* Diseño de un amplificador multietapa * Subsistemas Integrados Digitales * Guia de seleccion.

Presentación del tema: "* Diseño de un amplificador multietapa * Subsistemas Integrados Digitales * Guia de seleccion."— Transcripción de la presentación:

1 * Diseño de un amplificador multietapa * Subsistemas Integrados Digitales * Guia de seleccion

2 DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DISCRETO MULTIETAPA  Especificaciones de diseño

3  Desarrollo en diagrama de bloques En la Figura muestra un primer diagrama del circuito en detalle, donde simplemente hemos conectado en cascada las cuatro etapas mediante condensadores de acoplo (C1, C2, C4, C6 y C7). Q1 y Q4 son las etapas de seguidor de emisor, mientras que Q2 y Q3 son amplificadores de emisor común con resistencias de emisor sin condensador de desacoplo (R6 y R11). Los condensadores C3 y C5 son condensadores de desacoplo

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6  Circuito propuesto

7  1ra etapa Emisor común en Q1 Las resistencias R1 y R2 actúan como divisor de tensión, estableciendo la tensión en la base de Q1, la cual debería ser prácticamente independiente de la corriente de base de Q1. Como necesitamos tener una impedancia de entrada de 1 MΩ, deberíamos elegir para R1 y R2 unos valores de al menos varios megaohmios. Supongamos que elegimos en estándar Divisor de tensión

8 Corriente de base Corriente de Polarización emisor y colector son: por tanto

9  2da etapa A continuación, consideraremos el circuito de polarización de Q2, que consiste en las cuatro resistencias R4, R5, R8 y R6! R7. La función de R4 y R5 es establecer una tensión de aproximadamente un tercio de la tensión de la fuente de alimentación en la base de Q2. Sin embargo, ya hemos diseñado la primera etapa para que tenga una tensión de aproximadamente 5,4 V en el emisor de Q1. Por tanto, no hay necesidad del condensador de acoplo C2 y de las resistencias R4 y R5. De acuerdo con ello, eliminaremos estos componentes y conectaremos el emisor de Q1 directamente a la base de Q2.

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11 Además, 10 V es una tensión de polarización adecuada en el colector de Q3, por lo que podemos eliminar R14, R15 y C6, y conectar la base de Q4 directamente al colector de Q3

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13 hemos decidido diseñar para unas corrientes de polarización de: y para unas tensiones colector-emisor de: Estos puntos de polarización establecen los siguientes valores para las resistencias

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15 la ganancia de tensión de la etapa 3 es de Recuerde que estamos diseñando para Por tanto, despejando R11 y sustituyendo, obtenemos Entonces, como las condiciones de polarización requieren que podemos elegir De manera similar

16 Elección de valores para los condensadores Si sustituimos la fuente de señal por su resistencia interna (que se supone igual a cero), la resistencia «vista» por Su valor estándar seria:

17 De igual manera, los valores necesarios estimados para los otros condensadores son:

18 La mayoría de los aparatos digitales que usamos cotidianamente son sistemas digitales, tales como calculadoras portátiles, relojes de pulsera, e incluso ordenadores, estos son un conjunto de subsistemas. Subsistemas típicos son los sumadores-restadores, los contadores, los registros de desplazamiento, las memorias de acceso aleatoria y las pasivas. Los codificadores y decodificadores, los electores de datos, los temporizadores y los decodificadores-excitadores de presentación visual. La mayor parte de estos subsistemas ya los hemos utilizado. En este capitulo vamos examinar los distintos sistemas digitales y como transmiten información. Un sistema digital se forma ensamblando entre si los subsistemas digitales convenientes.

19 La mayoría de los sistemas, sean mecánicos químicos hidráulicos o eléctricos. Presentan determinados rasgos fundamentales comunes. Todos los sistemas tienen entrada y salida para su producción. Generalmente los sistemas presentan las siguientes etapas: Entrada Salida Proceso de control Transmisión Almacenamiento

20 CONTROL ENTRADA ALMACENA MIENTO PROCESO ALMACENA MIENTO SALIDA

21 Ya sabemos que todos los sistemas digitales podrían construirse a través de AND y OR de inversores, también sabemos que los fabricantes producen circuitos integrados que de por si son subsistemas, contadores registros etc. Vamos a ver que los fabricantes han ido un paso mas allá y que algunos circuitos integrados poseen un sistema digital casi completo.

22 Circuito Integrado  Circuito: Conjunto de conductores que recorre una corriente eléctrica, y en el cual hay generalmente intercalados aparatos productores o consumidores de esta corriente.  Circuito integrado: Combinación de elementos de circuito miniaturizados que se alojan en un único soporte o chip, generalmente de silicio. Fuente: Diccionario de la Real Academia Española (www.rae.es)

23 Circuito Integrado  Circuito integrado: Conjunto de transistores y circuitos eléctricos construidos sobre un mismo cristal. Los circuitos integrados actuales no miden más de un centímetro de largo y pueden contener millones de transistores. Fuente: Diccionario de la Real Academia Española (www.rae.es)

24 la tecnología de CIs digitales ha progresado con rapidez, desde la integración a pequeña escala (SSI) con menos de 12 compuertas por chip; después la integración a mediana escala (MSI), en la que se pueden tener de 12 a 99 compuertas equivalentes por chip; mas tarde la integración a gran escala y a muy gran escala (LSI y VLSI, respectivamente), en las que puede haber decenas de miles de compuertas por chip; y, por ultimo, la integración a ultra gran escala (ULSI), en la que puede haber mas de 100,000 compuertas por chip, y la integración a giga escala (GSI), con 1 millón o mas de compuertas. CLASIFICACION DE CIRCUITOS INTEGRADOS

25 -SSI (Circuitos de bajo nivel de integración) Nivel de puertas 12 compuertas puertas lógicas y Flip Flops -MSI (Circuitos de medio nivel de integración) Nivel de puertas de 12 a 99 Realización por medio de multiplexores, contadores, etc... -LSI (Circuitos integrados a gran escala) Nivel de puertas mayor a 100 Calculadoras, microprocesadores, etc.

26 - PLD (Dispositivos Lógico-Programables) Permiten la implantación de pequeños circuitos de forma rápida, que acelera la preparación de sistemas para demostraciones iniciales de funcionamiento. -FPGA (Matriz de puertas programables) Tienen las ventajas de las PLD con el valor añadido de su mayor versatilidad. -ASIC (Circuitos integrados de aplicación específica) Diseño completo de nuestro sistema y realización como circuito integrado lo que abarata costes para grandes lotes de fabricación.

27 La mayoría de las razones por las que los sistemas digitales modernos utilizan circuitos digitales son obvias. Los CI encapsulan mucho mas circuitos en un encapsulado pequeño, por lo que el tamaño total de casi cualquier sistema digital se reduce. El costo se reduce en forma sustancial debido al ahorro que representa la producción en masa de grandes volúmenes de dispositivos similares. Algunas de las otras ventajas no son tan evidentes. VENTAJAS Y DESVENTAJES CIRCUITOS INTEGRADOS Los CIs han hecho que los sistemas digitales sean mas confiables al reducir el numero de interconexiones externas de un dispositivo a otro. Antes de que tuviéramos los CIs, todas las conexiones en los circuitos eran de un componente discreto (transistor, diodo, resistencia, etc.) a otro. Ahora la mayoría de las conexiones son internas en los CIs, en donde están protegidas de malas soldaduras, quebraduras o cortos en las rutas de conexión en un circuito impreso (PCB), y demás problemas físicos.

28 VENTAJAS Y DESVENTAJES CIRCUITOS INTEGRADOS Los CIs también han reducido en forma dramática la cantidad de energía eléctrica, debido a que sus circuitos en miniatura, por lo general, requieren menos energía que sus contrapartes discretas. Además de los ahorros en costo por la fuente de energía, esta reducción en la energía también significa que un sistema prácticamente no requiere enfriamiento. Hay algunas cosas que los CIs no pueden hacer: no pueden manejar corrientes o voltajes muy grandes, ya que el calor generado en espacios tan pequeños provocaría que la temperatura aumentara más allá de los límites aceptables. Además, los CIs no pueden implementar con facilidad ciertos dispositivos eléctricos tales como los inductores, los transformadores y los capacitores grandes. Por estas razones, el principal uso de los CIs es para realizar operaciones de circuitos de baja energía, a lo cual se le conoce, por lo general, como procesamiento de información. Las operaciones que requieren altos niveles de energía o dispositivos que no pueden integrarse se siguen manejando mediante componentes discretos.

29 Con el amplio uso de los CIs viene también la necesidad de conocer y comprender las características eléctricas de las familias lógicas de los CIs más comunes. Las diversas familias lógicas difieren en cuanto a los componentes principales que utilizan en sus circuitos. TTL y ECL utilizan transistores bipolares como su elemento principal en el circuito; PMOS, NMOS y CMOS utilizan transistores MOSFET unipolares como su componente principal. En este capítulo presentaremos las características importantes de cada una de estas familias de CIs y sus subfamilias. El punto más importante es comprender la naturaleza de los circuitos de entrada y los circuitos de salida para cada familia lógica. FAMILIAS LOGICAS EN CIRCUITOS INTEGRADOS

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31 Encapsulados de CI Los desarrollos y avances en los circuitos integrados continúan a un ritmo acelerado. Lo mismo se aplica a los encapsulados de CI. Existen diversos tipos de encapsulados, los cuales difieren en cuanto al tamaño físico, a las condiciones ambientales y de consumo de energía bajo las cuales el dispositivo puede operar en forma confiable, y a la manera en que el encapsulado de CI se monta en el circuito impreso

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34 Tabla de encapsulado de CIs

35 Guía de selección  Una familia lógica se puede definir como la estructura básica a partir de la cual se pueden construir las puertas lógicas. Se debe recordar, que en electrónica digital, las señales sólo pueden tomar dos valores diferentes. Por lo tanto, los elementos principales de estas familias lógicas deben tener como mínimo dos regiones de operación bien diferenciadas. Esta situación nos lleva a la utilización de dispositivos semiconductores, aunque en los principios se utilizaban válvulas y conmutadores eléctricos, que presentaban un comportamiento similar.

36 Familia TTL  Sigla en inglés de transistor- transistor logic  LOGICA DE TRANSITOR a TRANSISTOR  Sus elementos de entrada y salida son transistores bipolares

37 FAMILIA TTL  H-TTL.- se desarrollo para excitar circuitos y otras aplicaciones que requieren un nivel mayor de voltaje y a mayor velocidad.  LP-TTL.- bajo consumo de energía y bajas velocidades de operación esta serie no es muy común y prácticamente a sido remplazada por otra.  S-TTL.- para aplicaciones de alta velocidad y menor disipación de potencia.  LS-TTL.- tiene mayor velocidad pero reduce el consumo de energía.  AS-TTL.- mayor velocidad y menor consumo de energía respecto a S-TTL  ALS-TTL.- combina velocidad y potencia con mejoras en el material con capacitancias reducidas.

38 TTL Rangos de voltaje de alimentación y temperatura  Voltaje nominal de 5V.  La serie 74 de 4.75 a 5.25 V  La serie 54 de 4.5 hasta 5.5 V.  La serie 74 temperaturas de 0ºC hasta 70º C  La serie 54 temperaturas de -55ºC a 125º C.  La serie 54 tiene un costo mayor dada su mayor tolerancia.  Esta serie se emplea solo en aplicaciones donde debe mantenerse la operación confiable sobre un amplio margen de condiciones externas.

39 TTL Disipación de Potencia  Una compuerta NAND TTL estándar disipa una potencia promedio de 10 mW.  I CC (promedio) = 8 mA y una P D (promedio) = 8mA x 5 V = 40 mW.  Esta es la potencia total requerida por las cuatro compuertas del encapsulado  De este modo, una compuerta NAND requiere una potencia promedio de 10 mW

40 TTL Retrasos de propagación  La compuerta NAND TTL estándar tiene retrasos de propagación característicos de  t PLH = 11 ns  t PHL = 7 ns  Con un promedio es de t pd (prom) = 9 ns.

41 TTL Factor de carga de salida  Es una medida del número de entradas que una compuerta puede controlar sin exceder las especificaciones de la misma.  El flujo de corriente en una de entrada o salida se considera positivo si fluye hacia adentro y se considera negativa si fluye hacia afuera de la terminal.  Cuando conectamos una salida con una o más entradas, la suma algebraica de las corrientes debe dar cero.

42 TTL  Entradas no conectadas(flotantes): cualquier entrada en un circuito TTL que se deja desconectada actúa como un 1 lógico aplicado a esa entrada, debido a que en cualquier caso la unión o diodo base-emisor de la entrada no será polarizado en sentido directo.

43 TTL Transitorios de Corriente  Este efecto global se puede resumir como sigue: Siempre que una salida TTL tipo tótem pasa de BAJO a ALTO, se consume una espiga de corriente de la amplitud de la fuente de alimentación V CC.  En un circuito o sistema digital puede haber muchas salidas TTL cambiando de estado al mismo tiempo, cada una consumiendo una espiga angosta de corriente de la fuente de poder.