IJNIVERSIDAD AUTGIJOBIA METROPOLITANA - IZTAPALAPA /DIVISION C B I

'DISENO DE UN INTEGRADOR BIPOLAR Y MONIOPOLAR NEGATIVOIPOSITIVO CON CWITCHEO A CERO PARA VOLTAJES DE SALIDA PROXIMOS A SATURACION (INTEGRADOR DE TIEMPO LARGO).

1 13 DE ABRIL DEL 2 0 0 9

I . R E S U M E N Existen amplificadores de corriente capaces de medir corrientes ióiiicas, estos emplean un iiitegrador dc tiempo largo en su dikeño, sin cnibargo son inii,y costosos; se propone diseñar este iiitegrador. Se diseñó titi circuito iiitegrador de tieinpo largo que descarga el capacitor de integración cuando el voltaje es próximo a saturación por medio de un control de swiicheo realizado por dos coiiiparadores que evalúan el voltaje de salida d ~ ~ l integrador. Se realizaron distintas pruebas coii distintos elementos del iiitegrador, a distintas lrecueiicias y iiiagiiitudcs de la señal de enirada para estudiar los 1ieiiipo:s de respuesta del circuito y su señal de salida. 13 diseño en general cubre las es,pecilicacioiies requeridas, descargando el capacitor cuando cI voltaje de salida cs de 12.4 V y Ileváiidolo a cero. E n particular si: encontró que los iieinpos de switclico craii grandes cii comparación coii los de la señal de entrada, se debe de trabajar sobre este puiito para bajar los tiempos de switclieo, cainbiand,o el transistor por tino de iiiayor velocidad. El circuito diseñado cuenta con la ventaja de qiiie el control de descarga del capaciíor se rcalizi por iiicdio de la propia señal de salida del circuito, sin depender de una señal extriiiseca para SLI control, el único paráinctro que el usuario debe de cambiar para obtciier una señal mas acorde con stis iicccsidadcs es cI valor de Ks controlado por inedio de un poienciiiiiietro.

Una parte fiiiidainental de la instruineiitaci6ii médica es la adquisición y procesainieiito de señales biológicas y fisiológicas, estas señales por su naturaleza. tienen inagnitudes inuy pequeñas. por esta razhi es fundamental realizar ciertas transforinacioiies de las señales con el fin de poder procesarlas e interpretarlas. El LISO de circuitos integradores dentro de la iiistruiiiciitacióii inédica y electróiiica es miiy variado; sc utilizan coino filtros activos prácticamente idc,ales, deniro de sisteiiias de conversión de señalcs aiialógicas a digitales y viceversa, dentro de sisteinas de proinediacióii y en usos especilicos según la naturaleza física de la scñal a esíudiai-. En las células excitables (niusciilares, iicrviiosas, glandulares, ctc.) la actividad clkctrica comanda la ruiicióii celular; eski actividad eléctrica se desarrolla eii forma de potciiciales de acciOii, los cuales soii producto de las corrientes iónicas traiisiiieinbrniialcs ocasionadas por la apertura dc los caii:iIcs iímictrs localirados en la membrana celular. El cstiidio dc l o s iiiecaiiisinos de acción de los tcjidos cucitahles a iiivel celular se I ia realizado en las últiinas décadas incdiaiite las técnicas de Iijacitin de volta.je. las ct~;iIes pcrinitcii i i iaiiteiier el poteiicial de iiieiiibraiia Ii.jo de aciierdo al valor sclcccionado por el usLiario y rcalimr la iiiedicióii de las corrientes ióiiicas producidas por los cambios en el potencial de inciiibraria. 1:stas técnicas niiden las corrieiites i6nicas traiisineiiibraiiales de toda la stiperlicic celular; a pi-iiicipios dc l o s años SO'S, Sakinaiii-i y colaboradores diseñaroii la tciciiica conocida como Patch Clamp la cual periiiitc la medición de la corriente ióiiica a través de tin :;»lo canal i6iiico. La iiiagnitud de esta corriente fluctiia eiitrc 0.5 a 20 pA. Sakiiiaiiii y colaboradorcs lograroii inedir corriciites de esta inagtiitiid iiiediaiik el ciiipleo de un coiivertidor corriente-voltaje.[ 1 J Sin eiiibargo coii este diseño la relacióii scñal ruido no es adcciiada para la iiiedicibii de corrientes inciiores a I pA. Offncr y Clark resolvieron esie probleina susiitiiyendo el convertidor corrieiite-volta-jc piir iiii iiitcgrador. recuperando la señal original por inedio de un diferenciador en tina etapa postcrior.[21 A pesar dc qiic cI iiitegrador resiielve el prohleiiia del ruido se gciicraii otros. ya que los iiiiegradorcs ticndcii a snttiraciOii por Io que se rcquiei-e tiii diseño qiie periiiita descargar el iiitegrador cuando su valor sca ccrcaii(1 a saturacih. Actualiiieiite cxistcri en el mercado algiiiios aii~iplilicadorcs dc corriente dciioiiiiiiados de "ultra bajo ruido" que eiiiplcaii este último diseno, sin cnibargo son (IC u n costo muy alto. Por tales motivos se propiisti el diseño de un ii)iegrad«r que evite su saitiracióii debido al papel fiindameiitnl que juega este circuito dentro del aiiiplificador de corriente.

0b.jciivo : Diseñar un circuito intcgdor capaz cIc intcqar sefides talit(J positivas y iicg:ativ;is, COII o sill oírset para tieniyos largos, evitando que el intcgrador caig,a en rango de saiuc'acititi.

l>eíinicióti del I>rohlentia : Uno (le los piincipales problemas ciLindo se requiere integrar una señal por tiempos pfolorigados es que el valor absoluto de In mngnitu(l de la señd (IC salida aunicnta con el ticinpo, lo que provoca que en un tiempo CL~LIO: depeiidiendlo de las caractcrisiicas del circuito y de ¡;I sefi:il tle c ~ i t ~ ~ i c l : ~ , la salida tienda a saturación. Se requiere diseñw un circuito intcgrad»r de ticinpo Iai-go que no licguc ;I

saturacii>n, por este motivo se sugiere un circuito que descargue el iriicgador iiasta cero cuantli~ cl \.:iloI es niuy prósitno al valor iIe saturación del circuito.

Aiiáiisis tcíJrico del circuito iiitcgrador.

1.1 prop0siio del circuiio intcgratlor es generar uin voltqjc <IC salitla proporcional ;I 1:i intcgral del volia.je de entrada. I .a coníigurac:ióii de un iniegrndor hisico se niuesira en I;i ligura 1.

c f

. \ Y

k I<\

simtiiuycii<lo ins ecuacioncs (3) y (4) en ( I ) se tiene

resohientlo la ecuación diíiireticial de t,, ii I se tictic

donde 1, representa cX instante dc tiempo cuari<lo comienza la inicgraciOti. h i i d c VO(IO) es i l va101 dci voltaje de salida en csc instante. Cotno vl = v:t z: 0: vo(to) cs igual a l voltaje inicial cti ci c:ip;iciior retroaliinetitación CT.

La ecuacitin (5) establece que el voltaje de salida dc un intcgta~lor es igual i~ In iiiícgi-al c i d c.oli;!jc (ic e ~ ~ t ~ ~ c v ~ csca~at~a valo, 1 i l i a

Si no existe voltaje alniaccnndo en e1 e;ip:ic.itor cuiiiid« la itiicgi.ación comienza la ecuacitiii ( 5 ) se i-c<lucc ;I

lo

Si vs es uti nivel de voltqje en dc el vo1ia.j~ de salida cainhiai-a liiiealiiicnii en el iicrnpo. Asutiiiendo (pc: el voltqje di entrada es tin piilso rectaiigiilar de volt-je ~ O I I I C J sc tniicsira en la ligiira 2 y :isitniieiido (pi cI

volk~je inicial del capacitor es cero en iI irislatite i:n que vs ciiniliia de 0 a VI,,.

Suslituyctido los valorci en la cciiaciiin (5 ) icnetti<w (lircctainciite

Figura 2 Sci id (le enirada coli piilso rcctéiigiil;ii.

Corno se puede ver de las ecuacionis aniciioi-es el voltaje <le salida vo depende dc :

I:Igiiia 3. Scii:il ( I C siilidu ichiin dcl : t i i ip l i f ica~lvr i i i ~ c ~ r : i d ~ r

0

0

El voltaje de la señal de entrada El valor de la resislcnicia I<s E1 valor del capacitor de retroaliirietii;icióri ('1'

El volta.je de salida es proporeional a la iiitegriil del volia.jc tlc cntrnda, sicnilire y cuan~lo i:l aiiipiilicndor operacional opere dentro (le1 rango liiiial, eslo cs. no se cncucnirc en saiuracih. 13 1

3. DESAltl<OI~,I,(3 'IF3')I¿K'(O

Para deiciininar los w10Ies de I< y (.. sc dchc (IC loni;iI en ciicnln la anipliliid y la litciicncia tic I:I schl de

saturacii,n CII un ticinpi) niiiy coito; si se quiere Iquc In señal Il~guc a un v;ilor pr'isiiiio :I saiur:ic,itiii (1 2.5 1') en un iieinpo tlc la iiuíad ilcl perioJo de I J scllal, se tiene que calcular los vdoi-es dc I< y (. scgiin la frecuencia y la anipliiud dc la sefial de cnirnd;~. i'or c.jcnipio si se íicne un pulso di: il ;I 5 volts con iiii;~

frecuencia de 1 KIIz, la señal se integra iiiieiiii-;is el piilso cst;~ cn 5 volís dut-;ink i i n ticnipo (IC 0.5 nis. <lesl>c.jando It(' de la ccuacih (7) ohicnenios

enl la~l~ l . I>c In cciiacioi:i (7) se pilc<le vel- <IUC si los vnl~lles I< y ( ' son I>e<~ueños 13 scñ;1l ~iucdc Ilcg,;1r :I

..

I I I j

I I

l'ara realimr el switclico del capaciior se utilii:i un ii-insistor (vi ). i'arii conti-olar el volt:ije p ~ ~ s i t i v ~ ~ . ci volta.je del integador Vo es nioniiorcado por el compararlnr. Si Vo esta por dc1)a.j) dc V d 1;1 s;ilida tiel coml)arador es negativa. I'ara proteger a los iraiizistorcs contra una Iwlarización inversa ncgativa uiilii;inios diodos a las entradas de loa transislorcs. Cuando Vo csceúc \'ref, la salida del conip;iraclor \'c(inip pas;;' a saiuracitin positiva. Is la p ~ I a I i ~ a c i í ~ n iiace quc el transistor VI pase a saturaciini. iil iransistoi- satui-a~l~i a c i h coni« c01to circiiiio :I trnvCs (Id capaciior del iniegrador C, descarg;indolo. IIno de los pincipales problcnias es aseguramos de quc el volta,ie del capacitor sea ccto antcs de volvci- ;I prcnder el intigador, para esto se utili7rl un volia!jc de reíci-ciicia vaiial>lc d ~ : 12.5 ;I O voi~s, tlc csin nianci.a el conip;irador de control pwmanccc en satciriic.i<>n posiiiva Iiasia qiic Vo llega ;I ccIo. hlienti-as el conip;irndor esta prendido el swiicli esia ciii.ado y el capacito se esta dcsc;irgmtlo. Así cuando Vconip pasa a posiiivo, QZ se saiiiia y pone en coilo el I'otcricií)riieiro. l<cclucicnclo \ : I d 1i;ist;i

casi a cc1-o volts. A nicdida que <' sc tlcscrirga, llcva :I Vo Iiasi;i cw« volts en un iicnipo iiiuy cotto (vel tabla 2), \'o cae por debajo de Vrif, lo que causa que \'coinp pase a ncg:itivo y <Ics;iciivc ;I ~i y ;I o.? ( VCI

íigiira 7). se eiiipicm a cargar lincnltnciitc y se inici;i iii~cv~niicníc la iiiicgr:icitin. 141

Con esta paiie del circuito podcnios controlar c:l circuito cii;ind(i Vi es ncgaiiv;i, para que \'o no llegue ;I

saturación positiva (comliarailor positivo), sin eiiihargo no controla el cii-cuito cuando Vi ex positiva y s u salida Vo tiende a satiiracih negativa. Para controlar In saturiici¿)n negativa se proponc un circuito con un comportamiento similar al coinparador positivo pero con un voliajc de rcieicricia ncgntivo (comparador negaiivo). Ahora bien, si cainbiainos únicamentc la polaritlntl de \-reí; el comparador tcndri una si l ' ' I( I . 'I con saiuraciim negativa únicamente curirido Vo sobrepasa a Vi-cl; y satui-aciiin positiva p i -a el i'csio de la sefid. Como neccsiiarnos que el coniparador se prentl;i (satiiracih positiv;i) únicariientc cuando \:o solircl>asc i1

Vref y Iiasta que su valor regrese a cero, se caiiihi;i e1 orden de las icrrninales de entrada, VO es nionitoreado por la entrada inversora y la ciilrada ti<? iiivcist>ra ~ontroia cI v(oiiajc de. rdcrcncia, dc esta manera e1 c«rri~~arador negativo esta en s:itui-iición p<isitiva desde clue \'o sobrclinsa e Vi-cf y ~>einioriecc ;)sí Iiasta que \'o sea igual a cero. lil circuito dcl coiiiiprnilor. negaiivo sc riiuesira en la ligura 8.

v1 i 'I , I ',V

Fk 1 MI -

I ',I!

Figusti 8. I)i;igi;~~ii;i conipmi lor riegalivo

El siguiente prohleina on el diseño es coiiio wuqiag.in;ir lrrq dos ~cñaIes dc, los Coiiip;ii.3dot-e:s. sin que cst;is se arecien mutuamente., esto se resolM0 colocand<) un diotlo a la salida de cada coinparailor, de cst;i mancIa el transistor del integradot. 01 siilo dctecta la scij1a1 positiv;i <IC un(> de los coriip;iia<lorcs, se solircciiiicndc que no puetlen estar Ixendiclos los dos 31 niistirio iieiiipo. Id circuito iiiiegrador de iicnipo I;ii~go c i i su

ioialidad se presenia en 1;i ligura 9. (ver 1igur;is a i i c x ~ s )

I n Ins liguras IO. I a 10.5 se presentan la scfi;ile!; tlc cnti-iitla (Vi, en color azul), In scfiol de sal¡d;i (vo. ci i

color rojo) y ciiatIo niarcas o llecliari (en color vt~de) . a-1) i n m a un intcn~alii de ticnipo <IC la grilica y MI ~e~>rcsc"ll:i la <lilcrencin de voll;l.jc en csc inIcIv;IIo. ( \ l i ! y~ns ~Incsas)

En la ligiii-a I O. 1 se picseninn una scfinl (IC cntr;id.i (Vi) dc O a 5 vcilts a 1 lil lz en un pcIío(lii (le iiciiilio ilc 7 m s y In señal de salida (vo) del inlcgl;ld<>l.. con10 se I>iiclle vel- vo lie inci-cincnla lillcallncnic IllicIlII~as \'i ticnc un v:ilor de 5 volts v peinianccc constante ctiniido \'i - O, cuando vo llega a un valor de 12.5 \ d i s el intcgra1lor se descarga Iiasla Ilcgat- a un v~lloi~ ccIc;IIIo il cero volts, una vez <Icscii~grido colllicn7a

nucvamenic la inicgraciim. 1:ii la ligura 10.2 sc prcscmtan la scfiiil de cnirada (Vi) y (IC s i l i d a (\o) de1 iritegrador para una entrada de O a -5 volts a 1 Kl Iz en iin pc1-íotlo tlc ticnip) de 7 ins. el Coiiil",rt;iiiiicrilo es similar al de la gifica <IC la ligura 1 O. 1. poi- icncr \'I signo ncgaiivci vo prcscnin signo positivo. In I;, ligura 10.3 se prcsenta un;^ señal de cntI;id:i (Vi) de 5 it -5 volts ;I 1 K11z cn un período ilc ticiiipo dc 7 ins. al iener una señal de entrada bipolar la sciial tic salitla no se satiirn, prcscni;indo un c.iJin1)or13rniciili> de

período de tiempo de 5 ins, coino se puede ohrci-\.aI ki pcndicnIc de Is señai de sdich (\;o) ciniiii;i scgiin I:i magnitud tlc la señal ilc entrada, ;,I 1Icg;ir ii un ~ , : I ~ I J I - de 12.5 volis cI iriicgratlor se (le. llgil, llllil \cz que

diente <IC sicfla. IJn la figura 10.4 se ~"'"cnta u11a scfial de cnt~ilda (Vi) tlc 2 a 5 volts a 1 lil lz C'n llll

llega a un valor cercano a cero empicci niiwamctitc la iiitcgraci<ín. Ih la ligula 10.5 se pi-cscnia un:i señal de entrada (Vi) de -2 ;I -5 volts a 1 MIX en un pciiodo tlc ticinpo de 5 ius, la señal de salit1;i (vo) pieseeiiia el mismo comportamiento que en la figura 10.4 pi .~ tener Vi signo negativo vo presenta signo posiiivo.

Para realizar todos los anilisis de los didititos circuitos tiinto en la eiripa de desatrollo coiiio cn la ci;ipa de prueba de los distinios coiiiponciitcs del cku i io final se utiliz6 cI siniiilador (le circuitos elecirtiiiicos CircuitRíaker5) Student V6.2c, e1 cual utiliza un siiniilador basado cn el SI'iCEf5/Sspicc de I3erkelcy, el <'ircuithlnker cutmta c<)n la posihilidacl de dilinjar los diagranias <le los circuitos n utilizar, con iiio<lclos <IC dispositivos reales segilri las librerias de SI'K'F,, es de ficil matic.jo y cuenta con l a posiihiiidad de p l i c a r Iiasia 5 señales de salida, de isin n~ancra se pi.icdc ar1ali7~1r el ciiniportainiciiio del circiiiio en <iiStiliiOS

puntos del niisnio; Con la ayuda del siiiiulador 1;s posiiilc analiz.cir y disefiar cucuit<is elcctrOnicos, con i;is 1' a~i l idadcs : '

contaii<lo con utia IT-,186 0 mayor, y pl:itafoima Windows.

Para desai~ollar cl circuito inicial se ulililri el 1.1\1741 para el circuito itilegrador y cI l.hKW7 151 pira los coinparadoi-es, adcrnis se escogi6 para los tiatisisiores de swiiclico el 2N39Oq 61 un;i vez que el circuiio estuvo luncionando en su totalithd se ohscivanm los ticnipcis de la scfial de salida (ver tril>la 2), y se hizo un anilisis cornparativo (It: las caractensticas de los coiiiponcntes eiriplcados y (IC conipoticnics similares paIa escoger cual puede briiidainos una sciid de saliib wti ticnipos dc switclieo menores, una ver. cscogicios los elementos que por sus caractensticas pueden set- los mis id6ricos se coni6 nucv:imcnic la siniulxi6n con los nuevos clenientos y se conipararon Ins scñalcs de salida con respeclo al circuito ot-iginal ii;ista llegar ;iI

cucuiio íiiiai que preseintri ~a tnc.jor s c i ~ tIc saiitia. (ver íigiii-a 1 1, figuras ;inexas)

de no i n v d r en la compra de distintos coniponcnics para rcaliiar piiicixis, íinicanicntc

5. iw[!r;rmos

Una vez que se seleccionó cuales circuitos leníaii nicjor respuesta a la salida en cuarito a ticiiilw tic switclieo y voltaje de referencia mínimo pai-:i una señal de pi-ucl~i, se prc~cc:<Iii, :I ~vr i i i i a I dicii«s circiiitos para distintas frecuencias y para ilistiiitos rnigos de voltaje y as¡ e\iiluar de una irlanera inis ol?jctivn cu:il de dios tiene los conipont:ntes nhs adecuados.

Para evaluar los circuitm a distintas irccuciicias sr: ii,ii, una arnplitiid de volt+ (Ir: 2 a 5 V O ~ I S y sc v:iriai-oti las frecuencias de la señal de entrada, nuivamciitc se ev:tliiaron los ticinlws cir: switclico y ci voltaic (le referencia riiininio. piiniero para el circuito I y posierioiiiienic para el circuito 4, dche de corisiticrai.sc que los circuitos escogidos fueron el 1, 2 y 4 pcI(i ]por tener estos últinios i'esl~ucstas priciicarneiilc idiriiicas solo fir: prolx5 el circuito 4. ]':ira tener una idea nicjor de 10 cluc reprcscnian los ticiii1)os de s ~ ~ ~ i i c i ~ c o ~ ~ t a distuiias fi-cciiciicias se ~ ~ r c s e i i t a aclciriis el porcciiI:t& de los ticnipos de switclieo coil i-cspccio a un ciclo (le la siñal de entrada. (ver tablas 3 y 4)

I , , , ,./, , , , , , , ..- .,.. , ,< , , , , /, . .

Según se puede ver en de las tablas I y 2 el circiiito 5 iiiuistt-a un iieriipo del switclico de ranipa 15.8 "o menor que el tiempo preseniado por el circ.uito otigind. sin cnilxirgo presenta un mido en el swiiclico tic1 úaiisisioi., que ;iI ser uno de los compoiiciitcs de coiiirol puede gciiei-nr un prohIcni:i de lÍ)gica, I1or io i ~ i n í o este circuiio queda dcs~:artado. 1 1 cii-ciiiio 3 muestra u n ticiiipo dc sivitclico de rainpa igual al del circuito originnl, si hien el tiempo (IC switclico del coniparxlor es menor u n 75 '!ó' iiiucsira un voltaje de rcl2rcnci:i iiiiniiiio (inicio tlc integrxiciri) de 1.75 volts, el cual es muy grandi: y nos puede producir un en'or dc cu:iiitiz:iciOii, toiiian(lo en ciieiiia que el orden de niagniiud de las scli;iler; de ciitr:i~la que se desea titanc.jar es (Id or(lcn (IC tnV, por tal iiioiivo el circuiio 3 tamhih queda descai-i;ido.

Los circuitos 2 y 4 prescnt~in priciicaiiienic las iiiisriias c;ii'actci-isticns en la sclial de salida, calm iodo en los dos paritnett-os de mayor iiiierts para iiosoti-os (pi-iiiietros dc diselio) que son el ticinpo de swiiclico ranipa (21'1ñ menor que el original) y el voliajc ii;iiiiitiio <IC rclcrciicia (375% mayor), quisiera dcst;icat. que el iienipo de switclieo ilcl comparador del circuiiiu 2 con el IA17Ji es de la niií:id del iicin1)o del ciicuiío 4 que utiliza el IF351 en el itiicgra<lor. Para cl sigiiicnie ariiilisis podenios tomar ci circuito 2 y 4 ctinio uno mismo. I'ar;i decidir cii;il es el riicjo~. circuito a iiiilizw sc debe decidir cual tic los dos p;iIiiiicitos de disello ticiie riiayoi' pcso ya que el citcuiio original presenta un i imipo de siviiclici) de rampa mayor. sin cinhargo pi-esciiI:i un voltaje di: rcfci.ciicia i I i í I i i I i i 0 111cno1 q11c CI de los circiiilos 2 y 4.

].as iaidm .I y 4 presc~itari los rcsuliiidos de los c.irciiiios 1 y 4 p;ira disiint;is l i-eciiciicias en 1;i scíí:il de eiitr:ida, los ticniiios di: swiiclico para el circuitu -1 son ntcnoIcs que las del circuiio I , sin ciiihai-go, ¡;is difcrcnciiis poretxiualcs de sn-itcheo c m respeclo cl liciiipo dc.1 ciclo de la scííal son niiiiiiiias: por oiro I;itlo, el voltaje de rclcrcncia iníniiiio pt~cscnt;i dil~rcnci:i~ signifiuiivas ciitrc ;iriilios c i tcu i ios ii tlistitii;is fi.ecuciiciaso cl circuito '1 riiiicsii-3 un volta.jc dc rcícrcncia niininia tiiiiy 3110 (Iiasia de 1.75 1: :I 2oil I iz). I t 1 tiempo (le switclico dc airil~os circuifos siipcra el 50"íi p m li-cciicncias de 5 KI 17.. iiiictiiras que ~ : I I . : I

li-ccuciici:is de 1 LIx9 CI circuiio 1 csta cii 1.1 rango <Id 15"o del ciclo iolal <IC I;i scñ;il niiciiíras el citcit i io ,1 esla en el rmgo del 10";1 del ciclo. para 1recucnci;is nicnom de 1 Lífz aiiihos circuitos cstiii por ~Iclujo tlci 10 "ó dcl ciclo, sin embargo para ii-ce.uencias de 100 Ilz la resistcnci;i 11s (IC anibos liic caiiil)i;ida de v : i h ;I

1 O0 KC2 ?;I que p:ii-:i s u valor original la scíial de salida riiucsira un Conil)oi.taiiiicnto crliiico, la propucst~i en este caso s e ~ a que cI circuito C U L ' I I I ~ con un p)tencií,iiieli-o en Its pai-a disiiiitos v;ilorcs <IC li-ccuciici;is,

Kh7- perti para í rcwcncias mayores el wiiclico cs Iciito: cabe Iiaccr niciiciiiri que sc pIol~;iron distiiiios iiiodelos dc írancistorcs p x i e1 swiicli, sin ciiil~;ii.;g,o el 2N.7004 liic e1 que prcscní0 un iiciiipo de swiiclico menor.

COfllO se ~~uc<le ol>sclvrii~ el circuito en genctal lr~lll~~l;~l I)icn p""" v:ilorcs de ii-cciiciicia IIIcnoI'cs 1) ig,llill

Para disiintos rangos tlc vnlta.jc ambos circuitos se coml)oi-i;iroii de inaiiei-a siinilar que cii;indo se iiiilil<i una señal de piucha (ver tablas 5 y 6), los ticnipos de switclico no caiiibiaii coiisidci.ahlciiicriic, el circuito 4 muestra tiempos de swiiclieo nienores que el c.irc.uito 1 pero un volta.je de rcIL.rencia iiiíninio gi-antlc; se cornlirohó que e1 circuiio trabaja aclecuad;itiient~r para voll$jcs del orden de <Icccnas <IC iiiV. Nucvaiiicnlc se presenta la iiecesidad de eaiiibiar el valor de I<!; pira «hicner une mejor rcsoluciim de la scii;il de salida, lo cual coiiio se mencionó anteiioiinente, ratifica 1;i ncccsidnd de colocar un I>otencitiinetrr) para ICs.

De la tabla 7 se puede ver que a mayor 1recucni;ia se tienen ticnipos de intcgi-xiOn lolalcs nieiiorcs, Para una sciial de enirada de 100 117. no se cuinplc esia caracieristicn ya que K s ticric un valor riiayoi, al scr Us mayor vo disniinuye y el tietiipo de integracih total autiientn.

<‘orno se ~>ucde ver en In tabla 8 el ticiiipo de iiilcgr;icii)ii tot:il disniinuye cu;indo disiniiiiiye Its, esto coiicuertla con los datos teóilcos ya qic a nicnor rcsisicncia mayor es cI voltaje de salid;i, s i el voltaje de salida es niayor el circuiio llegara a satiir;ición en un tiempo ~iic~i<iI. ‘l’ainhi&n se pucdc ohsci.v~iI que cuando el voltaje de entrada dirriniiiuyc el ticiirilio de intcgracitin total aunicnta, este resiiltritlo i;iiiilkh concuerda con los rcsult;itlos teóiicos. ya que ciinndo e1 volta.je de entrada Vi es inenor el volt;i,jc (le s d i d a es iarnbih inenor, a1 ser éste inenor el circuito tarda mis en Ilcgx a satiiraci¿in. Se dche <le tciici- esto e n cuenia a la Iiora de escoger el valor de I;i rcsistciicia ICs. ya que si escogenios un v;ilor iniiy pcqiiciio Iiwi aumentar su resolución esto nos proporcioii;irii voltajes de salida muy gran<lcs y ticnipos de itiicgraci¿i,ii totales pequeños, lo que causara que el circuito este switclieando coiistariteiiierite, y si l ieti ese switclieo es una park funclamenial para que la salida no pcriiiaiiczca en saturación, ianilii6ii gciici.a una perdida de un:i parte de la sefial, si el switclico se ~>rodiice p c a s veces <lut.aiite la aclquisicion IIO se g c n e ~ i una pcrditl;i considerable, pero si se pro<luce varias veces si purde causar una perdida de iníoc-inacicíii.

La talilas 9. I y 9.2 nos pi-oporcioria los valoi-e!r tlc volta.jc <IC iiiicgraeión y conil);iraii los valorcs tchticos con los esperimerii;iles para distintas l~ecuenci;i:iq corno se p e d e ver los valores cxpcriiiicntalcs concucc-dan a<lecuad;iniente con los valorcs teóricos. I)e las iahlas 10.1 y 10.2 se puede ver clue para distintos volta.jcs de entrada los vi~ltajc tlc iiitcgc-:iciOii es~~ciiiiicrit:iles conciir:rdaii con los valores ohtcni(los tc¿~i . ica i~ i~ i i tc p(ir tnc:tlio <IC IJ ccii;icióii 7.

7. I)lSC’’IJSI()N

I n gcncrd cI circuito ciiiiiple con Ins cspeciíic;iciotics de Jisciio: el circuito integra la scii:il de c n t r d ~ i scgíin lo esperado de las ccuacioiies icOiicas, cu:indo el voIt:i.je de s;ilida se ;iccIc:i :I satiirxiim (1 2.4 \;) el coiriparxlor negativo o positivo, segiiii sea el c;i!<o, ccilocri el transistor de switclico en s:itrir;icihii y <Ics~ii-p,n

el capxitor de inkgraiitin. l:n pai1iciil;tr se obsewaron quc los iicinpos (le s\\itclico snn largos, el circuito 1 que iitiliz;i cI l.1~351 muestra una vcloci<lnrl de respuesta niayo1 el cud I I I I I ~ S I I - ~ ser e1 ine.jor circuito ~ ~ r a scii:iles de licciicnci;i alta. sicnilwe y cuando el voliaje de rclcrcnci:i niiniinri no a1Lctc la cuati7.aci¿m (le la sckil original, y tcnicndo en cucnt;i que su ticnipo de intcgraci(’~n tot;il es niciior. Se dcicctti que e1 enniponente quc niAs alccia ;iI tiempo de switclico es cI irrinsisior de switclico (01 j, para inc.iorrir cst(is ticnipos se ~)i~oponc annliznr tlislinios íransisiores y sobtclodo riqucllos csl,cc”iilcs priI:i swiiclico i-ipido, oira f imi i i di solucionx este prohiciiia es utilizar un switch conlroia<lo Iior voila.jc c(ilno e1 C114066, s i h que ci uso de cslc dispositivo iniplicaiia :iñadii- otro circuito que cori\:ici.ta la sellid de los coinparatores dc -1 5 ;i1 5 volts ;I un;i señal de O a 5 volts para poder controlar este t i p i de switch. 1.0 niás relevante de cstc cliseiio es que el control de dcscaIga del intcgatlor se 1-cdiza por incdio de s u propia señal de s;ilida sin depender de uua señ;il csinnscca, cou este diseño ascgnr;niios que I;i scii;il de salida iio llegue nunca a saturación, s in impoi-tar la Li-cciiciicia o la tiiagiiitutl de In sciial tlc eiiii.a<ln.

. . .,

Otro di los beneficios eticoniradoa en este diseiio es qiic el iinico paránieiro que el usuario d e \ > ~ catilbiar para obiener una señal nias acorde con sus iie:cesidades es el valor de lb controlado por medio de uti

potenciómeiro, lo que facilita su uso.

Como se mencionb, este diseño es parte fundamental de un ainpliricador de coiiicnie para medir coiiienics iónicas; para diseñar en su totalidiid este anipliicador se requiere primero que la señal de eriti-ada y la de salidi tengan el mismo signo, esto se puede realizir colocando un ampliicador inversor de ganancia unitiiiia u la saliúa del integradix, como se yuiere que la descarga del iiiiegraclor no a k i e a la señal fiiial, se tendrá que colocar un circuito sample and hold a la salicla del ampliricador uniiaiio. tina vez que se tciiga la señal limpia de la dascarBi del integrador se procederá a <lii¿.reiiciarla para tener nuevamente 1;i señal original; posierioinicnte se pasa a una etapa dondi se lilirr: y ariipliíique la señal se salida.

8. UrUl..iOC~RM~A Y KEFIXENCIAS

[ l ] Hammill, O. P., Marly, A,. Neher, IC., Sakniarin, I]., Sigwoilh, E7.J.

improved patch-clamp techniques li>r high-resolution cuixcnt rccorduig Irorii cclls and cell-kcc membr.me patches,, Pflügeis hcluv., 391, 85-100, 1981.

[2] The Axon Guide for ekctropliysiolo~ atid hiopliysics, k i o n Instruments, 1993. pp.70

[3] Nilason, James W. Eleciric Circuiis, Addison-Wesley, 4.1 edicih, 1993, pp. 288-289

141 Couglilin, Robert F., 13kc«U, Fredeiick F. Amplificadores <)r~eracioiiales y Circiiiios Iiiicgrailos I~incaies, Prcriiice IIa11, 4a edición. 1991, pp. 16.3-165

[SI Linear l>atabook, National Semicondiiclor <'oi-lw~~tioii, 1 <NO. pp. 3-202, 3-22

[6] I l ic Transistor and I>iodc Ilntabook for I>esigi l<ngiiieers, l'cuas instiument Incorporaicd. 1973, 1 a. ediciOn, IWA, pp. 4-283

VI 5/ZV

I

-1'V 1

Figura 9. Inícgrador tic ticrnpo hi-go con swiíclieo, circuiío oiiynal.

- n - W

XI: 2.99- xb: 2.496a a-b: 497.1~ treq: 2.012k YC:-5.067 Yd:-7.600 c-d: 2.533

8

4

O

-4

-e -12

-16 O 1.1% 2.33i 3 . 5 r 4.6% 5.8h

Rmf-Ground X - l . l h / D i v Ycvoltrge

XO: 3.500~ X3: 2.993~ a-b: 5 0 7 . 2 ~ frsq: 1.971k YC: 9.200 Yd: 6.800 c-d: 2.400

c 16

12 M

8

4

O

-4

-8 1 1 1 1

-

1 1 1 1 I l l ¡

Q 1.1h 2 . 3 b 3.5M 4.67r a. B3a m Ref-Ground X=1. l w i v Ylvoltage

XI: Z . 9 9 3 r xb: 2 . 1 9 6 ~ a-b: 497.11.1 freq: 2.012k Ye: 1.800 Yd:-650.OB e-d: 2.460

I , , , I I I I I l l , I , , , , , , I

R a f - G r o w X - l . l h / D i v Y-vQltap

~ ~~

O 1 . 1 7 i 2.3b 3 . h 4 . 6 7 i 6 . 8 b 7r

X i : 2.000~ xb: 1 . 6 0 0 ~ a-br 5 0 0 . 0 ~ freq: 2.000k Yc:-6.800 Yd:-4.100 c-dr-2.400

iri 8 - 4

O

-* -8

rn

-12 - -16 , 1 1 1 l l l ~ l l ~ l l ~ l , , 1 1 1 1 1 1 1 1 I l l

I O ea* 1.6% 2.- 3.3- 4.17i SE Rif=Cround X=833u/Div Y - v o l t q

~~

xi: 2.500m W: 2.OODm 8-b: 5 0 0 . 0 ~ freq: Z.OOOk Yc: 5.000 Yd: 2.633 e-d: 2.467

1 6

12

8

4

O

-4

-8 O 833U A . 6 h 2.W 3.338 4.1h S a

Ref=Ground X=833u/Díw Ywo1t;yle

_ - a--'-

Vi

1000 Hz

Rti 3-4

Ql I

1N4001 7J2

3 15V

*i ik I

1.3 10k 99%

Y2 2NI3904 4

I D5 1N4001

LF351

03 R9 1N4001

R l 100 10k 99%

2N3904

Figura 1 1 . Integrador de tiempo largo, circuito final.

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