tema 5 - el amplificador operacional
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Unidad 5
El amplificador operacional
conchi.jimenez@upct.es
Departamento de Tecnologa Electrnica
Fundamentos de Electrnica Industrial
(509103004)
-
ndi
ce
5. El amplificador operacional 5.1. Amplificadores. 5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales 5.3. Realimentacin negativa 5.4. Tipos de aplicaciones 5.5. Aplicaciones no lineales 5.6. Aplicaciones lineales
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5 El amplificador operacional. 5.1. Amplificadores.
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
5.3. Realimentacin negativa
5.4. Tipos de aplicaciones
5.5. Aplicaciones no lineales
5.6. Aplicaciones lineales
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El Amplificador Operacional
5.1. Amplificadores. Circuitos equivalentes
Un amplificador es un dispositivo que magnifica una seal. La potencia que ofrece en la salida ha de ser mayor que la presente en la entrada; por lo que es necesario el uso de una fuente de energa (fuente de tensin).
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5
5.1. Amplificadores. Circuitos equivalentes Parmetros caractersticos Ganancia: Expresa la relacin entre la
magnitud de salida y la de entrada.
Impedancia de entrada: relacin entre el voltaje y la corriente de entrada Cuando se aplica un voltaje a la entrada de un circuito fluye una corriente. El valor de esta corriente va a depender de la impedancia de entrada que presente dicho circuito.
Impedancia de salida: resistencia equivalente a la salida. Es responsable de la diferencia entre la tensin de salida bajo condiciones de ausencia de carga y con carga externa, debido fundamentalmente a la corriente que fluye a travs de ella desde la salida del operacional hasta la carga.
El Amplificador Operacional
-
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El amplificador operacional es un caso particular de amplificador diferencial
El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
Los amplificadores pueden tener como entrada una sola tensin medida con respecto a una tensin de referencia (masa), o tener dos entradas y un terminal de salida, en el que aparece una tensin proporcional a la diferencia de las tensiones aplicadas en las entradas, amplificador diferencial.
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El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
-
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Los primeros trabajos sobre A.O. datan de la dcada de los 40 y estn relacionados con calculadores analgicos capaces de resolver ecuaciones integrodiferenciales. De aqu procede el nombre de operacional; dado por ser capaz de realizar operaciones matemticas.
Los primeros A.O. estaban realizados con vlvulas y tenan muchas limitaciones; pero a medida que la tecnologa de los circuitos integrados ha permitido obtener dispositivos de mejores caractersticas, el A.O. ha ido aumentando su popularidad.
Actualmente el A.O. es un componente bsico en la electrnica analgica y existen infinidad de aplicaciones tpicas tanto lineales como no lineales: Osciladores Filtros activos Fuentes de tensin Comparadores Convertidores A/D y D/A Multiplexores Moduladores y demoduladores
El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
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+
+V
V
El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
Smbolo: punta de flecha que representa la alta ganancia en la direccin del flujo de seal (entrada salida)
Entradas: inversora (-) y no inversora (+) Usualmente existe una sola salida La mayora trabajan con tensiones de alimentacin simtricas (+Vcc,
-Vcc), muchas veces no aparecen, pero siguen existiendo)
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+
+V
V
El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
Smbolo: punta de flecha que representa la alta ganancia en la direccin del flujo de seal (entrada salida)
Entradas: inversora (-) y no inversora (+) Usualmente existe una sola salida La mayora trabajan con tensiones de alimentacin simtricas (+Vcc,
-Vcc), muchas veces no aparecen, pero siguen existiendo)
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+
+V
V
El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
Smbolo: punta de flecha que representa la alta ganancia en la direccin del flujo de seal (entrada salida)
Entradas: inversora (-) y no inversora (+) Usualmente existe una sola salida La mayora trabajan con tensiones de alimentacin simtricas (+Vcc,
-Vcc), muchas veces no aparecen, pero siguen existiendo)
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Detalles sobre sus principales terminales (I)
Terminales de la fuente de alimentacin ( patillas 4 y 7):
El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
Los terminales +Vcc y Vcc del A.O. deben conectarse a una fuente de alimentacin de tres terminales (positivo, negativo y comn)
Tpicamente: +Vcc = +15V Vcc = -15V El terminal comn de la fuente (masa) puede estar o no conectado a
tierra real, aunque habitualmente se represente un smbolo de tierra en los diagramas
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Detalles sobre sus principales terminales (II)
Terminal de salida ( patilla 6):
El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
Slo hay un terminal de salida, que es donde se conectarn la carga. Existe un lmite para los valores de tensin e intensidad que pueden presentarse a la salida.
El lmite de tensin positivo se suele denominar voltaje de saturacin positivo y el lmite negativo voltaje de saturacin negativo.
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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Detalles sobre sus principales terminales (III)
Terminales de entrada ( patillas 2 y 3):
El Amplificador Operacional
Hay dos terminales de entrada; los cuales se encuentran diferenciados por los smbolos + (entrada no inversora ) y (entrada inversora).
A partir de esto, se define el voltaje diferencial (Vd) como: Vd = V (pin +) V (pin )
Se suelen denominar tambin terminales de entrada diferencial, ya que el voltaje de la salida (Vo) depende de la diferencia de voltaje entre ellas (Vd) y de la ganancia del amplificador en lazo abierto (Aol).
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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Modelos del amplificador operacional (AO)
AO Real: con sus caractersticas reales de AV,Rin,Rout, etc..
AO Ideal: modelo matemtico simplificado para resolver fcilmente circuitos.
El Amplificador Operacional
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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Caractersticas del amplificador operacional (AO) ideal
Definimos un amplificador operacional ideal como un amplificador diferencial que presenta las siguientes caractersticas: Impedancia de entrada infinita, para no modificar la tensin a amplificar (real 106 a 1012 ). Impedancia de salida nula, para que la tensin de salida no fuese modificada por la carga (real 75 a 103 como mucho). Ganancia infinita (real 106 a 1012 ). En consecuencia, su circuito equivalente ser el siguiente
El Amplificador Operacional
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Caractersticas del amplificador operacional (AO) ideal (II)
De las caractersticas antes enunciadas es posible deducir las siguientes consecuencias:
Impedancia de entrada infinita: Por las patas + y del AO ideal entrarn i+=i-=0A . Impedancia de salida nula: tensin de salida ideal no afectada por la carga conectada a la salida : Us = AOL Ed Ganancia infinita: V+ = V-. En muchas ocasiones V+ = 0V. Esto origina el denominado principio de TIERRA VIRTUAL: V+ = V- = 0V sin que haya corriente a tierra (i+ = i- = 0 por la Ze = ) Demostracin: Vs=valor finito= AOL *Ve Ve=Vs/AOL Como AOL= Ve=Vs/ =0 cortocircuito virtual
El Amplificador Operacional
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
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El Amplificador Operacional
Vd = 0
I - = 0
I + = 0
Aol = VO
AVd
El amplificador operacional ideal
Ganancia infinita: V+ = V- Vd = 0 Demostracin:
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En muchas ocasiones V+ = 0 V. Esto origina el denominado principio de TIERRA VIRTUAL: V+ = V- = 0 V (adems I+ = I- = 0 por la Zi = )
VO = AolVd
Estructura interna del A.O ideal
V- V+
IE
IC1 IC2
VE
-VCC
-
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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Modos de la seal de entrada
La seal de entrada puede aplicarse a un A.O. en modo diferencial o en modo comn.
Las seales en modo diferencial se pueden aplicar en modo: - Single-ended (un terminal conectado a masa) - Double-ended (fases opuestas conectadas a las entradas).
Vin
+
Vout
El Amplificador Operacional
( )21 VVVd =
Vin
+
Vout
invertida
Seales diferenciales
-
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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Modos de la seal de entrada (II)
En modo comn, se aplican a las dos entradas dos voltajes de seal de la misma fase, amplitud y frecuencia.
Habitualmente, las seales en modo comn provienen de fuentes no deseadas y afectan de la misma manera a los terminales de entrada. El resultado es que su efecto se cancela en la salida. Esta accin se denomina rechazo en modo comn, y evita que el ruido aparezca a la salida y distorsione la seal.
Vin
Vin
+
Vout
Vin
+
Vout
Seales en modo comn
El Amplificador Operacional
-
21
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Ganancia diferencial y ganancia en modo comn
Una de las caractersticas ms importantes del amplificador diferencial como etapa de entrada de un AO es:
Amplificar vigorosamente las seales diferenciales(opuestas a los dos entradas) Slo se amplifican ligeramente las seales comunes a ambas entradas(ideal ACM=0)
La mayor parte de las tensiones continuas, interferencias y otras tensiones no deseadas son seales en modo comn (comunes a las dos entradas)
As que es bueno que el Amplif.Diferencial las amplique muy ligeramente.
Vin
+
Vout
El Amplificador Operacional
Vin
+
Vout
-
22
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
Razn de rechazo al modo comn (CMRR) La razn de rechazo al modo comn (CMRR, Common Mode Rejection Ratio), se define como la medida de la capacidad de un A.O. para rechazar seales en modo comn
CMRR se define como: ol
cm
AA
=CMRR
donde Aol es la ganancia de voltaje diferencial en lazo abierto y Acm es la ganancia en modo comn.
Cuanto mayor sea CMRR, mejor. Un alto CMRR amplifica la seal deseada y la discrimina frente a la seal en modo comn
CMRR se puede expresar tambin en decibelios (dB):
20log olcm
AA
=
CMRR
El Amplificador Operacional
-
23
5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales
Razn de rechazo al modo comn (CMRR) (II)
Cul es el valor, en decibelios, de un A.O. 741C tpico?
El valor tpico de la ganancia diferencial de un 741C es de 200.000 y el de la ganancia en modo comn es de 6,3.
90 dB
20log olcm
AA
=
CMRR
200,00020log6.3
= =
(el mnimo CMRR especificado para un 741c es de 70 dB.)
El Amplificador Operacional
-
Parmetros de un A.O. Tensin
VO(p-p): excursin mxima de voltaje de salida. Est determinada por el A.O. y los voltajes de alimentacin
Parmetros de un A.O. real. Excursin VO
-
Parmetros de un A.O. Corriente
IBIAS: la corriente de polarizacin de entrada es la media de las dos corrientes dc necesarias para polarizar los transistores que componen el amplificador operacional.
IOS: el desequilibrio de corrientes de entrada es la diferencia entre las dos corrientes de polarizacin de entrada.
Parmetros de un A.O. real. IBIAS e IOS
-
Parmetros de un A.O. Tensin
VOS: offset de voltaje de entrada. Es el voltaje diferencial de continua que se requiere poner entre los terminales de entrada para forzar la salida a 0 voltios
Parmetros de un A.O. real. Offset
Para compensar el offset, se conectan las dos entradas a masa y se ajusta la R variable hasta que la salida vale 0 V
-
El Amplificador Operacional
Parmetros de un A.O. real. Resumen
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Vd
I -
I +
Aol = VO
AVd
Parmetro Valor ideal Valor real (ejemplo) Zi 10 T Zo 0 100 Aol 100.000 CMRR 90 dB VOS 0 6 mV
Excursin mx 12 V (a Vcc=15 V) I+, I- 0 IBIAS=80nA BW 1 MHz
-
28
5.3. Realimentacin negativa La realimentacin negativa es el proceso por el que se re-introduce en la entrada una porcin de la seal de salida con un ngulo de fase tal que se opone a la seal de entrada.
Vout+
Vin
Vf
Internal inversion makes Vf180 out of phase with Vin.
Negativefeedback
circuit
La ventaja que ofrece la realimentacin negativa es que permitir ajustar valores exactos de ganancia para un amplificador.
Adems, el ancho de banda y las impedancias de entrada y salida se podrn controlar.
El Amplificador Operacional
Se obtiene una aplicacin lineal cuando se realimenta negativamente el A.O., al permitir ajustar y controlar la ganancia.
-
Aplicaciones del amplificador operacional
5.4. Tipos de aplicaciones No lineales: El amplificador no presenta realimentacin, o se
encuentra realimentado positivamente. De esta forma, la salida tiende a tomar los valores correspondientes a las tensiones de saturacin.
Lineales: El amplificador se encuentra realimentado
negativamente. De esta forma, gracias al uso de componentes electrnicos adicionales constitutivos de la denominada red de realimentacin, el operacional trabaja en zona lineal, ofreciendo una ganancia controlada.
-
30
5.5. Aplicaciones lineales
El Amplificador Operacional
Conceptos previos
Al estar trabajando con realimentacin negativa, se pueden aplicar las siguientes consideraciones prcticas:
Impedancia de entrada infinita => i+ = i- = 0A Ganancia infinita (tierra virtual) => u+ = u-
-
31
El Amplificador Operacional
Amplificador inversor es una configuracin en la que la seal de entrada se aplica a traves de un resistor de entrada Ri conectado en serie con la entrada inversora y la entrada no inversora se conecta a tierra. La salida est desfasada 180 con respecto la entrada.
Amplificador inversor
(I)f
cli
RA
R=
+
Rf
Vout
Ri
Vin
0 V (virtual ground)
i
f
entfi
ent
fi
entent
RR
VV
RV
RV
RV
RVI
=
=
==
=
==+
00
0f
fent
-
I
II0VV
5.5. Aplicaciones lineales
-
32
El Amplificador Operacional
Amplificador inversor
Determine la ganancia del ampificador inversor mostrado en la figura
82 k3.3 k
=
= 24.8
+
Rf
Vout
Ri
Vin
82 k
3.3 k
(I)f
cli
RA
R=
El signo menos indica inversin
5.5. Aplicaciones lineales
-
33
5.5. Aplicaciones lineales
El Amplificador Operacional
Amplificador no inversor es una configuracin en la que se aplica la seal de entrada a la entrada no inversora, y una porcin de la seal de salida se vuelve a aplicar a la entrada inversora. (la tensin de salida est en fase con la entrada)
(NI) 1f
cli
RA
R= +
Amplificador no inversor
Rf
Ri
Vf
Vin
+
Feedbackcircuit
Vout
Suponemos tierra virtual:
i
f
i
fi
in
infi
i
RR
RRR
VV
VRR
R
+=+
=
=+
=
==+
1
VV
VV VV
0
0f
fin -
En este caso la ganancia siempre es mayor que 1
-
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El Amplificador Operacional
Amplificador no inversor
(NI) 1f
cli
RA
R= +
Determine la ganancia del amplificador no inversor de la figura.
Rf82 k
Vin +
Vout
Ri3.3 k
82 k13.3 k
= +
= 25.8
5.5. Aplicaciones lineales
-
El Amplificador Operacional
Amplificador no inversor
1o VV =
La configuracin seguidor de tensin o amplificador de ganancia unidad es una caso especial del Amplificador no inversor donde todo el voltaje de salida es realimentado a la entrada inversora mediante una conexin directa.
La salida tiene la misma polaridad y magnitud que la entrada.
Acl=1
5.5. Aplicaciones lineales
-
36
Aplicaciones del amplificador operacional
5.5. Aplicaciones lineales Aplicaciones del seguidor de tensin Las caractersticas que presenta el seguidor de tensin lo hace
adecuado para su uso como adaptador de impedancias de distintas etapas, y para disminuir la cada producida por el uso de instrumentos de medida inadecuados, que tengan baja impedancia de entrada
V091,0V1R2R
2RUA =+= V002,0V
1RRvolt//2RRvolt//2RUA =+
=
a) Valor terico b) Influencia de la impedancia del voltmetro de medida b) Influencia de la impedancia del voltmetro de medida
Vin = 3 V
-
37
Aplicaciones del amplificador operacional
5.5. Aplicaciones lineales Aplicaciones del seguidor de tensin (II)
c) Solucin basada en un seguidor de emisor
2RRin2RRin2RRin//2R +
= Al ser la impedancia de entrada del seguidor infinita, el paralelo se puede aproximar al valor de R2, obteniendo as el valor terico que debera ofrecer la medida si no hubiera instrumento colocado
V1R2R
2RV1RRvolt//2R
Rvolt//2RUA +
+=
-
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El Amplificador Operacional
Amplificador sumador es una configuracin que proporciona un medio para sumar de forma algebraica tres voltajes.
Amplificador sumador
++=
++=
++=
== +
33
f2
2
f1
1
fo
3
3
2
2
1
10
321
-
VRRV
RRV
RRV
0V
RV
RV
RV
RV
iiiiVV
f
5.5. Aplicaciones lineales
-
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El Amplificador Operacional
Amplificador integrador es una configuracin en la que la salida es la integral de la entrada.
El elemento clave es el condensador que se rige por la siguiente ecuacin
Amplificador integrador
=
=
=
==
=
(t)dtvRC1(t)V
*
)0(*0
*i
10
01
01
c
dtdVC
RV
dtVdC
RVii
dtdVC
c
c
5.5. Aplicaciones lineales
-
40
El Amplificador Operacional
Amplificador diferenciador es una configuracin en la que obtenemos la derivada de la entrada.
Amplificador diferenciador
dt(t)dvRC(t)v
0V
1o
01
=
==
== +
RV
dtdVCi
VV
5.5. Aplicaciones lineales
-
Aplicaciones del amplificador operacional
41
Amplificador sustractor (1)
RVV
RVVII
I en Kirchhoff
f
Oi
fi
-
0
0
1
=
+
=+
(2) VVRR
RV
RV
RVVII
I en Kirchhoff
32
+
++
+
=+
=
=
+
=+
223
3
32
2 000
:(2) (1) VVAol === +
11
223
3
1
1 VRR
VRR
RR
RRV ffO
+
+
=
f3
21
RRRRR
hacemos Si
=
==
( )12 VVRR
V fO =
5.5. Aplicaciones lineales
-
42
Aplicaciones del amplificador operacional
5.5. Aplicaciones lineales Amplificador de instrumentacin
)(21 121
3 VVRRVVV abO
+==
abO VVVSustractor
=
2211 VU VUVVAol
==
== +
0
0
1
21
3
2
1
12
3
1
=
+
=
+
==+
RUU
RUV :U Nodo
RUU
RUV :U Nodo
:0)I(I Kirchhoff
b2
a1
-
Despejamos Va y Vb
Muy utilizado en instrumentacin. Ofrece una elevada ganancia. Tiene salida diferencial (resta de entradas), por lo que elimina el ruido que se acople a las entradas.
-
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Aplicaciones del amplificador operacional
5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador
Los comparadores son circuitos no lineales que, como su nombre indica, sirven para comparar dos seales (una de las cuales generalmente es una tensin de referencia) y determinar cul de ellas es mayor o menor. La funcin del comparador es comparar dos tensiones obtenindose como resultado una tensin alta ((+VSAT ) o baja (-VSAT )
VO
+VSAT
-VSAT
Vd = V+ - V-
Si Vin > Vref VO = +VSAT Si Vin < Vref VO = -VSAT
-
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Aplicaciones del amplificador operacional
5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador (II) En el circuito siguiente, la salida va conmutando a +Vcc o a Vcc, en funcin de que la seal de entrada (Vi) sea mayor o no que la referencia (VT). Si la referencia se pone a 0 se dice que se tiene un detector de pasos por cero.
-
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Aplicaciones del amplificador operacional
5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador (II) En el circuito siguiente, la salida va conmutando a +Vcc o a Vcc, en funcin de que la seal de entrada (Vi) se a mayor o no que la referencia (VT). Si la referencia se pone a 0 se dice que se tiene un detector de pasos por cero.
Detector de paso por cero
Qu pasa si hay ruido en Vi?
-
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Aplicaciones del amplificador operacional
5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador de ventana (Schmitt Trigger) Usa dos niveles o umbrales para cambiar de estado (salida = dos
niveles (+Vout(max) y Vout(max)): Umbral superior de voltaje (VUTP, upper trigger point) Si Vin > VUTP
conmuta salida Umbral inferior de voltaje (VLTP, lower trigger point) -> Si Vin < VLTP
conmuta salida
Vin 0 t
VUTP
VLTP
+Vout(max)
Vout(max)
A este efecto se conoce como ciclo de histresis, se usa para prevenir el ruido que podra solaparse a la seal original
-
47
Aplicaciones del amplificador operacional
5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador de ventana (Schmitt Trigger) II Al estar realimentado positivamente, la tensin de salida va conmutando entre los valores de saturacin Vin > VUTP VO = -VSAT Vin < VLTP VO = +VSAT
Cules son los valores de VUTP y VLTP para esta configuracin si VSAT = 13 V?
R147 k
+
R210 k
Vout
Vin
Vref
Vout
Vin 0 t
VUTP
VLTP
+Vout(max)
Vout(max)
+VSAT
-VSAT
-
48
Aplicaciones del amplificador operacional
5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador de ventana (Schmitt Trigger) III Al ser los voltajes de umbral ms grandes que los voltajes de pico de ruido, se eliminan las falsas transiciones en la salida en entradas que presentan componentes de ruido.
-
Datos de Contacto
Concepcin Jimnez Carvajal Universidad Politcnica de Cartagena Divisin de Sistemas e Ingeniera Electrnica (DSIE) ETSI. Industriales Campus Muralla del Mar, s/n 30202 Cartagena Tel. +34 968 32 64 47 Fax. +34 968 32 53 45 E-mail conchi.jimenez@upct.es
Unidad 5El amplificador operacionalconchi.jimenez@upct.esNmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3El Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalParmetros de un A.O. TensinParmetros de un A.O. CorrienteParmetros de un A.O. TensinEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalAplicaciones del amplificador operacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalAplicaciones del amplificador operacionalAplicaciones del amplificador operacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalEl Amplificador OperacionalAplicaciones del amplificador operacionalAplicaciones del amplificador operacionalAplicaciones del amplificador operacionalAplicaciones del amplificador operacionalAplicaciones del amplificador operacionalAplicaciones del amplificador operacionalAplicaciones del amplificador operacionalAplicaciones del amplificador operacionalDatos de Contacto
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