1. Introducción

El laboratorio de Circuitos Electrónicos tiene como objetivo principal la experimentación y

comprobación de los fundamentos teóricos más importantes de la Electrónica Digital y Analógica.

Se pretende que el alumno compruebe, por sí mismo, la validez de las técnicas de análisis y diseño de

circuitos digitales y analógicos; y la correspondencia, casi exacta, entre los resultados obtenidos en los

montajes reales y los datos predichos tanto por los más sencillos cálculos teóricos (dentro de su grado

de precisión) como por las herramientas software de simulación como SPICE, notablemente más

cómodas y exactas.

Para lograr este objetivo se diseñará, se simulará y montará un completo “Amplificador de audio de

ganancia programable”, formado por un módulo digital (visualización de información y control de

ganancia) y un bloque analógico (control de ganancia y amplificación).

2. Objetivos

Los objetivos que a priori se persiguen con esta práctica son los siguientes:

• Verificar el funcionamiento de circuitos digitales básicos tanto combinacionales como secuenciales.

• Adiestrarse en el diseño de sistemas basados en lógica programable.

• Conocer herramientas básicas para la síntesis de dispositivos de lógica programable.

• Verificar los modelos lineales de dispositivos y circuitos y su rango de validez.

• Predecir y comprobar las características de los amplificadores bajo prueba.

• Conocer y experimentar las técnicas de medida sobre los amplificadores lineales.

• Comprobar que teoría, simulación y práctica coinciden.

3. Estructura del sistema a diseñar

En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques del “Amplificador de audio de ganancia

programable”.

PROYECTO PRIMER CORTE:

Diseño e implementación de un amplificador de audio de

ganancia programable

Profesor: MsC. Holman Alexander Ariza G.

A continuación se realiza una breve descripción del sistema, así como los requisitos mínimos de

funcionamiento.

3.1 Módulo digital

En este bloque se desarrollarán fundamentalmente las siguientes tareas:

1. Programación de la ganancia. Permitirá seleccionar un rango de ganancia de 0 a 15. El

método de selección de ganancia se basará en dos pulsadores, uno para incrementarla y otro

para disminuirla. Obviamente no se podrán sobrepasar los límites superior e inferior. Además,

en el encendido se deberá iniciar la ganancia en un nivel intermedio adecuado.

2. Visualización del nivel de ganancia. Este bloque permite visualizar en un display el nivel de

ganancia seleccionado. La visualización deberá ser de un dígito y medio (desde 0 hasta 15

inclusive). Además, este módulo incorporará dos diodos LED, indicando que se sobrepasan

los límites de ganancia. Uno se activará cuando se alcance el nivel máximo de ganancia (15),

y otro cuando se llegue al mínimo (0). El sistema digital responderá a la estructura de la

figura 2. Para el diseño de este módulo se podrán emplear los componentes y circuitos que se

consideren oportunos, pero se deberán emplear especialmente dos tipos de circuitos,

valorándose la simplicidad del diseño:

• PAL: en este circuito se implementarán las funciones de decodificación y control que sean

necesarias.

• Contador (HC193): de este bloque se obtendrá la salida digital correspondiente a la ganancia.

Dicha salida se conectará con el bloque analógico, más exactamente con el amplificador de ganancia

programable.

En el apartado dedicado a Características de circuitos, se presentan algunos que pueden ser útiles en

este diseño. Existe libertad para usar los que se consideren oportunos, siempre que se cumplan las

especificaciones indicadas anteriormente.

3.2 Módulo analógico

Este se dividirá en dos partes, que deben poderse montar y verificar por separado y con un único

elemento común de acoplo entre ellas (un resistor). Por sus características especiales, se detallan a

continuación los circuitos base que constituyen este módulo.

3.2.1 Etapa de entrada. Amplificador de transconductancia.

Para obtener una ganancia ajustable se hará uso de un amplificador diferencial, con salida en

corriente, y de características programables por corriente. Este tipo de amplificador recibe el nombre

comercial de OTA (Operational Transconductance Amplifier), y como todo amplificador diferencial

pose una transconductancia gm proporcional a la corriente del generador de polarización. El circuito

comercial CA3080 es un OTA integrado. Su diagrama de bloques simplificado y el esquema básico

de montaje se muestran en la figura 3.

En el primer diagrama, los elementos señalados como W, X, Y, Z son sendos espejos de corriente. Por

tanto, la corriente IABC introducida por el terminal (5) será la que permita ajustar la

transconductancia del amplificador. La expresión algebraica de esta corriente es:

La transconductancia, GM, del amplificador diferencial será función de la corriente anterior

(equivalente a la IO, de un diferencial convencional) según la expresión:

En el caso que nos ocupa, se trata de que esta corriente pueda ser seleccionada por un código digital,

de tal forma que la transconductancia, GM, pueda ser controlada sin usar resistores variables o

potenciómetros.

Un detalle importante es la alimentación: observe que el esquema básico de montaje de este

amplificador incluye alimentación simétrica. Se recomienda, por sencillez operativa, una alimentación

simétrica de +/-5V.

Ahora bien, teniendo en cuenta la alimentación de 5V de la parte digital y la forma de interconexión

entre partes digital y analógica, es necesario estudiar detenidamente la distribución correcta de las

alimentaciones entre los diversos módulos, con objeto de evitar malos funcionamientos e incluso

destrucciones de dispositivos.

3.2.2 Etapa de potencia

Como amplificador de potencia se aconseja utilizar un TBA820M (ver características más adelante),

que permite una alimentación entre 3 y 16V. Para su montaje no es necesario más que seguir las

indicaciones del fabricante, si bien existen dos elementos de valor seleccionable por el usuario: un

resistor, Rf, y un condensador, CB. La combinación de ambos permite ajustar la ganancia y frecuencia

de corte superior. El montaje aconsejado se muestra en la figura 4.

3.3. Interconexión entre ambas etapas.

Puede hacerse directamente, sin necesidad (en principio) de condensador de acoplo: la salida del OTA

es en corriente, por lo que se hace necesaria una carga resistiva para poder entregar una tensión

determinada. Recuerde que como tal carga podría considerarse la propia de la impedancia de entrada

de la etapa de potencia.

4 Desarrollo de la práctica

Con el fin de cubrir los objetivos propuestos, y de acuerdo con el presente calendario de prácticas, se

marcarán los siguientes hitos en el desarrollo de la práctica:

4.1 Semana 1

Las tareas a realizar durante la primera semana serán:

• Presentación del diseño de la etapa digital

• Recopilación de los componentes necesarios para su montaje

• Montaje y comprobación del subsistema digital formado por el contador y los pulsadores,

atendiendo especialmente a la eliminación de los conteos falsos y los rebotes en los pulsadores.

Realización de la pre-programación de la ganancia tras el encendido

4.2 Semana 2

Durante la segunda semana las tareas a realizar serán las siguientes:

• Diseño, simulación, programación del dispositivo programable con las funciones adecuadas para

cumplir las condiciones marcadas en el diseño

• Diseño de la interfaz con el módulo analógico

• Prueba del módulo digital completo

4.3 Semana 3

• Montaje y medida de las características de la etapa de entrada del módulo analógico

• Montaje del OTA y comprobación de su correcto funcionamiento. Interconexión con el módulo

digital.

4.4 Semana 4

• Montaje de la etapa de potencia, medidas e interconexión al resto del circuito

4.5 Semana 5

• Pruebas y ajustes finales

• Mejoras (en su caso)

5 Resultados a entregar

Para la evaluación del trabajo realizado en el laboratorio, se deberá realizar una memoria de la

práctica incluyendo la siguiente información:

1. Diseño teórico completo, incluyendo esquemas, ficheros de programación y cálculos.

2. Simulaciones de los circuitos digitales.

3. Simulaciones del amplificador de entrada: modelo del amplificador (Ze, Zs y GV), modificaciones

del modelo en función del código digital de control.

4. Resultados obtenidos del montaje práctico.

5. Contraste de resultados frente a las simulaciones y conclusiones finales.

Una vez entregada la memoria indicada, se realizará una demostración práctica (la quinta semana de

laboratorio) del funcionamiento del amplificador, y una defensa “individual” por parte del alumno del

diseño del mismo.

6 Consideraciones prácticas

6.1 Notas sobre los componentes necesarios.

Aunque el alumno es libre de usar aquellos que estime necesarios (se valorarán positivamente

soluciones alternativas a las aquí propuestas), para la realización de la práctica se recomienda adquirir

UNA unidad (+ UNA de reserva) de los siguientes circuitos integrados:

* PALCE22V10xxx, de cualquier marca o tipo. ¡Ojo! la PALCE22V10 es borrable eléctricamente y

no es igual que la PAL22V10, que sólo admite una grabación.

* Circuito OTA, referencia CA3080 o equivalente.

Asimismo son necesarios un número indeterminado de unidades de componentes pasivos, R y C, de

acuerdo a los valores obtenidos tras el cálculo o cálculos teóricos realizados.

6.2 Sobre el módulo digital

Para el correcto diseño de este módulo será conveniente tener en cuenta las siguientes premisas:

• PAL: Ya que no se podrá utilizar un decodificador binario de 7 segmentos puesto que es necesario

representar más de un dígito, la excitación del display se realizará desde este dispositivo de lógica

programable. Recuerde que el objetivo de este bloque es la representación del nivel de ganancia

seleccionado en cada momento. Preste especial atención a las características de las salidas de la PAL

para estudiar su conexión con el display elegido.

• Contador: El contador es el elemento con el que se controla la subida y la bajada de la ganancia.

Para cumplir esta función es necesario utilizar un contador binario de 4 bits con posibilidad de cuenta

ascendente/descendente. Mediante el código digital generado se controlará la ganancia del OTA.

Recuerde que esta ganancia se controla con la corriente IABC, y por tanto lo que se pretende es fijar

dicha corriente en función del código de salida del contador.

6.3 Sobre la etapa de entrada

Monte la etapa de entrada separadamente. Tenga especial cuidado en mantener cortas las conexiones,

sobre todo aquellas que lleven más corriente (alimentaciones y salida). Verifique la polaridad de los

condensadores electrolíticos antes de conectar la alimentación1.

Para verificar la corrección del montaje, conecte inicialmente un único resistor de ajuste de ganancia,

RM, también a +5V. En su diseño, ajuste los valores de la corriente de programación (en definitiva,

los valores de RM) para obtener una ganancia de tensión máxima, en toda la etapa, de 100. Añada un

potenciómetro en la entrada si su generador de señal no es capaz de entregar un nivel mínimo de 0 V.

Desacople en continua, con un condensador apropiado, el generador de señal del amplificador.

Una vez verificado que el montaje básico funciona, introduzca el resto de resistores de programación

y verifique el funcionamiento deseado: evolución programada de la ganancia. Realice las siguientes

medidas:

• Función de transferencia obtenida en los siguientes códigos: 0, 1, 2, 4, 8 y 15.

• Ganancia en pequeña señal en los casos anteriores.

• Dependencia de la ganancia máxima en función de la RL. Tome los valores siguientes:

Nominal (10kΩ), 100kΩ y 1kΩ.

6.4 Sobre la etapa de potencia

Monte esta etapa según el esquema elegido y verifique su funcionamiento. Un valor de tensión de

+5V, compatible con el del módulo digital, permitirá usar una única fuente de alimentación. Para Rf

tome un valor de 120; en consecuencia, un valor de CB de 220pF es apropiado para obtener un ancho

de banda de 20Khz.

El altavoz elegido podrá ser de 8Ω o 4Ω; la señal de entrada se ajustará inicialmente a una onda

senoidal de frecuencia entre 1kHz y 3kHz. Al igual que en la etapa de entrada (en general para

cualquier circuito), tenga especial cuidado en mantener cortas las conexiones, sobre todo aquellas que

lleven más corriente. Verifique la polaridad de los condensadores electrolíticos. Realice las siguientes

pruebas y medidas:

• Tenga presente que una inadecuada conexión, aparte de un mal funcionamiento, puede provocar la

explosión del componente.

• Encuentre el nivel de potencia máximo, por supuesto sin distorsión a la salida. Mida la ganancia de

tensión y de potencia obtenida realmente. Laboratorio de Circuitos Electrónicos.

• Determine las frecuencias de corte superior e inferior. Realice un diagrama de Bode aproximado

(asintótico) de la respuesta en frecuencia.

• Experimente con la frecuencia y el nivel de la señal de entrada (siempre senoidal): note como la

respuesta del oído humano es no lineal, tanto en frecuencia como en niveles. ¿Cuál es la frecuencia

máxima que es capaz de oír? ¿Y la mínima?

• Experimente con la forma de onda de la señal de entrada. Note las diferencias de percepción acústica

según sea la señal cuadrada o rectangular. Observe el efecto de la distorsión introducida por la

respuesta del amplificador en la forma de onda de entrada.

6.5 Montaje conjunto

Bastaría con unir la salida de la etapa de entrada al amplificador de potencia, usando un único resistor

como elemento común. Estudie y resuelva este problema de la manera más eficiente.

6.6 Con respecto a la instrumentación:

Cuide el uso de la instrumentación del laboratorio: está para ser usada por su grupo y otros muchos

más antes y después de usted.

Antes de alimentar el circuito, compruebe que no existen cortocircuitos en las líneas de

alimentación y que su polaridad y módulo son los correctos.

Antes de medir con cualquier instrumento del laboratorio, compruebe si sus controles están en

la posición deseada y (en su caso) si están calibrados adecuadamente.

Evite medir corrientes con amperímetros, siempre que esto sea posible. Si no lo es,

compruebe muy bien el conexionado y no olvide que un amperímetro es un aparato de muy

baja impedancia, lo cual puede provocar cortocircuitos indeseables.

Se aconseja realizar el montaje y verificación de cada módulo de forma independiente,

conectándose éstos sólo cuando ambas partes funcionen correctamente.

Debe elaborarse un esquema detallado del circuito diseñado, incluyendo sobre todo el patillaje

de los componentes usados y su interconexión al resto de los componentes del circuito. Esto

facilita el montaje y posterior comprobación (y/o medidas) del circuito.

6.7 Mejoras sugeridas

• Aumento de potencia de salida; aumentando la tensión de alimentación o usando alimentación

múltiple y modificando el circuito lo necesario.

• Utilización de circuitos alternativos en la etapa de salida. Por ejemplo el LM386 mediante los

elementos discretos e integrados necesarios para construir una etapa AB siguiendo las

recomendaciones que se impartan en clase de teoría.

7 Características de circuitos

Para el diseño, el alumno deberá recopilar las hojas características de todos los circuitos necesarios en

las páginas web de sus fabricantes.