Introducción a la Electrónica

Presentación del tema: "Introducción a la Electrónica"— Transcripción de la presentación:

1 Introducción a la Electrónica
TEMA 1 Introducción a la Electrónica Electrónica Analógica

2 Conocer que es un sistema electrónico
OBJETIVOS Conocer que es un sistema electrónico Saber discernir entre un sistema electrónico de procesamiento de información y un sistema electrónico de potencia. Conocer las ventajas y desventajas de los sistemas digitales y analógicos. Comprender la necesidad de interrelación de los s. digitales con los analógicos Electrónica Analógica

3 OBJETIVOS (cont) Conocer los conceptos básicos sobre amplificadores y sus diferentes tipos: Amplificadores de tensión Amplificadores de corriente Amplificadores de transresistencia Amplificadores de transconductancia. Electrónica Analógica

4 Conocer las característica mas importantes de los Amplificadores:
OBJETIVOS (cont) Conocer las característica mas importantes de los Amplificadores: Ganancia, impedancia de entrada e impedancia de salida Conocer las limitaciones de los amplificadores respecto a su respuesta frecuencial, y los conceptos claves al respecto: ganancia compleja, frecuencia de corte y ancho de banda, respuesta a un escalón, Electrónica Analógica

5 Comprender los conceptos de:
OBJETIVOS (cont) Conocer las características mas importantes de los Amplificadores diferenciales y sus ventajas Comprender los conceptos de: Ganancia en modo común y en modo diferencial Señal en modo común y en modo diferencial Impedancia de entrada en modo común y en modo diferencial Razón de rechazo en modo común Electrónica Analógica

6 1.1. SISTEMAS ELECTRÓNICOS
Sistemas E.: radio AM, GPS, Encendido electrónico automóvil Subsistemas o bloques funcionales: Amplificador, filtro, oscilador Antena Radio de frecuencia Amplificador de radio- frecuencia Mezclador Filtro de frecuencia intermedia Amplificador de frecuencia intermedia Detector de pico Filtro de frecuencia intermedia Amplificador de sonido Amplificador de radio-frecuencia Mezclador Altavoz Oscilador local Sintetizador de frecuencias Control Digital Memoria digital Teclado Pantalla Figura Diagrama de bloques de un sistema electrónico simple: una radio AM. Electrónica Analógica

7 EL PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Y LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

8 SISTEMAS ANALÓGICOS Y S. DIGITALES
Amplitud Amplitud Valores lógicos + A Tiempo Tiempo - A (a) Señal analógica (b) Señal digital Figura 1.2. Las señales analógicas toman valores continuos de amplitudes. Las señales digitales toman unas pocas amplitudes discretas. Electrónica Analógica

9 SISTEMAS ANALÓGICOS Y S. DIGITALES (CONT)
Amplitud Amplitud Valores lógicos + A Tiempo Tiempo - A (a) Señal analógica (b) Señal digital El mundo real es analógico (Aunque a nivel de la mecánica cuántica tampoco) Los transductores son dispositivos que convierten cualquier magnitud física en una señal eléctrica. El formato de la señal eléctrica que proporcionan los transductores es normalmente analógico Un teclado proporciona señales en formato digital Electrónica Analógica

10 CONVERSIÓN SE SEÑALES ANALÓGICAS A DIGITALES Y VICEVERSA
Convertidor analógico digital: (ADC Analog to digital converter) Convierte señales analógicas al formato digital Procedimiento: 1°) Se realice un muestreo, es decir una medición en instantes de tiempo periódicos (frecuencia de muestreo) 2°) A la citada medición se le asigna una palabra de código de longitud adecuada Convertidor digital – analógico (DAC digital to analog converter) Convierte señales en formato digital a señales analógicas Los sistemas analógicos son los que procesan señales analógicas Los sistemas digitales son los que procesan señales digitales Los sistemas modernos incluyen elementos analógico y digitales

11 CONVERSIÓN SE SEÑALES ANALÓGICAS A DIGITALES
Amplitud Palabras de código a tres bits Valores de muestra Señal analógica Señal digital que representa bits de código sucesivos Figura Conversión de una señal analógica en un equivalente digital aproximado mediante muestreo. Cada valor de muestra viene representado por un código de 3 bits. Los convertidores reales utilizan palabras de código más largas.

12 ERROR DE CUANTIFICACIÓN
Señal analógica original Reconstrucción Cuanto mayor es El n° de zonas menor es el error. A mayor n°de zonas, palabras de código mas largas Figura Aparece un error de cuantificación cuando se reconstruye una señal analógica a partir de su equivalente digital. Electrónica Analógica

13 VENTAJAS RELATIVAS DE LOS SISTEMAS ANALÓGICOS Y DIGITALES
(a) Señal analógica (b) Señal digital (c) Señal analógica con ruido (d) Señal digital con ruido Figura Es posible determinar las amplitudes originales de una señal digital después de añadir ruido. Esto no es posible para una señal analógica.

14 VENTAJAS RELATIVAS DE LOS SISTEMAS ANALÓGICOS Y DIGITALES (CONT)

15 DISEÑO DE SISTEMAS Desarrollo de las especificaciones del sistema Generación de planteamientos de solución Diseño de diagramas de bloques del sistema, incluyendo las especificaciones del documento Enunciado del problema Descarte de los planteamientos de solución que no sean prácticos Diseño de los circuitos internos de cada bloque Construcción de circuitos prototipos Prueba Montaje del sistema prototipo Prueba y finalización del diseño Producción Sistema en funcionamiento En este libro se estudiará principalmente esta actividad Figura Diagrama de flujo típico para el diseño de sistemas electrónicos.

16 Figura 1.7. Diagrama de flujo del proceso de diseño de circuitos.
Selección de la configuración del circuito Selección de los valores de los componentes Estimación de las prestaciones* Especificaciones del bloque funcional Construcción del prototipo Prueba Diseño final *Utilizando el análisis teórico, una simulación por computador, o pruebas reales con los circuitos. Figura Diagrama de flujo del proceso de diseño de circuitos.

17 1.4 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE AMPLIFICADORES
Terminales de entrada Terminales de salida Fuente de señal Amplificador Carga Símbolo de masa Resistencia de carga Ganancia en tensión Figura Amplificador electrónico.

18 1.4 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE AMPLIFICADORES (CONT)
(a) Forma de onda de entrada (b) Forma de onda de salida de un amplificador no inversor (c) Forma de onda de salida de un amplificador inversor Amplificador no inversor Amplificador inversor Figura Forma de onda de entrada y sus correspondientes formas de onda de salida.

19 Modelo del amplificador de tensión
Fuente de tensión controlada por tensión Modelo de amplificador de tensión Impedancia de entrada Impedancia de salida Figura Modelo de un amplificador electrónico, que incluye una resistencia de entrada Ri y una resistencia de salida Ro.

20 CONCEPTO DE IMPEDANCIA DE ENTRADA E IMPEDANCIA DE SALIDA
Impedancia de entrada es el cociente entre la tensión de entrada y la corriente de entrada. Impedancia de salida es el cociente entre la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito.

21 CONCEPTO DE IMPEDANCIA DE ENTRADA E IMPEDANCIA DE SALIDA
En circuitos lineales, otra forma de calcular la impedancia de salida es como se indica en la figura b. 1°) Anulamos todos los generadores. (f. tensión c.c. f corriente c.a ) 2°) Aplicamos a la salida una tensión de prueba vT . 3°) La impedancia de salida será el cociente entre la tensión de prueba y la corriente de prueba

22 EJEMPLO 1.1 Figura Fuente, modelo de amplificador y carga para el Ejemplo 1.1.

23 1.5.- AMPLIFICADORES EN CASCADA
Figura Conexión en cascada de estos dos amplificadores.

24 EJEMPLO 1.2 (Amplificadores en cascada)
Primera etapa Segunda etapa Carga Figura Amplificadores en cascada del Ejemplo 1.2.

25 Amplificadores en cascada: Circuito equivalente
Figure Modelo simplificado de los amplificadores en cascada de la Figura Consulte el Ejemplo 1.3.

26 1.6.- FUENTES DE ALIMENTACIÓN Y RDTO.
Conectado a varios puntos de los circuitos internos (que no se muestran) Fuente de alimentación Figura La fuente de alimentación proporciona potencia al amplificador a partir de varias fuentes de tensión constantes.

27 FLUJO DE POTENCIA EN UN CIRCUITO E.
Potencia de la señal de salida hacia la carga Entrada de la fuente de alimentación Potencia disipada en el amplificador Entrada de la fuente de señal Figura Ilustración del flujo de potencia.

28 Ejemplo del cálculo del rdto de un amplificador
Figura Amplificador del Ejemplo 1.4.

29 Amplificador de corriente
Modelo de amplificador de corriente Figura Modelo de amplificador de corriente.

30 Conversión de un amplificador de corriente en amplificador de tensión
La conversión es inmediata aplicando la dualidad de los teoremas Thevenin-Norton Carga en cortocircuito Figure Amplificador de corriente de los Ejemplos 1.5, 1.6 y 1.7.

31 Figura 1.27. Modelo de amplificador de corriente equivalente al modelo de amplificador
de tensión de la Figura Consulte el Ejemplo 1.5.

32 Amplificador de transconductancia
Fuente de corriente dependiente de tensión Fuente de corriente controlada por tensión Figura Modelo de amplificador de transconductancia.

33 de tensión de la Figura 1.26. Consulte el Ejemplo 1.6.
Figura Amplificador de transconductancia equivalente al amplificador de tensión de la Figura Consulte el Ejemplo 1.6.

34 Amplificador de transresistencia
Fuente de tensión dependiente de corriente Fin de tensión controlada por corriente Figura Modelo de amplificador de transresistencia.

35 de tensión de la Figura 1.26. Consulte el ejemplo 1.7.
Figura Amplificador de transresistencia equivalente al amplificador de tensión de la Figura Consulte el ejemplo 1.7.

36 Aplicaciones que requieren una impedancia de entrada alta o baja
(a) Si Rin >> Rs, entonces vin  vs (b) Si Rin << Rs, entonces iin  is Figura Si se desea medir la tensión en circuito abierto de una fuente, el amplificador deberá presentar una resistencia de entrada alta, como se muestra en (a). Para medir la corriente en cortocircuito se requiere una resistencia de entrada baja, como se muestra en (b).

37 Fuentes de señal. Modelos equivalentes Thevenin y Norton
(a) Si Rin >> Rs, entonces vin  vs (b) Si Rin << Rs, entonces iin  is Cualquier fuente de señal puede sustituirse por su circuito equivalente Thevenin o Norton. Algunas fuentes de señal se asemejan físicamente mas bien a un circuito equivalente Thevenin, y otras mas bien a un circuito equivalente Norton

38 Aplicaciones que requieren una impedancia de entrada alta o baja (Cont)
Figura Si la impedancia de salida Ro del amplificador es mucho menor que la menor de las resistencias de carga, la tensión es prácticamente independiente del número de interruptores cerrados.

39 Aplicaciones que requieren una impedancia determinada
A alta frecuencia y con señales de frentes abruptos, es necesario que Zi, Zcarga y Zo (Impedancia característica de la línea de transmisión)sean iguales. (Ejemplo: Zo=52 ohmios, Zo=75 ohmios) Señal que se desplaza hacia el amplificador Reflexión si Ri  Z0 Línea de transmisión de impedancia característica Z0 Figura Para evitar reflexiones, la resistencia de entrada del amplificador Ri deberá ser igual a la resistencia característica Zo de la línea de transmisión.

40 AMPLIFICADORES IDEALES
Amplificador ideal de tensión Fuente de tensión controlada por tensión Zi= infinita Zo=0 [µ]= adimensional b) Amplificador ideal de corriente Fuente de corriente controlada por corrinte Zi= 0 Zo=infinita [β]= adimensional

41 AMPLIFICADORES IDEALES (CONT)
c) Amplificador ideal de transconductancia Fuente de corriente controlada por tensión Zi= infinita Zo=infinita [gm]= admitancia (transconductancia) d) Amplificador ideal de transresistencia Fuente de tensión controlada por corriente Zi= 0 Zo=0 [rm]= resistencia

42 AMPLIFICADORES REALES
Impedancias de entrada y salida Tensión de desviación con entradas nulas Distorsiones no lineales Respuesta frecuencial: La ganancia de los amplificadores no es una constante, sino que depende de la frecuencia. Es una función compleja Distorsión en amplitud Distorsión de fase

43 RESPUESTA FRECUENCIAL DE LOS AMPLIFICADORES
Las señales procesadas por los dispositivos electrónicos, casi nunca son senoidales. Si son periódicas, aplicando Fourier pueden tratarse como sumas de componentes senoidales de varias frecuencias. Si el sistema es lineal puede aplicarse el principio de superposición. Los amplificadores reales no tienen la misma ganancia a las diferentes frecuencias. Es necesario diseñarlos para que respondan adecuadamente a las frecuencias que se van a utilizar

44 RESPUESTA FRECUENCIAL DE LOS AMPLIFICADORES (CONT)
CONCEPTO DE GANANCIA COMO FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA.- GANANCIA COMPLEJA La ganancia de un amplificador real no es una constante. Mas bien depende de la frecuencia de trabajo. Si aplicamos a un amplificador una señal de entrada senoidal de amplitud constante y frecuencia variable, comprobaremos que la salida, tiene una amplitud y un desfase respecto de la señal de entrada diferente, según el barrido de frecuencia que hagamos, por tanto en régimen periódico y funcionamiento lineal del A.O, podemos decir que la ganancia es una “función compleja” de la frecuencia.

45 (b) Serie de Fourier (normalizada a la amplitud A)
(a) Onda cuadrada (b) Serie de Fourier (normalizada a la amplitud A) Figura Onda cuadrada periódica y la suma de los primeros cinco términos de su serie de Fourier.

46 Figura 1.36. Ganancia en función de la frecuencia.
Amplificadores acoplados en continua y en alterna. Respuesta frecuencial Frecuencias medias Región de alta frecuencia Región de baja frecuencia (a) Amplificador acoplado en alterna Frecuencias medias Región de alta frecuencia (b) Amplificador acoplado en continua Figura Ganancia en función de la frecuencia.

47 Amplificadores acoplados en continua y en alterna
Amplificadores acoplados en continua y en alterna. Respuesta frecuencial Frecuencia inferior de corte Frecuencia superior de corte Anchura de banda La anchura de banda de los amplificadores es una de las causas de la distorsión de la señal de salida respecto de la de la entrada. (Imagine una señal cuadrada de 15 Khz, aplicada a un amplificador con anchura de banda de 20 Khz)

48 Acoplamiento en alterna y acoplamiento en continua
Ventajas e inconvenientes: El acoplamiento en alterna no permite procesar señales que varían muy lentamente Condensador de acoplamiento de entrada Condensador de acoplamiento entre etapas Condensador de acoplamiento de salida La fuente de señal puede incluir una componente continua Primera etapa del amplificador Segunda etapa del amplificador Figura El acoplamiento capacitivo previene que una componente continua de entrada afecte a la primera etapa, que las tensiones continuas de la primera etapa alcancen la segunda etapa, y que las tensiones continuas de la segunda etapa alcancen la carga.

49 Respuesta frecuencial de amplificadores (cont): La región de alta frecuencia
Capacidades parásitas de los cables o los dispositivos Inductancia parásita del cableado Circuitos del amplificador Figura Un condensador en paralelo con la trayectoria de la señal y una bobina en serie con la trayectoria de la señal, reducen la ganancia en la región de alta frecuencia.

50 Respuesta frecuencial de amplificadores (cont): Frecuencias de corte inferior y superior
Amplificadores de banda ancha Amplificadores de banda estrecha o pasabanda Amplificadores sintonizados Figura Ganancia en función de la frecuencia para un amplificador típico; se muestran las frecuencias de corte superior e inferior (fH y fL ) (3-dB), y el ancho de banda B.

51 Respuesta frecuencial de amplificadores (cont): Amplificadores pasa-banda
Interesa limitar la anchura de banda de los amplificadores a la estrictamente necesaria, par evitar amplificar señales parásitas (ruido...problemas de inestabilidad y de auto-oscilaciones) Figura Magnitud de la ganancia en función de la frecuencia para un amplificador típico de banda estrecha.

52 Respuesta frecuencial de amplificadores (cont): Respuesta a un escalón
(a) Entrada (b) Salida Pico Oscilaciones transitorias Parte superior del escalón inclinada Los flancos anterior y posterior no son instantáneos Figura Escalón de entrada y salida típica de un amplificador de banda ancha acoplado en alterna.

53 Respuesta a un escalón de un filtro pasa-bajos de 2° orden
La amplitud final es Vf Tiempo de subida Tiempo de establecimiento Máximo sobre-impulso ..... Figura Tiempo de subida de la salida. (Nota: No se muestra ninguna inclinación en la parte superior del escalón. Cuando se presenta una inclinación, es preciso un cierto análisis adicional para estimar la amplitud de Vf.

54 AMPLIFICADORES DIFERENCIALES
Dos entradas y una salida Terminal de entrada no inversor Amplificador diferencial Terminal de entrada inversor En el A.D. Ideal, la salida nada mas depende de la diferencia de las dos entradas Figura Amplificador diferencial con sus señales de entrada.

55 AMPLIFICADORES DIFERENCIALES
Dos entradas y una salida PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: ¿POR QUÉ DOS ENTRADAS? NECESIDAD DE AMPLIFICAR SEÑALES DE AMPLITUD MUY PEQUEÑA EN PRESENCIA DE DE FUENTES DE RUIDO. Si en la entrada del amplificador de una única entrada tenemos superpuesta una señal indeseable (ruido), la única forma posible de minimizar el efecto es mediante filtrado. Si tenemos una “fuente de señal diferencial “y un amplificador diferencial (con dos entradas), algunas fuentes de ruido pueden eliminarse completamente

56 AMPLIFICADORES DIFERENCIALES (CONT)
Dos entradas y una salida PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA (CONT): ¿POR QUÉ DOS ENTRADAS? NECESIDAD DE AMPLIFICAR SEÑALES DE AMPLITUD MUY PEQUEÑA Y VARIACIONES MUY LENTAS. Ejemplos típicos: Transductores para medir dilataciones en vigas, puentes, transductores para medir varaciones de temperatura respecto a una de referencia. Vibraciones mecánicas de baja frecuencia

57 SEÑAL DE ENTRADA EN MODO COMÚN Y SEÑAL DE ENTRADA EN MODO DIFERENCIAL
Figura Se pueden reemplazar las fuentes de entrada vi1 y vi2 por las fuentes equivalentes vicm y vid.

58 SEÑAL DE ENTRADA EN MODO COMÚN Y SEÑAL DE ENTRADA EN MODO DIFERENCIAL (CONT)

59 SEÑALES DIFERECIALES Y SEÑALES EN MODO COMÚN
Electrodo de ECG Lámpara Cable de alimentación Capacidad entre el paciente y tierra. SEÑAL EN MODO COMÚN ELEVADA Capacidad no deseada entre la línea de corriente alterna y el paciente Figura Los electrocardiógrafos se encuentran con grandes señales de modo común de 50-Hz.

60 COMO LLEVAR EL RUIDO DE ENTRADA A MODO COMÚN
a) Fuente de ruido invisible entre la fuente de señal y elamplificador Rw=Resistencia del cable Rs =Resistencia de salida de la fuente de sñal Rn = Resistencia de salida de la fuente de ruido (muy grande) b) Ruido de bucle de masa

61 COMO LLEVAR EL RUIDO DE ENTRADA A MODO COMÚN (CONT)
c) Ruido del bucle de masa como componente de entrada en el Amp. d) Circuito de entrada que utiliza amplificador diferencial

62 RUIDO POR ACOPLAMIENTO MAGNÉTICO Procedimientos para disminuirlo
a) Amplificador de una entrada con ruido por acoplamiento magnético b) Amplificador diferencial configurado para disminuir el ruido por acoplamiento magnético. (Pasa a ser una señal de ruido en modo común)

63 RUIDO POR ACOPLAMIENTO CAPACITIVO Procedimientos para disminuirlo
d) Amplificador de una entrada con ruido por acoplamiento capacitivo e) Amplificador diferencial configurado para disminuir el ruido por acoplamiento capacitivo e inductivo. Cable doble apantallado con la pantalla conductora conectada solo en el lado de la fuente de señal

64 AMPLIFICADORES DIFERENCIALES REALES
Desafortunadamente los A.D. reales tienen también respuesta a la señal en modo común

65 Configuración para medir la ganancia diferencial
Amplificador en pruebas (a) Fuentes requeridas teóricamente para medir la ganancia diferencial Amplificador en pruebas (b) Equivalente práctico Ad >>Acm Figura Configuración para medir la ganancia diferencial. Ad = vo/vid.

66 AMPLIFICADOR DIFERENCIAL REAL GANANCIA EN MODO COMÚN
Los A.D. Reales, tienen una respuesta a señales en modo común, que normalmente aunque pequeña, no es nula. Amplificador en pruebas Voltímetro Fuente de señal Las señales en modo común son a veces muy grandes, con lo que el efecto de la respuesta del A.D. Puede ser importante Figura Configuración para la medida de la ganancia de modo común.

67 MODELO MAS COMPLETO DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Impedancia de de entrada en modo diferencial Impedancia de entrada en modo común. Impedancia de salida Resistencia de entrada en modo común: Resistencia de entrada en modo diferencial:

68 MODELO MAS COMPLETO DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL (Cont)
Ejemplo de especificaciones de una amplificador diferencial Razón de rechazo de modo común:

69 MODELO MAS COMPLETO DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL (Cont)
La tensión de salida puede calcularse aplicando superposición 1°) Se encuentra la respuesta debida a la señal en modo diferencial c) Circuito equivalente para encontrar la respuesta a la señal en modo diferencial b) Circuito equivalente para el amplificador diferencial

70 MODELO MAS COMPLETO DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL (Cont)
La tensión de salida puede calcularse aplicando superposición 2°) Se encuentra la respuesta debida a la señal en modo común c) Circuito equivalente para encontrar la respuesta a la señal en modo común b) Circuito equivalente para el amplificador diferencial La respuesta total es la suma de ambas

71 FUENTES DE SEÑAL DIFERENCIAL
En muchos transductores se utiliza el puente de Wheatstone: Ejemplo: Puente de galgas extensiométricas sujetas a una viga