en amplitud decaiga en altas frecuencias. Consta de tres etapas principales: • Amplificador Amplificador diferencial en la entrada entrada • Amplificador Amplificador intermedio de alta ganancia y salida salida simple, • Amplificador Amplificador de potencia en la salida. salida. Adicionalmente Adicionalmente poseen: • Un desplazamiento de nivel, • Circuitos de polarización para proporcionar corrientes de referencia a los amplificadores, 19
OPAMP 741 Construcción interna Existen otros operacionales operacionales que poseen mejoras respecto al 741, entre esas mejoras tenemos: • Mayor CMRR • Mayor impedancia de entrada • Respuesta en frecuencia más amplia • Menor impedancia de salida • Mayor potencia, etc. 20
OPAMP 741 Circuitos de Polarización
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OPAMP 741
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OPAMP 741
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OPAMP 741:
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OPAMP 741: Circuito de entrada
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OPAMP 741: Etapa intermedia
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OPAMP 741: Etapa intermedia
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OPAMP 741: Etapa intermedia
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones
• Impedancia de entrada (Input Impedance) • Corriente de polarización (Bias Current) • Corriente diferencial (Difference Current) • Rechazo al modo común (Common-Mode Rejection) • Voltaje de offset (Offset Voltage) • Ganancia en lazo abierto (Open-Loop Gain) • Slew Rate 29
Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones
a) Símb Símbol olo o para para un un ampl amplif ific icad ador or ope opera raci cion onal al..
b) Circui Circuito to equiva equivalen lente te de de un ampli amplific ficado adorr oper operaci aciona onal. l.
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • Resistencia de entrada La resistencia de entrada del op-amp, es la resistencia entre los terminales de entrada, cuando se mide en lazo abierto es por lo regular 2MΩ, pero puede ser tan pequeña como 0.3M Ω. En lazo cerrado, esta impedancia de entrada puede ser mucho mayor.
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • Corriente de polarización (Bias Current) Para que un opamp funcione, sus dos terminales de entrada deben ser alimentadas con corrientes cd, llamadas corrientes de polarización de entrada. El fabricante especifica el valor promedio de I B1 e I B2. I B también se menciona como I in(polarización) o I bias.
I B
I B1 I B 2 2
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • Corriente diferencial A la diferencia de las corrientes anteriormente mencionadas se les llama corriente diferencial o corriente de desnivel de entrada. También se le conoce como I in(offset).
I OS I B1 I B 2
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • RRMC Razón de rechazo de modo común La razón de rechazo de modo común se define como: Ad CMRR Ac En decibelios
CMRR 20 log log
Ad Ac
dB
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • Voltaje de offset El voltaje de offset de entrada se define como la tensión de entrada que produciría la misma tensión de error de salida en amplificada. in ( offset )
V
V offset A
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • Ganancia de voltaje en lazo abierto Es la ganancia de voltaje de lazo abierto del op-amp. Presenta valores típicos de 200000.
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • Ancho de banda banda La figura muestra la respuesta en frecuencia. En frecuencias medias, la ganancia es de 100000. Tiene una frecuencia de corte de 10Hz. Por encima de la frecuencia de corte, la ganancia de tensión disminuye a razón de 20dB por década. La frecuencia de ganancia unidad es la frecuencia donde la ganancia de tensión es igual a 1.
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • Slew rate, rapidez de respuesta Velocidad máxima a la que puede cambiar la salida del amplificador en volts por microsegundos (V/μ (V/μs).
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional Especificaciones • Slew rate, rapidez de respuesta Conocido el SR podemos determinar la máxima frecuencia a la que puede operar el opamp. Se tiene un voltaje senoidal:
v V p sen( wt ) dv
La derivada respecto al tiempo es:
dt
wV p cos( wt ) V p
La máxima pendiente se presenta en t=0. Además, a medida que aumenta la frecuencia, se llega a un punto en que la pendiente máxima de la onda senoidal es exactamente igual a la rapidez de respuesta. En este punto crítico: dv máxV p 2 f máxV p dt máx
SR
Despejando:
f máx
SR 2 V p
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional uA741C uA741C
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional uA741C uA741C
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Amplificador Amplificador Operacional Operacional
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Configuraciones circuitales típicas El Amplificador Operacional ideal se ideal se caracteriza por: Resistencia de entrada,(R en), tiende a infinito. • Resistencia • Resistencia de salida, ( Ro), tiende a cero. • Ganancia de tensión de lazo abierto, (A), tiende a infinito • Entrada diferencial; asi
V o
= A*( v+ - v- )
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Configuraciones circuitales típicas USO LINEAL • Normalmente se usa el OPAMP como amplificador lineal. • En un OPAMP con realimentación negativa, usamos las ecuaciones: v+ = v- y la corriente en v+ y en v- es 0
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Configuraciones circuitales típicas USO NO LINEAL • Se puede usar el OPAMP sin realimentación negativa, negativa , pero en ese caso hay un voltaje diferencial en la entrada: (v+ - v- ) no será 0 V. El opamp funciona como comparador, y la salida estará en saturación, con 2 posibilidades: • Vo = Vsat (+) cuando v + - v- > 0
(v+ > v- )
• Vo = Vsat (-) cuando v + - v- < 0.
(v+ < v- )
Lo mismo vale cuando el opamp está con realimentación positiva. 47
CIRCUITOS LINEALES CON AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR OPERACIONAL OPERACIONAL Amplificador Amplificador Inversor
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Amplificador Amplificador Inversor Inversor • Hallar Vo si Vi = 100mVsen(wt) R1=20M R2=100M
•
Observar la simulación de spice y sacar conclusiones
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Amplificador Amplificador Inversor Inversor
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Amplificador Amplificador Inversor Inversor
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Amplificador Amplificador no inversor
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Buffer o seguidor de voltaje
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Buffer o seguidor de voltaje
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Buffer o seguidor de voltaje
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Amplificador Amplificador sumador
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Convertidor Digital Analógico
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Amplificador Amplificador restador restador (también llamado amplificador diferencial)
• RB puede ser un potenciómetro para ajustar el CMRR 58
Fuente de tensión de Referencia
• R1//R2 esto es para asegurar que las entradas tengan la misma impedancia y evitar problemas de corriente de Bias. 59
Fuente de tensión de Referencia
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Amplificadores Amplificadores de corriente corriente unidireccional
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Amplificadores Amplificadores de corriente corriente bidireccional
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Fuente de corriente controlada por tensión
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Fuente de corriente controlada por tensión, con carga flotante
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Fuente de corriente controlada por tensión, con carga a tierra
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Fuente de corriente controlada por tensión
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Amplificador Amplificador inversor inversor con sólo una una fuente de alimentación
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Amplificador Amplificador no inversor inversor con sólo sólo una fuente de alimentación
Nota: Aunque se pueden utilizar amplificadores operacionales normales normales con
una sola fuente de alimentación, existen algunos amplificadores operacionales que están optimizados para ser utilizados con una única fuente de alimentación. Por ejemplo el LM324, usa una sola fuente de
tensión positiva que puede ser entre 3V y 32V.
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Amplificador Amplificador de instrumentació instrumentación n
1ª etapa: Buffer muestrea sin producir efecto de carga. 2da etapa: restador, tiene un gran rechazo a modo común. El amplificador de instrumentación se usa en aplicaciones donde la relación señal a ruido es pequeña como por ejemplo : Electrocardiógrafos, Electroencefalógrafos, Electromiógrafos , mediciones de aceleración
y velocidad, sensado de variables químicas como el valor de PH, etc.
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Amplificador Amplificador de instrumentación: instrumentación: Aplicaciones Aplicaciones
•
En ciertas aplicaciones, tenemos la necesidad de medir señales muy pequeñas del orden de microvoltios o pocos milivoltios en presencia de comparativamente comparativamente grandes señales de ruido provenientes de distintas fuentes, como ser motores, tubos de iluminación de descarga gaseosa, y la siempre presente inducción de la frecuencia de línea de alimentación, en nuestro caso 60Hz. Para realizar las mencionadas mediciones estos deberán utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentación con un adecuada Relación Rechazo de Modo Común (CMRR).
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Amplificador Amplificador de instrumentación: instrumentación: INA114
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Amplificador Amplificador rectificador rectificador
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Amplificador Amplificador rectificador rectificador
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Amplificador Amplificador rectificador rectificador
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Amplificador Amplificador rectificador rectificador onda completa
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Amplificador Amplificador derivador derivador
• En el tiempo • En frecuencia y aplicando transformada de Laplace • Función de transferencia Av 76
Amplificador Amplificador derivador con con limitación de ganancia
• En frecuencia y aplicando transformada de Laplace
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Amplificador Amplificador integrador integrador introducción
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Amplificador Amplificador integrador integrador
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Amplificador Amplificador integrador integrador
• En el dominio del tiempo • En el dominio de la frecuencia • Función de transferencia Av
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Amplificador Amplificador integrador integrador
Vi(t)=(5/0.25m)*t
Vo(t)=-K(5/0.25m)*t 2/2
•
0
•
0.25m
Vo(t)=-K(10*t-(5/0.25m)*t 2/2)
•
0.75m
Vo(t)=-K(-15*t+(5/0.25m)*t 2/2)
Vi(t)=-15+(5/0.25m)*t
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Amplificador Amplificador integrador integrador
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Amplificador Amplificador integrador integrador con limitación de ganancia
• Av
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Amplificador Amplificador integrador integrador con limitación de ganancia
• Función de transferencia
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Filtro pasa bajo de 2do orden
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Ejercicios opamps •
Se desea medir la temperatura de un ambiente usando un diodo rectificador, sabiendo que la siguiente gráfica muestra la dependencia entre el voltaje del diodo y la temperatura. Se ha medido que el punto de reposo de un diodo a 25°C 25 °C es (0.68V, 5mA).
Diseñar un circuito acondicionador de señal, tal que a la salida muestre la temperatura ambiente expresado en mV. Es decir si a la salida del circuito se tiene 100mV, implicará una temperatura de 100°C. Su circuito también debe expresar la temperatura en Fahrenheit. NOTA:
(°F) = (°C)* 9/5 +32
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Ejercicios opamps
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Ejercicios opamps Se desea entregar a la carga RL una corriente de 4mA o 20mA. Explique el funcionamiento del circuito Diseñar el circuito tal que se logre l ogre el objetivo pedido. El voltaje Vin será un valor de 0V o 5V. Vcc=15V RL=50Ω
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Circuitos logarítmicos El circuito logarítmico • Para producir una respuesta logarítmica del amplificador, hay que disponer de un mecanismo, con características logarítmicas, que se colocará dentro de la red de retroalimentación. La unión pn de los semiconductores es un dispositivo con esas características. Recuerde que, de acuerdo con la teoría, la corriente que circula por un diodo semiconductor es qV qV I D I S e kT 1 I S e kT D
D
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Circuitos logarítmicos El circuito logarítmico • De igual manera, en un transistor de base común la corriente de colector es qV kT I C I ES e 1 BE
Donde:
I C I ES e
q V BE kT
• VBE = voltaje base-emisor
• IES = corriente emisor-base del diodo con baja polarización polarización inversa cuando los terminales colector – colector – base están cortocircuitados. cortocircuitados. I ES =I S . 92
Amplificador Amplificador logarítmico
k T V 1 V sa l ln ln I S q R1
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Amplificador Amplificador logarítmico
V sa l
k T q
(ln(V 1 / R1 ) ln I ES )
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Amplificadores Amplificadores Operacionales Operacionales continuación
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1.-Limitador realimentado Limitación superior e inferior
Datos: R1=1K, R2=2K, Rf=100K, Ra=100K Para el diodo: Rfd=0.1K, Von=0.7 96
• Cuando D1 y D2 no conduce Vo = - (Rf/Ra) Vi
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• Cuando D1 y D2 no conduce Vo = - (Rf/Ra) Vi
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• Cuando D1 y D2 no conduce Vo = - (Rf/Ra) Vi
99
• Ahora consideramos consideramos el sistema sistema V1<-0.7
100
• Ahora consideramos consideramos el sistema sistema V1<-0.7
101
• Ahora consideramos consideramos el sistema sistema V2>0.7
102
• Ahora consideramos consideramos el sistema sistema V2>0.7
103
Limitador realimentado
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2.- OPAMP como comparador:
Ejercicio • Graficar Vo para una onda Vi de forma sinusoidal 105
Comparadores con punto de conmutación distinto de cero
106
107
LM339
108
LM339 Instruments • Texas Instruments
109
LM339
110
111
112
113
114
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3.-Comparador de ventana
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Comparador de ventana
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OPAMPs en circuitos de pulsos y digitales Comparador de ventana (detector de ventana)
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119
120
4.- Disparador Schmitt
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Disparador Schmitt
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Disparador Schmitt
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Disparador Schmitt
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125
5.- Generador de onda cuadrada
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Generador de onda cuadrada
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Generador de onda cuadrada
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Generador de onda cuadrada
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Generador de onda cuadrada
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Generador de onda triangular
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Generador de onda triangular
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Simulación del Generador de onda triangular
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Simulación del Generador de onda triangular
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Simulación del Generador de onda triangular, incluyendo un offset
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Circuito detector de cruce por cero y generador diente de sierra
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Simulación del generador diente de sierra
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Detector de cruce por cero y generador diente de sierra
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Circuito generador de cruce por cero, generador diente de sierra y circuito de onda cuadrada con duty cycle
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Comparador Limitador balanceado
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Comparador Limitador balanceado Se analiza por partes
Vref o R1
1
Ra Vi 6
A
R2 V4
VCC
2
Vo
VEE
5
Ra
V+
141
Comparador Limitador balanceado Vref o R1
1
Ra Vi 6
A
R2 V4
VCC
2
Vo
VEE
5
Ra
V+
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Comparador Limitador balanceado Despreciando al diodo
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Comparador Limitador balanceado
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Comparador Limitador balanceado
145
Comparador Limitador balanceado
146
Comparador Limitador balanceado
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