Curso de Doctorad0

1
2ª PARTE Fundamentos de Electrónica Analógica
(1er uso de la Electrónica)
Objetivo Manejar y extraer información presente
en una magnitud eléctrica

• Amplificar
• Filtrar
• Aislar
• Normalizar
• Conversiones (v/v, V/i, i/v, v/f, f/v,....)
• Captura de pico
• .....

V
t
EJEMPLO
ELEMENTO CLAVE EN ELECTRÓNICA ANALÓGICA AMPLIFIC
ADOR ELECTRÓNICO
VE
VS
Tratamiento Analógico
Señal AM (Débil, antena)
Altavoz (Señal Fuerte)
2
IDEAS BÁSICAS DE AMPLIFICACIÓN
Que es un amplificador? Dispositivo capaz de
elevar el nivel de potencia de una señal. (En
nuestro caso eléctrica V o I)
Objetivo ideal PE 0 PS 8 (Entiendase, la
que se quiera)


RL
AMPLIFICADOR
US
UE
-
-
Carga
Fuente de señal (Información)
La información en la fuente de señal puede estar
presente en forma de tensión (VE) o en forma de
corriente (IE). A la salida (en la carga), la
información se puede entregar (con mayor
potencia) pero en forma de tensión (VS) o de
corriente (IS). Las combinaciones se recogen en
la siguiente tabla
3
REPRESENTACIÓN EN EL TIEMPO
REPRESENTACIÓN EN FRECUENCIA (ESPECTRO)
En el mundo de la Electrónica Analógica, las
representaciones en frecuencia son mucho mas
cómodas (p.e. Música, comunicaciones, etc).
4
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
AMPLIFICADOR IDEAL DE CORRIENTE


IS

UE
RL
IE
RL
US
A UE
AI IE
-
-
Carga
Carga
RE 8 RS 0 A ganancia de tensión
RE 0 RS 8 AI ganancia de corriente
AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANSCONDUCTANCIA
AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANSRESISTENCIA
IS




IE
RL
UE
RL
US
R IE
G UE
-
-
Carga
Carga
RE 0 RS 0 R ganancia de
transresistencia
RE 8 RS 8 G ganancia de
transconductancia
5
dB
dB
dB
f
f
AMPLIFICADOR DE BANDA ANCHA
f
AMPLIFICADOR DE BANDA ESTRECHA (SINTONIZADO)
ECUALIZADOR
dB
dB
f
AMPLIFICADOR DE CONTINUA
f
FILTRO SELECTIVO
6

• Fijarse que cada 20 dB la ganancia se multiplica
  por 10.
• La ganancia cero está en -8

A p.u.
A dB
40
100
AMPLIFICAR
20
10
1
0
-20
0.1
ATENUAR
-40
0.01
-60
0.001
7
VISIÓN DE FRECUENCIAS Y USOS
Infrarrojo
Rayos Cósmicos
50
20K
1G
10G
100G
Visible
DC
300
1M
50M
100M
200M
UV
f
Voz Audio 103
109
1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
Radio FM 106
Radio AM TV 108
Continua
Radar Microondas
Señales muy lentas (temperatura)
Aplicaciones Especiales Radar Dispositivos
especiales Diodo GUNN Diodo Tunel Se
usan válvulas Magnetrón Klystron
Señales Eléctricas
COMUNICACIONES Circuitos con transistores Circui
tos integrados especiales (El amplificador
operacional no alcanza en frecuencias)
LUZ Diodos LED Fototransistores Fibra
óptica FOTÓNICA
APLICACIONES INDUSTRIALES Tratamiento de
señal Sensores Circuitos integrados
específicos (Amplificador operacional)
8
ESPECIAL PARA MARINA
Radar Microondas
Infrarrojo
Rayos Cósmicos
20K
1G
10G
100G
Visible
DC
50
300
2M
4M
22M
UV
156M
162M
f
Voz Audio 103
109
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1010
Radio Hectométricas BLU Socorro 2182 KHz
RADAR MARINO Banda X 5.2 - 10.9 GHz Banda S
1.65 - 5.2 GHz
Decamétricas BLU
FM (VHF)
dB
156.80MHz
f
25 KHz
Canal 16 (Socorro)
9
Sensor (Señal Debil)
CARGA
AMPLIFICADOR DE POTENCIA
ADAPTACIONES NORMALIZACIONES
PREAMPLIFICADOR
Elevar nivel de tensión, señales muy débiles,
diseño muy crítico, cables, distancias,
adaptación de impedancias, temperatura,
dependencia del sensor, etc
Etapa de salida, rendimiento es importante,
capacidad de entregar corriente (potencia), baja
distorsión.
Amplificadores, tratamiento de señal, extracción
de la información, captura de pico, comparadores,
transmisión (i/v, v/i, etc)
10
BLOQUES ANALÓGICOS BÁSICOS DERIVADOS DEL
AMPLIFICADOR
TRATAMIENTO DE SEÑAL Amplificadores banda
ancha Amplificadores de continua Amplificadores
selectivos Filtros Inversor Sumador Restador Integ
rador Derivador Normalizador Conversor
V/I Conversor I/V Conversor V/F Conversor
F/V Comparador/Alarma Comparador con
histéresis Rectificadores de precisión Captura
de pico
GENERACIÓN DE SEÑAL Señal cuadrada
(Relojes) Señal Triangular (Barridos) Señal
senoidal (Osciladores) Desfasadores Multiplicador
es analógicos Temporizadores analógicos
11
Inversor
Restador
Multiplicador
Sumador
Ve
Vs
V1
-K
V1
V1
-

x
Vs V1 - V2
Vs V1 V2
Vs V1 x V2
Ve
V2
V2
V2
Vs
Derivador
Integrador
Normalizador

Vy m Vx b
Vs
Vs
Ve
Ve
Vy
Vx
desfasador
Conversor V/F
Conversor F/V
?
V/F
F/V
Fs
Vs
Ve
Vs
Ve
Fe
12
Ejemplo de normalización
Uy
Ux
A/D
N
T
NORMALIZADOR
TERMOPAR
100 ºC
100 mV
10 V
0 ºC
600 mV
0 V
T
Ux
Uy
13
Conversor V/I
Conversor I/V
V/I
I/V
Is
Vs
Ve
Ie
Línea de transmisión
Ve
Is
Vs
valores típicos 4 - 20 mA
Vx mV
Ix mA
Vy V
T ºC
100
20
10
Sensor
Adaptaciones ConversiónV/I
conversión I/V Normalización
4
0
0
14
Comparadores - alarmas
SEÑAL (T)
NIVEL (TMAX)
INTERFACE DE ALARMAS
Pilotos avisadores
t
Salida
ALARMA
Bocinas
Relés
Salida digital (ordenador)
t
Salida
T
Alarma
Sensor
15
Comparadores - alarmas
US
Salida
T
UE gtNIVEL
Alarma
UCC
Sensor
NIVEL
UE
-UCC
US
UCC
NIVEL
UE
-UCC
UE gtNIVEL
16
COMPARADORES/ALARMAS El problema de los ruidos
SEÑAL RUIDOSA PROBLEMA!!!
SEÑAL (T)
SEÑAL LIMPIA
SEÑAL (T)
NIVEL (TMAX)
NIVEL (TMAX)
t
t
Salida
ALARMA
Salida
ALARMA
t
t
SOLUCIÓN
HISTÉRESIS
17
COMPARADORES/ALARMAS CON HISTÉRESIS
US
UCC
SEÑAL (T)
N ? N N - ?
N?
N-?
UE
N
-UCC
t
ALARMA
Salida
US
UCC
t
N?
N-?
UE
N
Eliminación de ruidos mediante un comparador con
histéresis
-UCC
TIPOS DE COMPARADORES CON HISTÉRESIS
18
RECTIFICADORES
UE
UE




-
t
-
t
UE
UE
-


-
t
t
UE
UE


-
t


-
t
UE
US
-


t


t
19
DETECTORES DE PICO
UE
US
t
EJEMPLO
VE
VS
Tratamiento Analógico
Señal AM (Débil, antena)
Altavoz (Señal Fuerte)
20
GENERACIÓN DE SEÑAL

• 1.- Parámetros generales de ondas cuadradas,
  triangulares y senoidales
• Frecuencia
• Amplitud (Medio, eficaz, pico, pico a pico)
• Periodo
• Ciclo de trabajo (Duty Cycle)
• Nivel de continua
• 2.- Generación de onda cuadrada (Relojes)
• 3.- Generación de onda triangular (barrido)
• 4.- Generadores senoidales (osciladores)
• 5.- Circuitos derivados de interés
• Temporizador analógico
• Desplazamiento de fase (Phase shifter)
• Detección de fase (multiplicadores)
• Conversiónes v/f y f/v (PLL)

21
GENERACIÓN DE SEÑAL Definiciones previas
TOSC
TOSC
1.- Frecuencia de oscilación
TOSC
2.- Ciclo de trabajo (Duty Cycle)

• Con ondas senoidales no tiene sentido
• Con ondas cuadradas d 1 y d 0 tampoco tiene
  sentido

0 d 1
d 0.1
d 0.5
d 0.9
Tiempo de subida respecto al periodo total
Tiempo en estado alto respecto al periodo total
22
GENERACIÓN DE SEÑAL Definiciones previas
3.- Nivel de continua (DC level)
DC LEVEL
4.- Amplitud de la señal
NOMENCLATURA HABITUAL - Onda cuadrada Tensión
mínima y tensión máxima, valor máximo, valor pico
a pico (p.e. pulso 0-5 V de f 100 Khz y d
0.5) - Onda triangular Tensión mínima y
tensión máxima, valor pico a pico - Onda
senoidal Valor eficaz, Valor máximo, tensión
pico a pico
23
GENERACIÓN DE SEÑAL Relaciones entre las señales
Comparador con histéresis realimentado positivo
con red lenta (RC)
Comparador con cero Muy típico en los
microprocesadores
Onda Cuadrada
Onda Senoidal
Amplificador realimentado para que
oscile Criterio de Barkausen
Integrador
Onda Triangular
NOTA Hoy día existen multitud integrados que
permiten generar cualquier tipo de señal sin
necesidad de hacerlo con ayuda del AO. Por
ejemplo EXAR XR-2206
24
CAMINANDO HACIA EL AMPLIFICADOR
OPERACIONAL Evolución de una etapa en emisor
común hacia una etapa diferencial
UCC
TÍPICA ETAPA EN EMISOR COMÚN
La presencia de condensadores serie nos impide
amplificar continua. El primer paso es eliminar
estos condensadores
R3
R1
C1

C2
RL
US
R2
UE
-
Alimentación simétrica
UCC
UCC
AMPLIFICADOR DE CONTINUA (Amplificador con
alimentación simétrica) Salida desfasada 180º
R3

RL
US
-UCC
UE
R2
-
Normalmente 15 ó 12
-UCC
25
CAMINANDO HACIA EL AMPLIFICADOR
OPERACIONAL Amplificador diferencial
UCC
US
R1
R3

UE()
Ad
-

UE(-)
US
RL
R2
-
UE()
-UCC
UE(-)
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL DE CONTINUA
SÍMBOLO ESTÁNDAR DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
26
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
SÍMBOLO ESTÁNDAR DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
27
CAMINANDO HACIA EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
UE
UERROR

US
AMPLIFICADOR (A)
Referencia Consigna (Valor que debe tener US)
error
-
Medida de US Realimentación (?)
ESTRUCTURA TÍPICA PARA UN AMPLIFICADOR
REALIMENTADO
Si A es muy grande tenemos
Esta idea es la base del uso del amplificador
operacional (AO)
28
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Algunos tipos de AO clasificados por
prestaciones Uso general LM741, LM301,
TL081, TL082 Para Alta frecuencia LM318,
uA715 Para Instrumentación LM321, uA725 De
precisión uA714, LM321 Comparadores LM311,
LM339, LM393 De Ganancia programable uA776,
LM4250 De potencia uA791 De alta tensión
LH0004
Algunos circuitos integrados derivados del AO de
interés práctico LM555 Temporizador de
propósito general LM566 Oscilador controlado por
tensión AD633 Multiplicador de bajo
precio AD639 Generador de ondas
senoidales AD630 Conversor tensión-frecuencia XR-
215A PLL (Conversión f/v y v/f) "PLL
Phase-Locked Loop" LM565 PLL (Conversión f/v y
v/f)
29
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Algunos fabricantes relevantes LM National
Semiconductor (www.national.com) TL Texas
Instruments (www.ti.com) uA Fairchild
(http//www.fairchildrf.com/home/default.asp) NE/
SE Signetics (www.signetics.com) XR Exar
(www.exar.com) MC Motorola (e-www.motorola.com)
Se sugiere la consulta de estas páginas. (p.e.
la de Texas Instruments trae mucha información
sobre AO)
30
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Ejemplos
característicos
LM741 Amplificador operacional de propósito
general
ENCAPSULADO DIP-8
31
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Comparadores/alarmas
básicas
US
UCC
UE gtNIVEL
UCC


UE
NIVEL

-
-
UCC
US
UE
-
-UCC
NIVEL
-UCC
-UCC
UCC
US
UCC
-

UE


NIVEL
-
UCC
US
-
-UCC
UE
NIVEL
-UCC
-UCC
UE gtNIVEL
32
COMPARADORES uso de COMP
El uso de COMP facilita mucho el interface de
diferentes cargas en incluso el interface con
sistemas digitales. Veamos algunos ejemplos
5 V
24 V
12 V
5 V
LÓGICA TTL
INTERFACEBOCINA
INTERFACERELÉ
INTERFACEDIGITAL
COMENTARIO Los transistores de las salidas en
colector abierto normalmente manejar corrientes y
tensiones superiores que las salidas normales. En
todo caso, consultar los catálogos.
33
COMPARADORES CON HISTÉRESIS Realización práctica
Los ciclos de histéresis en comparadores se
consiguen mediante la inclusión de realimentación
positiva
UCC
US
UCC
-

UE


-
US
R1
N?
N-?
-
UE
N
-UCC
-UCC
R2
UB
34
COMPARADORES CON HISTÉRESIS Realización práctica
Los ciclos de histéresis en comparadores se
consiguen mediante la inclusión de realimentación
positiva
UCC
US
UCC
-
UB


N?
N-?
US
R1
-
UE
N
-UCC
-UCC
R2

UE
-
35
COMPARADOR CON HISTÉRESIS VERSUS AMPLIFICADOR DE
GANANCIA POSITIVA
R2
R2
R1
R1
-



UE
UE



-
-
-
US
US
-
-
AMPLIFICADORDE GANANCIA POSITIVA
COMPARADOR CON HISTÉRESIS
CUIDADO !!! Fijarse en la realimentación.
La aplicación es radicalmente distinta.
36
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Amplificador de
ganancia positiva
Realización de Amplificadores de tensión básicos
con el AO
R2
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
R1



-
UE
RL
US
A VE



US
RL
-
-
UE
-
-
MONTAJE BÁSICO PARA REALIZAR AMPLIFICADORES DE
TENSIÓN
AMPLIFICADOR DE GANANCIA POSITIVA
37
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Ejemplo de
normalización
Realización práctica
UB
UA
A/D
N
T
20 R
NORMALIZADOR
R
UA
TERMOPAR
-
UB
100 ºC
100 mV
10 V

12 V
4/7 V
0 ºC
600 mV
0 V
T
UA
UB
Circuito normalizador
UB
Transformación lineal
10
0
0.1
0.6
UA
38
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Amplificador de
Banda Ancha
Otro ejemplo muy interesante surge la incluir
condensadores en la red de realimentación del
amplificador inversor (tal y como se indica en la
figura). Obtenemos un amplificador de Banda Ancha
fácilmente configurable.
A
C2
C1
R1
R2
-

UE


-
f1
US
RL
f2
f
-


R1

UE
US
A UE
RL
-
-
EQUIVALENTE A FRECUENCIAS MEDIAS
39
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Conversión I/V
Realización de Amplificadores de tensión básicos
con el AO
AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANS-RESISTENCIA
R

-
RL
US
IE
IE
R IE



US
RL
-
-
CONVERSIÓN I/V
(Notar el desfase de 180º)
40
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Ejemplo de uso
(conversión I/V)
R1M?
R1M?
IR
-
-
RL
IR




US
RL
US
RL
-
-
Fotodiodo BPW21
Algo parecido puede hacerse con un diodo normal
para medir temperatura. (Corriente de fugas de un
diodo se duplica cada 10ºC)
41
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Conversión V/I
AMPLIFICADOR DE TRANS-CONDUCTANCIA
R1
IS
R2
-

A

R1
UE
RL


G UE
R2
UE
RE
-
-
IS
RL
NOTAS 1.- RE depende de RL. Si se desea un
valor estable se puede añadir un seguidor de
emisor. (Normalmente RL ltlt R1 de donde podemos
decir RE ? R1) 2.- Fijarse que no depende de R2.
Sin embargo el diseño de R2 es crítico. No puede
ser cero (realimentación positiva igual a
negativa) ni demasiado grande (La salida -punto
A- se podría saturar).
42
RECTIFICADORES DE PRECISIÓN
Revisión de rectificadores convencionales con
diodos
UE


UE
US
RL
t
-
-
US
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA PARTE POSITIVA
t
UE


UE
US
RL
t
-
-
US
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA PARTE NEGATIVA
t
43
RECTIFICADORES DE PRECISIÓN
UE


UE
t
US
RL
-
-
US
RECTIFICADOR DE DOBLE ONDA (I)
t
UE


UE
t
US
RL
-
-
US
t
RECTIFICADOR DE DOBLE ONDA (II)
44
RECTIFICADORES DE PRECISIÓN Media onda. Parte
positiva
UE
R2


-
t
R1
-

UE
UE


-
US
-
-
t
R2
UE
R1


-
t
-

UE

US

-
US


-
t
45
RECTIFICADORES DE PRECISIÓN Doble onda. Salida
positiva
UE
Rectificador de media onda, seguido de un sumador


-
t
UE


-
t
R1
R2
R1
R1
-
-

R1
UE



-
R1
US
-
46
DETECTORES DE PICO
VERSIÓN CON DIODO
UE
US


UE
C
RL
US
-
-
t
Debemos tener en cuenta el error introducido por
el diodo
DETECTOR DE PICO ACTIVO


UE
Se anula el error introducido por el diodo
-
-

C
RL
US
-
47
EJEMPLO
VE
VS
Tratamiento Analógico
Señal AM (Débil, antena)
Altavoz (Señal Fuerte)
Antena
Eliminar nivel de continua
Captura de pico
Amplificador de potencia
Pre-Amp.