Introducción Circuitos Electrónicos Digitales Profesora: Mafalda Carreño M Segundo Semestre 2009 Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Introducción Antes de entrar en los detalles de esta asignatura, es interesante tener una perspectiva mayor, para entender el contexto de esta asignatura, en qué fundamentos se basa y cómo se relaciona con el resto de asignaturas. El objetivo de la electrónica aplicada es construir circuitos electrónicos para buscar las soluciones a problemas que a nosotros nos interese. En términos generales podemos hablar de: Electrónica analógica y Electrónica digital Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Electrónica Analógica En el mundo normalmente manejamos información, la cual debemos: manipular, almacenar, recuperar y transportar. Cada vez los avances tecnológicos que facilitan nuestra vida nos permiten encontrar soluciones a problemas que antes no tenían un solución. Con la aparición de la electrónica las posibilidades de desarrollar estas soluciones han aumentados. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Electrónica Analógica Para visualizar mejor el concepto de electrónica analógica veremos el siguiente ejemplo: Figura Nº1 En la figura Nº1, vemos una señal acústica (voz) que es transformada en una señal eléctrica mediante un micrófono, esta señal es una señal análoga, y es similar a la señal acústica de entrada. Existe un factor de conversión, característica del micrófono. Los problemas de los sistemas analógicos son: La información está ligada a la forma de onda, si ésta se degrada se pierde información. Cada tipo de señal necesita circuitos apropiados a su tipo. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Electrónica Análoga En la figura Nº2 se puede observar que la señal del micrófono fue: amplificada, grabada en una cinta (almacenada), recuperada y transportada. Figura Nº2 Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Electrónica Digital En este caso la forma de modificar, almacenar y transportar la información (señales), se basa en convertir las señales en muestras que luego serán números binarios (bits). Mediante el teorema de Nyquist, se garantiza que cualquier señal se puede representar mediante un determinado número de muestras y que a partir de éstas se puede reconstruir la señal original. Una señal digital está compuesta por cantidades binarias. La electrónica digital trabaja con señales digitales, es decir, con bits , por lo tanto en este caso son éstos los que se manipulan, almacenan recuperan y transportan. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Figura Nº 3 Sistema Digital Si volvemos a nuestro ejemplo, nuestra señal acústica debemos transformarla en bits, esto se hace mediante un Conversor Análogo/Digital (ADC) , luego los bits se procesan en un circuito digital y posteriormente se convierten nuevamente en señal electrónica mediante un Conversor Digital / Análogo (DAC). Figura Nº 3 Sistema Digital En este caso son importantes las características de los conversores A/D y D/A (velocidad y Nº de Bits) para la asegurar la calidad de la señal recuperada. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Inversor Bipolar Capítulo Nº 1 Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

El transistor bipolar Como Uds saben, un transistor puede considerarse formado por dos diodos semiconductores con una zona común. En un transistor existen tres terminales. La zona común se denomina base y las dos zonas exteriores en contacto con la base son el emisor y el colector. Un transistor puede conectarse en tres configuraciones básicas. Emisor común, base común y colector común. Veremos la primera por ser la más utilizada Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Funcionamiento de un transistor en emisor común En el esquema vemos una configuración básica con transistor NPN donde el emisor forma parte tanto del circuito de entrada como del de salida (emisor común). Los parámetros que nos interesan son la intensidad de base (Ib), la tensión entre base y emisor (Vbe), la intensidad de colector (Ic) y la tensión entre colector y emisor (Vce). Si sólo aplicáramos tensión a la entrada, quitando la pila de salida, la unión base emisor se comportaría como un diodo normal, entrando en conducción directa en cuanto la tensión de entrada superara la barrera de potencial (0,7voltios aproximadamente). Las ecuaciones son: Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Funcionamiento de un transistor en emisor común Si variamos el valor de VBB de la malla de entrada, tomando valores de IB y VBE podemos obtener la curva característica de entrada, similar a la de un diodo en conducción directa. Por el circuito de salida no circularía corriente (Ic) ya que no hemos aplicado tensión en la malla de salida. Hasta aquí, nada diferente de lo que es un diodo. Pero veamos qué es lo que ocurre cuando aplicamos una tensión a la malla de salida. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Funcionamiento de un transistor en emisor común Si aumentamos la tensión VBB, entonces la corriente de emisor aumentará, (Ie )como hemos visto en la curva de entrada del transistor, ya que el diodo base emisor está polarizado directamente. Vemos, por tanto, que podemos controlar la intensidad de salida del circuito (intensidad de colector) controlando la intensidad de entrada (intensidad de base). Lo interesante del transistor es que las variaciones de intensidad de corriente de IB entrada son pequeñas (suele ser micro o miliamperios), y esas variaciones producen grandes variaciones de la intensidad de Ic (son miliamperios o amperios), por lo que el transistor en emisor común se comporta como un amplificador de las variaciones de corriente. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Funcionamiento de un transistor en emisor común Si aplicamos una tensión Vbb constante, que produzca una Ib constante (p. ej. 10 uA), y vamos incrementando la Vcc desde cero, podemos ver que la Ic y la Vce van aumentando linealmente hasta el codo, donde el incremento de Ic se amortigua (saturación de corriente) y la Vce aumenta. Vemos en la curva de salida, que la Ib es del orden de uA, sin embargo la Ic será del orden de miliamperios. Por tanto, si introducimos una intensidad variable de entrada (Ib) pequeña, obtendremos un gran variación de intensidad de salida (Ic). En ello se basa la aplicación del transistor como amplificador. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Funcionamiento de un transistor en emisor común Zona activa. La unión base-emisor está polarizada en sentido directo (Vbe > 0,6 V) y la unión colectora lo está en sentido inverso. Esta zona el transistor funciona en ella cuando se utiliza para amplificar señales. El punto Q es el punto de trabajo en reposo del transistor, que se define como el punto de conducción que tiene cuando está en reposo (sin aplicar señal de entrada a amplificar). Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Funcionamiento de un transistor en emisor común Zona de corte. Ambas uniones quedan polarizadas en sentido inverso y las intensidades en los terminales se pueden considerar despreciables. La situación sería: Vbe< 0,7V; Ie=0 Vbc< 0,7V; Ic=0 Zona de saturación. Ambas uniones, emisora y colectora, están polarizadas en sentido directo. La corriente base-emisor es muy grande, por lo que la corriente de colector lo es igualmente grande. Vbe = 0,7V; Vbc=0,5V (app) Luego: Vce=Vbe-Vbc<= 0,2V Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Funcionamiento de un transistor en emisor común La recta que atraviesa la curva se denomina “recta de carga” y se componen de los lugares que puede ocupar el punto de trabajo del transistor. Responde a la siguiente ecuación de la malla de salida. Vcc = Vce + Rc * Ic  ecuación de la recta de carga . Si Ic = 0  transistor en corte, entonces Vcc = Vce ,la tensión de alimentación está entre colector y emisor. Si Vce = 0  transistor en saturación, entonces Ic = Vcc/Rc Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Funcionamiento de un transistor en emisor común Los transistores en emisor común suelen trabajar como amplificadores (zona activa) o como conmutadores (zonas de corte ysaturación). El modo en que queramos que trabajen determinará el circuito de polarización del mismo que utilizemos. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Transistor como conmutador Supongamos el siguiente circuito, adecuadamente polarizado para trabajar como conmutador. Con el interruptor abierto, no hay intensidad de base, luego no puede haber Ic, por lo que el transistor no conduce, en la resistencia de salida no cae tensión y la tensión de salida será igual a la tensión de alimentación (10 V). IB = 0 IC = 0 CORTE (el transistor no conduce) Estamos en el punto 1 de la recta de carga, en la práctica si que hay una pequeña corriente de fugas, por lo que la tensión de salida es un poco menor de 10V. Para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, por lo tanto se desprecia. Vbe< 0,7V; Ie=0 Vbc< 0,7V; Ic=0 Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Transistor como conmutador Si ahora cerramos el interruptor, tendremos una corriente de base grande (Ib), lo cual por el efecto transistor provocará una gran Ic. El transistor conduce y toda la tensión de la malla de salida cae en la resistencia de colector, por lo que en la salida tendremos prácticamente 0(V) (en realidad 0,7 voltios). Estamos en el punto 2 de la recta de carga (transistor en saturación) Vbe = 0,7V; Vbc=0,5V (app) Luego: Vce=Vbe-Vbc<= 0,2V Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Inversor Bipolar Si tenemos en la entrada una onda cuadrada, la onda de salida será también cuadrada, pero invertida. Este circuito será un inversor, muy utilizado (con mejoras) en electrónica digital. También lo podemos utilizar en electrónica analógica, para controlar relés y otra cargas “todo-nada”, que no exijan regulación contínua de la tensión de salida. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Inversor Bipolar Transistor en corte Transistor en saturación (tensión umbral del diodo base-emisor, 0,6V) Transistor en saturación Además hay una segunda condición: Dentro de estos límites debe elegirse la resistencia Rb, cuanto menor sea ésta más profunda es la saturación. En cambio mientras más alto sea el valor de Rb, más favorece el estado de corte. La transición de saturación a corte es la que presenta mayor retardo Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Inversor Bipolar La resistencia de colector Rc debe elegirse dentro de un compromiso entre velocidad y consumo. Cuanto menor sea Rc, menores serán las constantes de tiempo asociadas al transistor y éste conmuta más rápidamente, pero consume más. La figura representa la respuesta de un inversor frente a una onda cuadrada en la entrada. El orden de magnitud de los tiempos de retraso en la conmutación dependen del tiempo , parámetro característico del transistor y es del orden de 0,1 y 1 microseg. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Inversor Bipolar Definiciones: Tiempo de elevación: Es el tiempo que le toma a la corriente de colector cargar la capacitancia de transición colector-base (Cob). Se mide desde que Ic =0.1*Icsat hasta que Ic =0.9*Icsat. . Tiempo de Bajada: Es el tiempo que le toma a la corriente de colector bajar hasta 0.1*Icsat. Durante este tiempo, el voltaje de base y la corriente de base decaen a cero. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1

Inversor Bipolar Es posible mejorar ambas transiciones mediante la inclusión de un condensador (CB) en paralelo con la resistencia de la base. Si Se consigue una muy rápida respuesta a una onda cuadrada a la entrada del inversor. Circuitos Electrónicos Digitales Clase Nº 1