ELECTRONICA ANALÓGICA DIGITAL
tiempo
Señal
tiempo
Señal
Solo 2 valores
Cualquier valor
ELECTRÓNICA ANALÓGICA
• SEMICONDUCTORES• COMPONENTES ELECTRONICOS• BLOQUES FUNCIONALES
SEMICONDUCTORES
Unión P-N
El átomo
Bandas de energía
El semiconductor
La circulación de corriente
El átomo
Np = nº protones
núcleo
Ne = nº electrones
periferia
•Última = órbita de valencia•Enlaces = f(órbita de valencia)
•Los electrones están distribuidos en órbitas de distinta energía•Para pasar de una a otra un electrón ha de absorber o liberar la siguiente energía:•E = hv h= constante de Plank
v = frecuencia de radiación
•Ne > Np
•Ne = Np
•Ne < Np •positivo
•neutro
•negativo
•Carga del átomo
•Distribución de electrones
•Cada órbita de electrones constituye una banda energética en la que pueden estar los electrones.• Entre las distintas órbitas hay bandas energéticas en las que no pueden estar los electrones.
B. conducción
B. prohibida
B. valencia Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita
•Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material
Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente
B. conducción
•B. prohibida
B. valenciaB. conducción
B. valencia
B. conducción•B. prohibida
B. valencia
El semiconductor I• B. prohibida <<• 4 de valencia• Enlaces covalentes
Conductor oaislante
CARACTERÍSTICAS
Ge
Si
AsGa
Otros
Histórico PrincipalAlgunasaplicacionesespecíficas
Pocousados
El semiconductor II
•Átomo de Si
•Electrón de valencia
•Enlace covalente
El semiconductor III
+ energía
•Térmica•Luminosa•Eléctrica•Etc.
•Número electrones=
•Numero de huecosElectrónlibre Hueco
Parelectrón-hueco
•RUPTURA
Energía
El semiconductor IV
•Arsénico•Antimonio•Fósforo•Etc.
Átomo con 5 electrones de valencia
•Aluminio•Boro•Galio•Etc.
Átomo con 3 electrones de valencia
Tipo N Tipo P
Nº de portadores = Nº de impurezas
•La circulación tiene lugar en la banda de conducción
=Los conductores
V+
V-
•La circulación tiene lugar en la banda de valencia
V+
V-
V+ V+V+
V- V- V-
P N
P N
mayoritarios
minoritarios
MUCHOS
P N P N
MUCHOS
P NP N
Al juntarse un y un desaparecen ambos, apareciendo la zona
despoblada
P N
P NZon
a
desp
o-blad
a
•Fuerza de la barrera de potencial
•Fuerza de difusión
P N
•La barrera de potencial se opone al paso de y
•Impureza con 3 electrones
•Impureza con 5 electrones
•EQUILIBRIO
Los
min
ori
tari
os
NO
ci
rcul
an
P N
V
•Para que circulen los portadores mayoritarios ha de ser V > la tensión de la Barrera de Potencial
Los
may
orit
ario
s N
O
circ
ulan
, SE
R
EA
GR
UPA
N.
•Solo hay corriente de minoritarios•D = f(V)
P N
V
D
P N
V
d
C = * Sd
•C es la capacidad• es la constante dieléctrica•S es la superficie•d es la distancia
El ancho de la zona despoblada se modifica con el valor de V
P
V
N
I
I
VI = I0*(exp(V/n*VT) -1)
•VT = KT/q
•I0 = corriente inversa de saturación•q = carga del electrón: 1,6*10-19 culombios•K = constante de Boltzman: 1,36*10-23 J/ºK•T = Temperatura en grados Kelvin•n = constante empírica ( 1-germanio; 2-silicio)
COMPONENTES
•El diodo ideal•Diodos reales•El diodo de unión P-N•El diodo zener•El fotodiodo•El LED•El Optoacoplador
•La función transistor•El transistor bipolar•Transistores de efecto de campo
-JFET-MOSFET
DIODOS TRANSISTORES
I
V
I
V
Símbolo
POLARIZACIÓN DIRECTA
•R = 0•Puede circular cualquier corriente
POLARIZACIÓN INVERSA
•R = •No hay corriente
8
OTROS DIODOS
•De Gas•De Selenio•De Óxido de cobre•De Puntas de contacto•De Unión P-N
Diodo de vacío
I
V
I
V
Símbolo
P
V
N
I
V
I
VR
VC
VC = 0,7 en el Si
VR = Tensión de ruptura
Curva real Aproximación
V
I
VZ
VZ = Tensión de funcionamiento
Aproximación
Izmáx
Zona
de
fu
ncio
nam
ient
o I
V
Símbolo
•El diodo zener está diseñado para trabajar en la zona de ruptura, siempre que no se sobrepase su intensidad máxima.
•Existen en el mercado diodos zener con diversas tensiones de funcionamiento.
Circuito típico de regulación con zener
VZV
Rs
RL
•El zener impide que la tensión en la resistencia de carga RL supere el valor de su tensión nominal.•El zener no puede impedir que la tensión baje por debajo de su tensión nominal.•La regulación la consigue absorbiendo más o menos corriente, en función de las características del circuito. La diferencia de tensión entre la alimentación y la carga se va a RS
V
I
VZ
Izmáx
•En polarización directa se comporta como un diodo normal.•En polarización inversa sólo conduce cuando le incide luz.•Al incidir la luz se rompen muchos enlaces y por tanto se incrementa el número de minoritarios que son los responsables de la corriente inversa.
Símbolo
Circuito típico con fotodiodo
V
RL
I
I
V
LuzLuz
Símbolo
Circuito típico con LED
V
RL
I
Display de 7 segmentos
Light Emitting Diode
V
RL
IV
RL
I
•La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre el circuito de entrada y el de salida. •El único contacto que hay es un haz de luz.
•Actúa como un interruptor•Se usa en electrónica digital (ordenadores, etc)
•Amplifica la señal de entrada•Se usa tanto en analógica como en digital
entrada
salida
3 terminales
NN PE
B
C
Símbolo
Estructura
E
B
C
N PPE
B
C
Símbolo
Estructura
E
B
C
NPN
PNP
•El transistor bipolar sustituyó con éxito a las válvulas de vacío.•Sus principales ventajas son: más pequeño, más barato, más fiable, menos consumo y mayor tiempo de vida.•Ha sido desplazado por los FET en la mayor parte de las aplicaciones de electrónica digital, pero sigue siendo competitivo en amplificación y en alta velocidad de conmutación.
E B
C
NPN
•Al estar polarizada directa-mente la unión B-E, el E inyecta electrones libres en la base.•Al llegar los electrones del E a la B son arrastrados, la ma-yoría, al C, debido a la polari-zación inversa de la unión C-B y a que la base es estrecha y está poco dopada. Solo unos pocos forman la corriente de B-E, mucho más pequeña que la de E-C.•En definitiva la polarización B-E, gobierna la corriente en-tre E-C.•La relación entre las corrien-tes de B y C determinan la ga-nancia del transistor.•Existen en el transistor otras corrientes menos importantes que no están reflejadas en este gráfico.
aislante
aislante
aislante
E
B
C IC
IB
IE
• Aplicando la 1ª ley de Kirchoff al transistor obtenemos:
IE = IB + IC
• El transistor tiene un comportamiento no lineal. Existen varios modelos para describir la relación entre las tensiones y corrientes que circulan por él. El más usado es el de Everst-Mole:
IC = ßIB + (1 + ß)IC0
• Normalmente IC0 es despreciable con lo que la ecuación anterior se simplifica:
IC ßIB
• Por otra parte como ß siempre es mayor de 10 se deduce que IB es despreciable frente a IC, por lo que:
IE IC
IC
VCE
IB7
IB6
IB5
IB4
IB3
IB2
IB1
VCC
CURVAS DE SALIDA
Circuito típico de amplificación con un transistor
E
B
C IC
IB
IE
E
B C
• El transistor bipolar es un dispositivo no lineal. Pero cuando trabaja en pequeña señal su comportamiento es aproximadamente lineal.
• Existen diversos circuitos que representan bien el comportamiento lineal del transistor, los cuales permiten resolver los circuitos con transistores mediante la Teoría de Circuitos.
• Uno de los más usados es el modelo simplificado de parámetros H en emisor común, que se representa a continuación:
FET: Field Effect Transistor
FET
JFET
MOSFET
Canal n
Canal n
Canal n
Canal p
Canal p
Canal p
•El FET es un dispositivo controlado en V•Se denominan transistores unipolares porque tienen un solo portador de carga•Tienen una gran impedancia de entrada•Producen poco ruido•Ocupan poco espacio•Tienen problemas a altas frecuencias
acumulación
despoblamiento
G
D
S
N
P PS
G
D
Canal N
G
D
S
P
N NS
G
D
Canal P
G
D
S
•El JFET, al contrario que el bipolar, tiene la unión G-S polarizada en inverso. Esto determina que la corriente de entrada sea mucho más pequeña. Es tanto como decir que es un dispositivo con una gran impedancia de entrada.•El surtidor emite los portadores de carga y el drenador los recibe.•La polarización inversa de puerta permite hacer el canal más ancho o más estrecho.
Acumulación
S DG
N N
P
aislanteconductor
S
S
D
D
G
G
Canal N
Canal P • En el Mosfet de acumulación no existe inicialmente
canal. Este se crea mediante la polarización de puerta surtidor. En el de canal N esta polarización es positiva y en el de canal P es negativa.
Despoblamiento
S DG
N N
P
aislanteconductor
S
S
D
D
G
G
Canal N
Canal P • En el Mosfet de despoblamiento existe canal inicial.
Esto permite dos tipos de polarización en puerta (+ y - ). Con polarización positiva se incrementa el canal. Con polarización negativa se disminuye.
•Rectificadores•Filtros•Amplificadores•Realimentación•Operacional•Generadores de señal
¿Por qué?
V125/220
t
V
t
V
t
V
t
variación V
t
variación
Alimentaciónde red
Es preciso convertirC.A./C.C.
Circuitoselectrónico
s
¿Cómo?
C.A.
C.C.
Red Transformador
Rectificador Filtro Regulador
Circuitos analógicos
Rectificador
v
t
Circuitos analógicos
v
t
v
t
v
t
Media Onda
Onda Completa
Son los que se usan enla práctica
Poco interés práctico
En el semiciclopositivo si hay
corriente
En el semiciclonegativo no hay
corriente
V125/220
t
V
t
V
t
Rectificador de media onda
+-
+-
125/220
125/220
Circuitos analógicos
El puente de diodos está constituido por cuatro diodos encapsulados juntos.El transformador deberá tener la relación de transformación adecuada a latensión continua que se desee.
V125/220
t
V
t
Rectificador de onda completa
Circuitos analógicos
V
t
125/220 Puente dediodos
~
~ +
-
Filtros
Circuitos analógicos
Son circuitos electrónicos
que permiten seleccionar,
atenuar o eliminar señales
de una determinadafrecuencia.
=
Esto se consigue usandocomponentes cuya respuestasea función de la frecuencia
ZC= 1jωC
ZL=jωL
Ejemplos
Tipos Básicos de Filtros
Circuitos analógicos
1
t
R
fC2 fC1
1
t
R
fC2 fC1
Filtro Paso Banda
1
t
R
fC
1
t
R
fC
Filtro Paso Alto
1
t
R
fC
1
t
R
fC
Filtro Paso Bajo
CUESTIÓN PREVIA
Circuitos analógicos
RSe SS = Se * R
Cuando una señal pasa por un circuito, la señal desalida se obtiene multiplicando la señal de entradapor la función de transferencia o respuesta delcircuito.
¿Cómo actúa un filtro?
Circuitos analógicos
Paso Banda
1
t
R
fC2 fC1
Paso Alto
1
t
R
fC
Paso Bajo
1
t
R
fC
Sa ( f < fC1 )
Sb (fC1 < f < fC2 )
Sc ( f > fC2 )
Sa ( f < fC )
Sb ( f > fC )
Sa ( f < fC )
Sb ( f > fC )
Sa ( f < fC1 )* 0 = 0
Sb (fC1 < f < fC2 )* 1 = Sb (fC1 < f < fC2 )
Sc ( f > fC2 ) )* 0 = 0
Sa ( f < fC )* 0 = 0
Sb ( f > fC )* 1 = Sb ( f > fC )
Sa ( f < fC )* 1 = Sa ( f < fC )
Sb ( f > fC )* 0 = 0
Descomposición de señales
Circuitos analógicos
Cualquier señalse puede
descomponer en lasuma de una señalcontinua y un
conjunto de señalessenoidalesV
t
Fourier
Series Transformada=
V
t
Ejemplo de descomposición de una señal periódica
Circuitos analógicos
=
V
t
V
t
V
t
V
t
V
t
++ + +
Filtros + Descomposición de Señales
Circuitos analógicos
V
t
Rectificador
F. Paso-bajo
V
t
Señal Teórica
V
t
Señal Real
Extraer una señalde una
determinadafrecuencia.
Filtros + Descomposición de Señales
Circuitos analógicos
t
V
t
VFiltroPaso-Alto
FiltroPaso-Bajo
Modificar las características de una señal.
t
V
SS= A · Se
GV Ganancia en tensiónGI Ganancia en intensidad
Esquema Básico
Circuitos analógicos
Se SSA
Señal de
Entrada
V ó I
Señal de
SalidaV ó I
GANANCIA
A
Ze - Impedancia de entrada
Zs - Impedancia de salida
Esquema Básico
Circuitos analógicos
Ze ZSA
Otros ParámetrosImportantes
Los amplificadores son circuitos básicos en la transmisiónde señales electrónicas, pues permiten elevar el nivel de las
mismas, bien para transmitirlas o bien para recuperarseñales con unos niveles muy bajos de tensión.
Cadena de Amplificación
Circuitos analógicos
Transductorde
entrada
A1 A2
Transductorde salida
Aunque la señal que manejan los amplificadores es electrónica,las señales inicial y final pueden ser cualquier tipo de señal física(presión, temperatura, humedad, óptica, etc.). Los transductoresse encargan de hacer las correspondientes conversiones. Estopermite usar la electrónica en el procesamiento de cualquiermagnitud física.
Pueden colocarse tantos ampli-
ficadores como sea necesario
Adaptación de impedancias
Circuitos analógicos
Transductorde
entrada
A1 A2
Transductorde salida
Zs1 Ze2
Zs1 = Ze2
Concepto
Circuitos analógicos
Consiste en combinar una muestra de la señal desalida de un proceso con la entrada, para modificarlas características del proceso en la forma deseada
Ejemplo de Sistema Realimentado
Circuitos analógicos
Mando a
distancia
GRUAPosición dela carretilla3º piso
La señal de salida vienedada por la posición dela carretilla. La señal de
entrada está determinadapor el piso al que se
desea subir la carretilla.El operario, con su vista,compara ambas señales y
si no coinciden, actúasobre el mando a distancia
hasta hacerlas coincidir.
Circuito Básico
Circuitos analógicos
B
+-
A
MEZCLADORDE SEÑALES
AMPLIFICADOR
RED DEREALIMENTACIÓN
Análisis
Circuitos analógicos
B
+-
A
Se’ = Se - B * Ss
B * Ss
SeSs
Ss = Se’ · A
Ss = (Se - B·Ss) ·A
A1 + A · B
Ss
Se=
Característica detransferencia del sistema
Ar
=
Tipos de Realimentación
Circuitos analógicos
NEGATIVA
Ar < A
Tipos de Realimentación
Circuitos analógicos
POSITIV
AAr > A
Esta Realimentación favorece los cambios bruscos
El sistema es muy inestable
Interesa cuando se desean obtener transiciones muybruscas de una señal, como por ejemplo al generar unaonda cuadrada: V
t
Tipos de Realimentación
Circuitos analógicos
OSCILADORES
Ar = A
El sistema puede proporcionar una señal de salida sintener señal de entradaInteresa esta realimentación para los generadores deseñal. Se usa en los osciladores.
Ss = ∞Ss = 0
=Ss
Se∞
Amplificador Operacional
Circuitos analógicos
-Vcc
+Vcc
V1-V2
-
+
+Vcc
-Vcc
V1
V2 V0
Ref
Usos del Amplificador Operacional
Circuitos analógicos
Ve= -R1·i1
Vs= -R2·i2
Vs
Ve=
-R2R1
i1=i2
R1R2
i1
i2
Ve Vs
-
+
R2
Vs
-
+Ve
-Vcc
+VccVe
Vs
Tipos de Generadores
Circuitos analógicos
Señal de entrada
Oscilador
V
t
Señal de salidasenoidal
Multivibradores
Circuitos analógicos
Aestable
V
t El circuito bascula solo del nivel bajoal alto, y viceversa.Pueden regularse los tiempos en ambos estados.No tiene ningún estado estable.
Multivibradores
Circuitos analógicos
V
t El circuito sólo cambia de un estado alotro.Para salir del segundo estado precisauna señal externa.Tiene un solo estado estable.
Monoestable
Señales de Cambio
Multivibradores
Circuitos analógicos
V
t
Para salir de cualquiera de los dosestados precisa una señal externa.Tiene dos estados estables.
Biestable
Señales de Cambio