EL42A Circuitos Electrónicos Semestre Primavera 2003 Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Chile EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Capítulo III Electrónica Analógica Clase Nº 23 Sistemas Analógicos (II) EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Objetivos Aplicaciones analógicas no-lineales Multiplicadores Celda de Gilbert Aplicación a PLLs Conversores A/D (ADCs) y D/A (DACs) EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Multiplicadores Analógicos Multiplicador de dos cuadrantes: vd sin restricción de signo, pero vs debe ser mayor a vBE(on) EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert (I) v1 v2 Multiplicador de cuatro cuadrantes: EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert (II) Aplicación Básica: Modulador EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert: Pequeñas señales (I) EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert: Pequeñas señales (I) EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert: Pequeñas señales (I) Análisis en Series de Fourier: Energía se “reparte” en dos componentes de frecuencia: Resta fc  fm Suma fc + fm EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert: Portadora “grande” (I) “Muy grande” se comporta como “onda cuadrada” EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert: Portadora “grande” (II) EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert: Portadora “grande” (III) Análisis en Series de Fourier: La sinusoide pura de 1kHz se multiplica con una “onda cuadrada” con amplitud  1. La serie de Fourier de esta última tiene componentes en la frecuencia fc fundamental y en los armónicos impares.De aquí que aparezcan componentes en (2k+1) fc : Resta (2k+1) fc  fm Suma (2k+1) fc + fm EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert:Detector de Fase Si las entradas a la celda de Gilbert son dos señales con la misma frecuencia Existe componente Continua (diferencia) proporcional a la diferencia de fase existente Entre 0º y 180º la componente continua crece en forma proporcional al desfase, teniendo un cero en 90º Aplicación: PLLs EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert:Detector de Fase Desfase de 180º EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert:Detector de Fase Desfase de 135º EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert:Detector de Fase Desfase de 90º EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert:Detector de Fase Desfase de 45º EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Celda de Gilbert:Detector de Fase Desfase de 0º EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

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Conversión Análogo  Digital ¿Por qué digitalizar? Transmisión de “información” Señales Análogas Señales analógicas sufren alteraciones importantes al ser transmitidas por canales ruidosos Medidas para resolver lo anterior incluye el aumento considerable de S/N ineficiencia Señales digitales Teoría de información entrega herramientas poderosas para el diseño de codificadores de canal y fuente  eficiencia en el uso de potencia y capacidad de corrección de errores Teorema de Shannon (Codificación para canales ruidosos) asegura la reconstrucción de la señal analógica a partir de la digital con distorsión tan pequeña como se desee Electrónica digital Alto nivel de integración, alta velocidad, bajo consumo EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Conversor Digital-Análogo Básico (I) SN-1 SN-2 SN-3 S0 Bit N-1 Bit N-2 Bit N-3 Bit 0 MSB LSB VR Switchs SPDT (single-pole double-throw) controlados digitalmente Vout VR Una realización práctica del switch SPDT VR EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Conversor Digital-Análogo Básico (II) Análisis: Si la línea del bit k-ésimo está en “0”, entonces la resistencia (2N-1-k)R no inyecta corriente a R’ . Por otro lado, si está a “1”, entonces VR está conectado a la resistencia de valor (2N-1-k) R y ésta, a su vez, a la tierra “virtual” del terminal inversor del OPAMP. El aporte en “corriente” hacia R’ del bit k-ésimo será: SN-1 SN-2 SN-3 S0 Bit N-1 Bit N-2 Bit N-3 Bit 0 MSB LSB VR Switchs SPDT (single-pole double-throw) controlados digitalmente Vout Entonces, el aporte neto será: EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Conversor Digital-Análogo Básico (III) SN-1 SN-2 SN-3 S0 Bit N-1 Bit N-2 Bit N-3 Bit 0 MSB LSB VR Switchs SPDT (single-pole double-throw) controlados digitalmente Vout Problemas: Resistencias pueden ser muy grandes para conversores con entradas “modestas” (Ejemplo: DAC de 16 bits con R=1k  215R  32 M) Esto implica dificultad para integrar, difícil control de la precisión sobre tan amplio rango, existencia de un voltaje offset debido a polarización “Definir” máxima resistencia “razonable” y de ahí obtener el valor de R no es solución: La resistencia equivalente RDS(on) debe ser << R (Ejemplo:DAC de 16 bits con 215R =100 k  R  3, demasiado pequeño) Restricción en el uso: no más de 4 bits EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

DAC Malla R2R (I) 1 N2 N1 SN 1 SN 2 S1 S0 LSB MSB VR Vout Funcionamiento: La red es lineal así que puedo aplicar superposición. Asumo que todos los switches están a tierra y me concentro en el k-ésimo: EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

DAC Malla R2R (II) Comentarios: 1 N2 N1 SN 1 SN 2 S1 S0 LSB MSB VR Vout Comentarios: Resuelve el problema de resistencias “grandes”. Ahora ni siquiera importa el valor de cada resistencia, sino más bien la proporción entre ellas. Esto se hace fácilmente con a nivel integrado. Existe una fuerte asimetría provocada por el tiempo de propagación. El tiempo que tarda la señal en el nodo “0” en alterar la salida no es igual al del nodo N-1. Lo anterior limita la operación para alta velocidad. EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

ADC “Contador” Funcionamiento: Si la salida del Comparador es “1” (Vanálogo> Vdigital) Contador aumenta su cuenta  Vdigital aumenta hasta que la salida del comparador es “0”, ahí se puede obtener la representación binaria de Vanálogo Contador Binario DAC   Clear Clock Vanálogo Vdigital MSB LSB Problemas: No puede seguir a la señal de entrada, pues sería necesario resetear el contador  Ineficiente y “lento” EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

ADC “Tracking” y ADCs Superiores Características: Resuelve el problema de seguimiento del ADC “contador”. Al usar un contador Up-Down si la salida cambia entonces el ADC “sigue” los cambios en la señal de entrada.  El ADC realiza “tracking”. ADCs Superiores ADC Aproximación sucesiva No se hace uso de contador, sino de un “dispositivo porgramado”. Éste setea el MSB en “1” y si la señal de entrada es menor deja en “0” al MSB y pone en “1” al siguiente MSB. Así va iterando hasta que alcanza el valor deseado. El número de comparaciones es O(N), mientras que los esquemas contadores son O(2N) ADC Comparador Paralelo El más rápido de todos. Hace uso de un “banco de comparadores” con umbrales igualmente espaciados. A éste se aplica la señal analógica, resultando una entrada paralela de “1s” y “0s” con la que se alimenta un codificador. El problema es la complejidad: N bits  2N comparadores DAC   Clock Vanálogo Vdigital MSB LSB Contador Up-Down Control EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama

Resumen EL42A Circuitos Electrónicos Profesor: Domingo Morales Lizama