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Electrónica Analógica 1 TEMA 1 Introducción a la Electrónica.

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1 Electrónica Analógica 1 TEMA 1 Introducción a la Electrónica

2 Electrónica Analógica 2 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

3 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.

4 Electrónica Analógica 4 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,

5 Electrónica Analógica 5 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

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

7 Electrónica Analógica 7 EL PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Y LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

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

9 Electrónica Analógica 9 Amplitud Valores lógicos Tiempo (a) Señal analógica(b) Señal digital - A + A SISTEMAS ANALÓGICOS Y S. DIGITALES (CONT) 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

10 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 Electrónica Analógica 11 Figura 1.3. 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. Amplitud Valores de muestra Señal analógica Palabras de código a tres bits Señal digital que representa bits de código sucesivos CONVERSIÓN SE SEÑALES ANALÓGICAS A DIGITALES

12 Electrónica Analógica 12 Figura 1.4. Aparece un error de cuantificación cuando se reconstruye una señal analógica a partir de su equivalente digital. Error de cuantificación Reconstrucción Señal analógica original ERROR DE CUANTIFICACIÓN Cuanto mayor es El n° de zonas menor es el error. A mayor n°de zonas, palabras de código mas largas

13 Electrónica Analógica 13 Figura 1.5. Es posible determinar las amplitudes originales de una señal digital después de añadir ruido. Esto no es posible para una señal analógica. (a) Señal analógica (b) Señal digital (c) Señal analógica con ruido (d) Señal digital con ruido VENTAJAS RELATIVAS DE LOS SISTEMAS ANALÓGICOS Y DIGITALES

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

15 Electrónica Analógica 15 Figura 1.6. Diagrama de flujo típico para el diseño de sistemas electrónicos. Desarrollo de las especificaciones del sistema Generación de planteamientos de solución Diseño de diagramas de bloques del sistema, incluyendo las especificaciones del documento Diseño de los circuitos internos de cada bloque Construcción de circuitos prototipos Prueba Montaje del sistema prototipo Prueba y finalización del diseño Producción Enunciado del problema Descarte de los planteamientos de solución que no sean prácticos En este libro se estudiará principalmente esta actividad Sistema en funcionamiento DISEÑO DE SISTEMAS

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

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

18 Electrónica Analógica 18 Figura Forma de onda de entrada y sus correspondientes formas de onda de salida. (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 1.4 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE AMPLIFICADORES (CONT) Amplificador no inversor Amplificador inversor

19 Electrónica Analógica 19 Figura Modelo de un amplificador electrónico, que incluye una resistencia de entrada R i y una resistencia de salida R o. Fuente de tensión controlada por tensión Modelo de amplificador de tensión Modelo del amplificador de tensión Impedancia de entrada Impedancia de salida

20 Electrónica Analógica 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 Electrónica Analógica 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 v T. 3°) La impedancia de salida será el cociente entre la tensión de prueba y la corriente de prueba

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

23 Electrónica Analógica 23 Figura Conexión en cascada de estos dos amplificadores. Amplificador AMPLIFICADORES EN CASCADA

24 Electrónica Analógica 24 Figura Amplificadores en cascada del Ejemplo 1.2. Primera etapaSegunda etapaCarga EJEMPLO 1.2 (Amplificadores en cascada)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

36 Electrónica Analógica 36 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). (a) Si R in >> R s, entonces v in v s (b) Si R in << R s, entonces i in i s Aplicaciones que requieren una impedancia de entrada alta o baja

37 Electrónica Analógica 37 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 (a) Si R in >> R s, entonces v in v s (b) Si R in << R s, entonces i in i s Fuentes de señal. Modelos equivalentes Thevenin y Norton

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

39 Electrónica Analógica 39 Figura Para evitar reflexiones, la resistencia de entrada del amplificador R i deberá ser igual a la resistencia característica Z o de la línea de transmisión. Señal que se desplaza hacia el amplificador Línea de transmisión de impedancia característica Z 0 Reflexión si R i Z 0 Aplicaciones que requieren una impedancia determinada A alta frecuencia y con señales de frentes abruptos, es necesario que Z i, Z carga y Z o (Impedancia característica de la línea de transmisión )sean iguales. (Ejemplo: Z o =52 ohmios, Z o =75 ohmios)

40 Electrónica Analógica 40 AMPLIFICADORES IDEALES a)Amplificador ideal de tensión Fuente de tensión controlada por tensión Z i = infinita Z o =0 [µ]= adimensional b) Amplificador ideal de corriente Fuente de corriente controlada por corrinte Z i = 0 Z o =infinita [β]= adimensional

41 Electrónica Analógica 41 AMPLIFICADORES IDEALES (CONT) c) Amplificador ideal de transconductancia Fuente de corriente controlada por tensión Z i = infinita Z o =infinita [g m ]= admitancia (transconductancia) d) Amplificador ideal de transresistencia Fuente de tensión controlada por corriente Z i = 0 Z o =0 [r m ]= resistencia

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

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

47 Electrónica Analógica 47 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 Electrónica Analógica 48 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. 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 Acoplamiento en alterna y acoplamiento en continua Ventajas e inconvenientes: El acoplamiento en alterna no permite procesar señales que varían muy lentamente

49 Electrónica Analógica 49 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. Inductancia parásita del cableado Capacidades parásitas de los cables o los dispositivos Circuitos del amplificador Respuesta frecuencial de amplificadores (cont): La región de alta frecuencia

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

51 Electrónica Analógica 51 Figura Magnitud de la ganancia en función de la frecuencia para un amplificador típico de banda estrecha. 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)

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

53 Electrónica Analógica 53 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 V f. La amplitud final es V f Respuesta a un escalón de un filtro pasa-bajos de 2° orden Tiempo de subida Tiempo de establecimiento Máximo sobre-impulso.....

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

55 Electrónica Analógica 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 Electrónica Analógica 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 Electrónica Analógica 57 Figura Se pueden reemplazar las fuentes de entrada v i1 y v i2 por las fuentes equivalentes v icm y v id. SEÑAL DE ENTRADA EN MODO COMÚN Y SEÑAL DE ENTRADA EN MODO DIFERENCIAL

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

59 Electrónica Analógica 59 Figura Los electrocardiógrafos se encuentran con grandes señales de modo común de 50-Hz. 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 SEÑAL EN MODO COMÚN ELEVADA SEÑALES DIFERECIALES Y SEÑALES EN MODO COMÚN

60 Electrónica Analógica 60 COMO LLEVAR EL RUIDO DE ENTRADA A MODO COMÚN a) Fuente de ruido invisible entre la fuente de señal y elamplificador b) Ruido de bucle de masa R w =Resistencia del cable R s =Resistencia de salida de la fuente de sñal R n = Resistencia de salida de la fuente de ruido (muy grande)

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

65 Electrónica Analógica 65 Figura Configuración para medir la ganancia diferencial. A d = v o /v id. (a) Fuentes requeridas teóricamente para medir la ganancia diferencial (b) Equivalente práctico A d >>A cm Amplificador en pruebas Amplificador en pruebas Configuración para medir la ganancia diferencial

66 Electrónica Analógica 66 Figura Configuración para la medida de la ganancia de modo común. Voltímetro Fuente de señal Amplificador en pruebas 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. Las señales en modo común son a veces muy grandes, con lo que el efecto de la respuesta del A.D. Puede ser importante

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

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


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