http://www.huarpe.com/electronica/diferenciales/analisis1.html
OSIRIS A. CAICEDO S. CRF
martes, 16 de febrero de 2010
lunes, 15 de febrero de 2010
APLICACIONES TÉCNICAS DE INTEGRACIÓN [5]
La tecnología de Transistores de Efecto de Campo de PD. se ha desarrollado hasta tal punto, que se han fabricado en laboratorios de investigación de circuitos completos de PD. El rendimiento de estos circuitos esta determinado por la repetibilidad de las características del dispositivo activo y por la flexibilidad del diseño del circuito. El mayor rendimiento se obtiene diseñando para comformar amplias variaciones en las características del dispositivo y permitir una selección y ajuste de componentes en la disposición del circuito. La confiabilidad proyectada de los circuitos de PD es una de sus mayores ventajas. Esto se logra haciendo mínimo el numero de soldaduras o interconexiones soldadas, y en un circuito de PD completo, los únicos terminales conectados al sustrato son aquellos necesarios para conexiones externas. En un ensayo de laboratorio se han hecho trabajar continuamente por mas de 5000 horas 3 transistores de efecto de campo de PD, solos e incluidos en circuitos. El único cambio apreciable fue una desviación negativa de 10% en el nivel de referencia durante las primeras 50 horas. La resistencia a la radiación es otra ventaja importante de la tecnología de PD. Los TEC han sido expuestos a flujos integrados nucleares excediendo los 1016 neutrones cm2 y 2x1010 ergios/gr.(ºC), de radiación gamma. El único efecto fue una variación del 10% en el punto de polarización de la referencia, lo cual podría ser similar al efecto de envejecimiento hallado en los tres transistores de prueba. Estos resultados promisorios indican que la resistencia a la radiación es por lo menos, un orden de magnitud mejor que la de los transistores de juntura.
8.1- Integración y Secuencia de Deposición para el Amplificador Diferencial
El circuito de un Amplificador Diferencial es difícil de fabricar en forma microelectrónica, debido a los controles necesarios para producir dispositivos activos con características similares sin posibilidad de selección. Los TEC (FET) de PD se forman por sucesivas deposiciones en vacío de los electrodos fuente-drenaje, la capa semiconductora, la de aislamiento de la compuerta, y finalmente la compuerta. La disposición se muestra en sección transversal en la figura 8.1.
Figura Nº 8.1
Las características de un TEC, con los electrodos fuente-drenaje de 0,013 mm de ancho y 2,5 mm de longitud, a una corriente de drenaje ID de aproximadamente de 1 mA son:
Trasconductancia: gm = 500 – 2000 mhoms
Resistencia de drenaje: rd = 200 KΩ - 1 MΩ
Ganancia de Tensión: μ = gm . rd = 100 – 2000
El Amplificador Diferencial que se observa esquemáticamente en la figura 8.2(b) usa dispositivos activos; Q1 y Q2 como cargas para aumentar la ganancia. Q5 sirve como fuente de corriente para mejorar la relación de rechazo de modo común. Por lo tanto las resistencias de drenaje. rd de los dispositivos sirven como resistores de carga Rc y resistores de cátodo RK. Utilizando las ecuaciones simplificadas del amplificador diferencial, que son validas para RK (μ + 1) >> rd, la ganancia de tensión de salida simple A es:
()()()dentsalsalrRcRceeeA+=−=.2.212μ
Para este circuito Amplificador Diferencial: RK = rd = Rc En consecuencia para este circuito,
A = μ / 4 = 25 – 500.
La cifra de merito del amplificador diferencial es la relación de rechazo de modo común. Esta relación define la capacidad del amplificador para diferenciar entre señales de entrada de valores diferentes y señales de entrada de valores iguales. La relación de rechazo de modo común es: - gm. RK
()551dKKrRR++=μ
RK5 = 0 ;; rd5 = 200 KΩ a 1 MΩ
La relación de rechazo es por lo tanto 100 – 2000. Otras tres consideraciones en el diseño de este amplificador diferencial son:
** Los dispositivos activos de entrada de señal deben ser similares. Hay una gran probabilidad que la trasconductancia y las resistencias de drenaje de los TEC, sobre un sustrato pequeño, sean similares pero probablemente los puntos de polarización de los dispositivos de entrada tendrán que ajustarse externamente para equilibrar el amplificador. La dispersión en las características de los dispositivos, mencionadas anteriormente que causan una amplia variación en los parámetros del circuito, deberían producirse usualmente de sustrato a sustrato mas que entre dispositivos sobre un mismo sustrato. Esto exige clasificar los circuitos individuales por sus especificaciones características.
Tecnología Microelectrónica Pagina 2 Aplicaciones Técnicas de Integración Sección 8
** El uso de dispositivos activos como resistores de carga, para incrementar la ganancia hace que la estabilidad en los puntos de trabajo de cada uno de los dispositivos de carga, sea un parámetro critico. En la actualidad para lograr estabilidad ante cambios en las condiciones ambientales y largos periodos de trabajo estas cargas activas deben sustituirse por cargas resistivas, disminuyendo la ganancia del amplificador.
** Cualquier diferencia entre los factores de amplificación de los dispositivos amplificadores apareados, empeora la relación de rechazo de modo común.
8.1.1- Efectos Geométricos en la Disposición del Circuito.
En el diseño de la disposición deben considerarse las tolerancias de los resistores y capacitores, la disipación de potencia, los coeficientes de temperatura y otros factores que dependen de la geometría de la película y de las técnicas de disposición. Tanto en la formación de dispositivos activos como de componentes pasivos sobre un mismo sustrato, se vuelven sumamente importantes factores adicionales tale como la secuencia de deposición. La disposición del amplificador mostrado en la figura 8.1 ocupa 323 mm2. Los dispositivos activos se depositan en pares redundantes mostrados en sección transversal en la figura 8.1 lo cual permite una selección del mejor dispositivo para llevar al máximo rendimiento del circuito. Los resistores de polarización pueden ajustarse sobre mas de un 50% de su valor para compensar las variaciones en los puntos de dolarización de los dispositivos activos, mediante apertura de pasos en las redes de cortocircuitos de resistores. Todos los dispositivos activos tienen una configuración geométrica idéntica, elegida para adecuarse a los dispositivos experimentales utilizados en el laboratorio. Cuando deban producirse grandes cantidades de circuitos o cuando es de extrema importancia el tamaño, pueden elegirse otras configuraciones para adecuarse mejor al tamaño del sustrato y a la función del circuito. Los cambios de configuración no obstante afectaran el rendimiento inicial hasta que se desarrollen nuevos parámetros de deposición de dispositivos activos. En los circuitos que contienen dispositivos activos la secuencia de deposición del material tiene particular importancia. Las propiedades de la película semiconductora utilizada en los transistores de efecto de campo, se ven afectadas por las variaciones de temperatura del sustrato durante el proceso de formación. El orden de la deposición debe ser tal que puedan depositarse primero aquellas películas que requieran temperaturas de formación del sustrato más altas. Para los sustratos de deposición al vacío a presiones de 10-5 a 10-7 TORR, seguido del procedimiento de limpiado ultrasónico usual.
8.1.2- Secuencia de Deposición para el Amplificador Diferencial.
El circuito se forma con mascaras de molibdeno en 6 deposiciones y utilizando 4 materiales, cuyos parámetros figuran en la tabla. El primer material depositado es nicromo. Este forma las orejas o zonas base en las cuales se hacen las conexiones externas figura 8.2(a); los electrodos fuente-drenaje para los dispositivos activos y las orejas de terminación y redes de ajuste para los resistores. El nicrome se deposita primero debido a la elevada temperatura de sustrato que requiere para adherirse. Se utiliza este material porque forma una superficie de adherencia dura apropiada para realizar la soldadura con electrodo partido y porque es capaz de soportar las tensiones causadas por la disposición de película en varias capas. La segunda deposición es la del material semiconductor, Seleniuro de Cadmio, el cual se usa para las capas activas de los FET y también para los resistores de dolarización. El seleniuro de cadmio se deposita y recuece a 250ºC durante 2 minutos. A 250ºC la resistencia fuente-drenaje es de 0,5 a 1 MΩ a través de un espaciado entre electrodos fuente-drenaje de 0,013 mm de ancho y 2,54 mm de largo.
Se puede utilizar la película semiconductora para formar resistores eliminando así la necesidad de una deposición adicional. Este procedimiento es aceptable, debido a que la función de estos resistores es establecer puntos de trabajo apropiados para las fuentes de corriente mediante la correcta relación de resistencias. Los valores absolutos de los resistores y los coeficientes de temperatura
no son críticos. El tercer material que se deposita es el Monóxido de Silicio SiO, el cual forma una capa sobre el semiconductor. El valor de la resistencia fuente –drenaje cambia varios ordenes de magnitud durante la deposición, quedando su valor final a 25ºC entre 1 KΩ y 5 KΩ. Esto significa que la película de CdSe después de ser cubierta por la capa de SiO, tiene una resistividad
superficial que varia entre 200 KΩ y 1 MΩ por cuadro. Puesto que la impedancia de entrada de CC de la compuerta del transistor es mayor que 108 Ω, los resistores de polarización pueden tener una resistencia de entrada paralelo de hasta 107 Ω, sin degradar las características del transistor. El aluminio que se deposita luego, se utiliza como material conductor de interconexionado. este es
un material de baja resistencia, el cual aunque se deposite con bajas temperaturas de sustrato, presentara una adherencia confiable. Además se utiliza como electrodo de la compuerta de los dispositivos activos. El aluminio se deposita dos veces. Primero se depositan los electrodos de compuertas de los dispositivo y porciones de las redes de interconexión bajo los puntos de cruce.
Seguidamente se saca el sustrato del sistema de vacío y se miden las características del dispositivo. Aquellos sustratos que tienen dispositivos activos con valores aceptables de los parámetros se reinsertan en el sistema de vacío. El SiO y Al que se depositan luego, forman los puntos de cruce e interconexiones restantes. La operación final consiste en la aislamiento por corte de los dispositivos activos de los pares redundantes que no se utilicen. Las relaciones de resistores requeridas se obtiene mediante la apertura de pasos en redes de cortocircuito de resistores. Los materiales tratados aquí, pueden sustituirse con igual resultado por otros
Tecnología Microelectrónica Pagina 3 Aplicaciones Técnicas de Integración Sección 8
dieléctricos y materiales metálicos. Después del establecimiento de los parámetros de deposición requeridos, podrían
Figura Nº 8.2 Deposición del Sustrato para un Amplificador Diferencial en PD
Figura Nº 8.2(b) Esquema de Amplificador según Sustrato y la Deposición
Tecnología Microelectrónica Pagina 4 Aplicaciones Técnicas de Integración Sección 8
eliminarse los dispositivos redundantes y para producciones masivas seria innecesario, para examinar el sustrato, abrir la campana de vacío. El circuito de prueba del TEC funciono con una relación de rechazo de modo común mayor que 100 y una ganancia de 20.
Tabla de Materiales por Orden de Deposición par Circuitos de PD
Material
Temperatura del Sustrato
Velocidad de Evaporación
Espesor de la Película
(ºC)
Ángstrom por minuto
Ángstrom
1- Nicromo
200
2.000
2.000
2- Seleniuro de CadmioSeCd
200
10.000
8.000
3- Monóxido de Silicio SiO
50
2.000
1.400
4- Aluminio Al
50
2.000
1.000
8.2 ENCAPSULADO FUNCIONAL APLICADO AL DISEÑO DE UN COMPUTADOR [ 13 ]
El encapsulado se refiere al modo en que se montan físicamente los circuitos individuales en un sistema de trabajo. Para una computadora con CI, la primera consideración del encapsulado es como se conectan eléctricamente entre sí las pastillas ó chips individuales y de que forma se sujetan mecánicamente. Lo que constituye un problema en el encapsulado, son las restricciones sobre el numero de terminales de interconexiones que pueden agregarse a cada pastilla. Estas nuevas restricciones en CI, siempre hacen pensar en futuras computadoras del tamaño de una estampilla pero con un cable de entrada-salida de 15 cm de largo. A esto se asemejaran las próximas computadoras de CI.
Figura Nº 8.3 Sumador Binario Completo en un Chip (pastilla)
Figura Nº 8-4 Versión Mejorada de la Fig. 8-3
En la figura 8.3 se desarrollo dicha función con el menor numero de compuertas NO-Y. En la figura 8.4 tiene la misma cantidad de circuitos NO-Y pero menos cruces. Nótese que produce el complemento de la SUMA y no el valor verdadero.
Regla Empírica Nº 1. El aumento de la densidad del circuito sobre la pastilla, llevara a un correspondiente incremento en el numero de terminales entrada / salida I/O, hasta que la lógica sobre la pastilla alcance un nivel funcional. Luego a partir de allí disminuirá el numero de terminales.
La relación terminales a circuitos sobre la pastilla de la figura 1 si el diseñador hubiera dispuesto el circuito sobre 2 pastillas como en la figura 8.5. El numero de terminales por pastilla habría aumentado de 5 a 7 mientras que el numero de circuitos por pastilla habría disminuido de 8 a 4. Peor aun de haber puesto solo uno de los 3 circuitos de entrada de la figura 8.5 sobre una única pastilla, esta hubiera tenido 4 terminales y solamente un circuito. El ejemplo resulta obvio al representarlo gráficamente. Como se observa en la
Tecnología Microelectrónica Pagina 5 Aplicaciones Técnicas de Integración Sección 8
figura 8.6 , a medida que aumenta la densidad de circuitos por pastilla hay incrementos y caídas en forma de diente de sierra en la cantidad de terminales hasta alcanzar un nivel funcional. El ejemplo se repite con mayores incrementos en la densidad del circuito. A pesar del uso correcto de la regla Nº 1 el problema de la densidad de terminales o de interconexiones
seguirá siendo el factor critico.
Figura Nº 8.5 Sumador Completo en dos Pastillas
En la figura 8.5 el circuito de la figura 8.3 se redistribuyo en dos pastillas con cuatro circuitos cada una. Así se necesitara el triple de conexiones entrada-salida I/O.
Regla Empírica Nº 2. Las trayectorias de control tienden a tener relaciones terminal-circuito mas elevadas que las de datos. Tienden a extenderse mas, emitir y recibir señales de mas lugares que las trayectorias de datos. Dicho de otra manera para una relación dada de terminales a circuito, se puede como regla poner mas lógica de en camino de datos, que lógica de control sobre una pastilla. Aquí la relación terminales a circuitos es la misma pero la cantidad de lógica es diferente. Por supuesto hay muchas excepciones a estas reglas.
Regla Empírica Nº 3. Cuando se cruzan sobre una pastilla las trayectorias de control y de datos, los terminales adicionales necesarios para estas ultimas, pueden aumentar más rápido que los de las trayectorias de control encapsuladas. Un ejemplo de
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encapsulado funcional que confirma esta regla es el desplazador de 4 vías de la figura 8.7. Si el primer bit fuera encapsulado sobre una pastilla, requería 4 líneas de control y 5 de datos (4 de entrada y 1 de salida. Pero si el 1º y 2º bit estuvieran sobre la
pastilla,
Figura Nº 8.6 Conexiones VS. Densidad de Circuitos
Figura Nº 8.7 Cuando se Juntan las Rutas de Control y Datos Cada tipo de ruta se comporta de manera distinta ante incrementos en la complejidad de la pastilla. En este desplazador de 4 vías el numero de terminales de las trayectorias de datos se duplica por cada bit agregado, pero el numero de terminales de las trayectorias de control permanece igual. El propósito de este circuito es desplazar los bits desde cero a tres posiciones del registro a la izquierda.
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se necesitarían 7 líneas de datos, mientras que permanecería constante el numero de líneas de control; las conexiones de control para el primer bit sobre la pastilla se extenderían al 2º bit. De este modo se requieren para el primer bit de desplazamiento 9 terminales y 5 circuitos; para los dos primeros bits: 11 terminales y 10 circuitos; para los tres primeros: 13 terminales y 15 circuitos y así sucesivamente. El conocimiento de la regla Nº 3 ayudara al diseñador a sacar ventaja de situaciones similares a ésta, donde permanezca baja la densidad terminal-control.
Regla Empírica Nº 4. La codificación de la señal seguida por descodificación de circuitos de control sobre pastilla, puede disminuir los terminales de entrada. Si se hubiera utilizado codificación en las trayectorias de control, los 4 terminales de control que se ven en la figura 8.7 se podría haber reducido a 2; pero habría sido necesario agregar dos circuitos sobre la pastilla como en la figura 8.8,
Tecnología Microelectrónica Pagina 7 Aplicaciones Técnicas de Integración Sección 8
para decodificar las señales de control. Esta regla se usa generalmente solo con los caminos de control puesto que los de datos están codificados como para lograr un almacenamiento de datos económico. Al codificar líneas el diseñador encontrara algunas veces que los niveles lógicos agregados tienden a hacer más lenta su computadora, de modo que la codificación debería hacerse con cuidado. Este es un ejemplo del problema general con que se encontraran los diseñadores al comienzo de su trabajo en este campo. Las consideraciones de encapsulado están en contra de los beneficios que se derivan de un gran incremento en la densidad.
Figura Nº 8.8 Sumando Circuitos sobre la Pastilla para ahorrar conexiones. Sise codificara la señal de control, el desplazador de la figura 8.7 necesitaría solo dos entradas de desplazamiento en lugar de 4. Deben sumarse a la pastilla 2 inversores para decodificar las señales.
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Regla Empírica Nº 5. Frecuentemente los intentos para obtener mayores incrementos de densidad, llevaran a aumentos tanto en el numero de circuitos sobre una pastilla, como en el numero de niveles lógicos requeridos. Hay varias razones para esto. Un ejemplo es la codificación de líneas consecuencia de las limitaciones de terminales, tal como se menciono anteriormente. La figura 8.8 ilustra lo que ocurre para el desplazador en una pastilla, cuando se necesita codificar las líneas de control debido a una limitación del numero de terminales a 7. Para ahorrar los dos terminales necesarios, se suman al total dos circuitos y tal vez un nivel lógico. En la figura 8.9 se da otro ejemplo donde se inserta un inversor en el camino de datos de los bits de memoria para ahorrar un terminal en el modulo de disparo. El diagrama se dispuso para acentuar el hecho que el complemento del dato esta disponible, convenientemente en los bits de memoria. Sin embargo el complemento se crea nuevamente sobre la pastilla mediante el inversor adicional para ahorrar un terminal. Se puede agregar ciertos refinamientos como transporte rápido para elevar la velocidad del sumador, desplazamiento paralelo en lugar de serie y registros apilados para separar la memoria o dispositivos de entrada-salida.
Figura Nº 8.9 Otro Ejemplo para Ahorrar una Conexión
Aquí a pesar que esta disponible y próximo el complemento del dato, el diseñador decide ahorrar ahorrar un terminal de conexión produciendo de nuevo el complemento sobre la pastilla, mediante la adición de un circuito inversor. El modulo de disparo que se muestra aquí como una pastilla individual, podría ser parte de una pastilla mayor.
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El diseñador de CI debe recurrir a encapsulados funcionales. Tendrá que elaborar tantas interconexiones de bloques de circuitos como sea posible de tal suerte que se reduzca al mínimo él numero de terminales. En la figura 8.10 se ilustra lo inevitable del encapsulado funcional para pastillas monolíticas. La pastilla A restringida a 10 terminales, puede incorporar tres circuitos de uso general. Si se ponen mas circuitos sobre la pastilla sin exceder la limitación de 10 terminales y sin restricciones en la utilización de los circuitos, la única alternativa consiste en utilizar interconexiones funcionales como en la pastilla B. El fabricante de dispositivos que haga
Tecnología Microelectrónica Pagina 8 Aplicaciones Técnicas de Integración Sección 8
pastillas (chips) funcionales dealta densidad como sumadores binarios completos, dos Y, manejando una O con un inversor, un flip-flop ó un registro de posición. En las computadoras actuales hay muy pocas combinaciones lógicas de niveles de funcionales que se
usen de modo repetido en forma suficiente como para justificar que se hagan en forma integrada.
http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/08-APLICACIONES%20TECNICAS%20DE%20INTEGRACION.pdf
Danny Camperos
CRF
La tecnología de Transistores de Efecto de Campo de PD. se ha desarrollado hasta tal punto, que se han fabricado en laboratorios de investigación de circuitos completos de PD. El rendimiento de estos circuitos esta determinado por la repetibilidad de las características del dispositivo activo y por la flexibilidad del diseño del circuito. El mayor rendimiento se obtiene diseñando para comformar amplias variaciones en las características del dispositivo y permitir una selección y ajuste de componentes en la disposición del circuito. La confiabilidad proyectada de los circuitos de PD es una de sus mayores ventajas. Esto se logra haciendo mínimo el numero de soldaduras o interconexiones soldadas, y en un circuito de PD completo, los únicos terminales conectados al sustrato son aquellos necesarios para conexiones externas. En un ensayo de laboratorio se han hecho trabajar continuamente por mas de 5000 horas 3 transistores de efecto de campo de PD, solos e incluidos en circuitos. El único cambio apreciable fue una desviación negativa de 10% en el nivel de referencia durante las primeras 50 horas. La resistencia a la radiación es otra ventaja importante de la tecnología de PD. Los TEC han sido expuestos a flujos integrados nucleares excediendo los 1016 neutrones cm2 y 2x1010 ergios/gr.(ºC), de radiación gamma. El único efecto fue una variación del 10% en el punto de polarización de la referencia, lo cual podría ser similar al efecto de envejecimiento hallado en los tres transistores de prueba. Estos resultados promisorios indican que la resistencia a la radiación es por lo menos, un orden de magnitud mejor que la de los transistores de juntura.
8.1- Integración y Secuencia de Deposición para el Amplificador Diferencial
El circuito de un Amplificador Diferencial es difícil de fabricar en forma microelectrónica, debido a los controles necesarios para producir dispositivos activos con características similares sin posibilidad de selección. Los TEC (FET) de PD se forman por sucesivas deposiciones en vacío de los electrodos fuente-drenaje, la capa semiconductora, la de aislamiento de la compuerta, y finalmente la compuerta. La disposición se muestra en sección transversal en la figura 8.1.
Figura Nº 8.1
Las características de un TEC, con los electrodos fuente-drenaje de 0,013 mm de ancho y 2,5 mm de longitud, a una corriente de drenaje ID de aproximadamente de 1 mA son:
Trasconductancia: gm = 500 – 2000 mhoms
Resistencia de drenaje: rd = 200 KΩ - 1 MΩ
Ganancia de Tensión: μ = gm . rd = 100 – 2000
El Amplificador Diferencial que se observa esquemáticamente en la figura 8.2(b) usa dispositivos activos; Q1 y Q2 como cargas para aumentar la ganancia. Q5 sirve como fuente de corriente para mejorar la relación de rechazo de modo común. Por lo tanto las resistencias de drenaje. rd de los dispositivos sirven como resistores de carga Rc y resistores de cátodo RK. Utilizando las ecuaciones simplificadas del amplificador diferencial, que son validas para RK (μ + 1) >> rd, la ganancia de tensión de salida simple A es:
()()()dentsalsalrRcRceeeA+=−=.2.212μ
Para este circuito Amplificador Diferencial: RK = rd = Rc En consecuencia para este circuito,
A = μ / 4 = 25 – 500.
La cifra de merito del amplificador diferencial es la relación de rechazo de modo común. Esta relación define la capacidad del amplificador para diferenciar entre señales de entrada de valores diferentes y señales de entrada de valores iguales. La relación de rechazo de modo común es: - gm. RK
()551dKKrRR++=μ
RK5 = 0 ;; rd5 = 200 KΩ a 1 MΩ
La relación de rechazo es por lo tanto 100 – 2000. Otras tres consideraciones en el diseño de este amplificador diferencial son:
** Los dispositivos activos de entrada de señal deben ser similares. Hay una gran probabilidad que la trasconductancia y las resistencias de drenaje de los TEC, sobre un sustrato pequeño, sean similares pero probablemente los puntos de polarización de los dispositivos de entrada tendrán que ajustarse externamente para equilibrar el amplificador. La dispersión en las características de los dispositivos, mencionadas anteriormente que causan una amplia variación en los parámetros del circuito, deberían producirse usualmente de sustrato a sustrato mas que entre dispositivos sobre un mismo sustrato. Esto exige clasificar los circuitos individuales por sus especificaciones características.
Tecnología Microelectrónica Pagina 2 Aplicaciones Técnicas de Integración Sección 8
** El uso de dispositivos activos como resistores de carga, para incrementar la ganancia hace que la estabilidad en los puntos de trabajo de cada uno de los dispositivos de carga, sea un parámetro critico. En la actualidad para lograr estabilidad ante cambios en las condiciones ambientales y largos periodos de trabajo estas cargas activas deben sustituirse por cargas resistivas, disminuyendo la ganancia del amplificador.
** Cualquier diferencia entre los factores de amplificación de los dispositivos amplificadores apareados, empeora la relación de rechazo de modo común.
8.1.1- Efectos Geométricos en la Disposición del Circuito.
En el diseño de la disposición deben considerarse las tolerancias de los resistores y capacitores, la disipación de potencia, los coeficientes de temperatura y otros factores que dependen de la geometría de la película y de las técnicas de disposición. Tanto en la formación de dispositivos activos como de componentes pasivos sobre un mismo sustrato, se vuelven sumamente importantes factores adicionales tale como la secuencia de deposición. La disposición del amplificador mostrado en la figura 8.1 ocupa 323 mm2. Los dispositivos activos se depositan en pares redundantes mostrados en sección transversal en la figura 8.1 lo cual permite una selección del mejor dispositivo para llevar al máximo rendimiento del circuito. Los resistores de polarización pueden ajustarse sobre mas de un 50% de su valor para compensar las variaciones en los puntos de dolarización de los dispositivos activos, mediante apertura de pasos en las redes de cortocircuitos de resistores. Todos los dispositivos activos tienen una configuración geométrica idéntica, elegida para adecuarse a los dispositivos experimentales utilizados en el laboratorio. Cuando deban producirse grandes cantidades de circuitos o cuando es de extrema importancia el tamaño, pueden elegirse otras configuraciones para adecuarse mejor al tamaño del sustrato y a la función del circuito. Los cambios de configuración no obstante afectaran el rendimiento inicial hasta que se desarrollen nuevos parámetros de deposición de dispositivos activos. En los circuitos que contienen dispositivos activos la secuencia de deposición del material tiene particular importancia. Las propiedades de la película semiconductora utilizada en los transistores de efecto de campo, se ven afectadas por las variaciones de temperatura del sustrato durante el proceso de formación. El orden de la deposición debe ser tal que puedan depositarse primero aquellas películas que requieran temperaturas de formación del sustrato más altas. Para los sustratos de deposición al vacío a presiones de 10-5 a 10-7 TORR, seguido del procedimiento de limpiado ultrasónico usual.
8.1.2- Secuencia de Deposición para el Amplificador Diferencial.
El circuito se forma con mascaras de molibdeno en 6 deposiciones y utilizando 4 materiales, cuyos parámetros figuran en la tabla. El primer material depositado es nicromo. Este forma las orejas o zonas base en las cuales se hacen las conexiones externas figura 8.2(a); los electrodos fuente-drenaje para los dispositivos activos y las orejas de terminación y redes de ajuste para los resistores. El nicrome se deposita primero debido a la elevada temperatura de sustrato que requiere para adherirse. Se utiliza este material porque forma una superficie de adherencia dura apropiada para realizar la soldadura con electrodo partido y porque es capaz de soportar las tensiones causadas por la disposición de película en varias capas. La segunda deposición es la del material semiconductor, Seleniuro de Cadmio, el cual se usa para las capas activas de los FET y también para los resistores de dolarización. El seleniuro de cadmio se deposita y recuece a 250ºC durante 2 minutos. A 250ºC la resistencia fuente-drenaje es de 0,5 a 1 MΩ a través de un espaciado entre electrodos fuente-drenaje de 0,013 mm de ancho y 2,54 mm de largo.
Se puede utilizar la película semiconductora para formar resistores eliminando así la necesidad de una deposición adicional. Este procedimiento es aceptable, debido a que la función de estos resistores es establecer puntos de trabajo apropiados para las fuentes de corriente mediante la correcta relación de resistencias. Los valores absolutos de los resistores y los coeficientes de temperatura
no son críticos. El tercer material que se deposita es el Monóxido de Silicio SiO, el cual forma una capa sobre el semiconductor. El valor de la resistencia fuente –drenaje cambia varios ordenes de magnitud durante la deposición, quedando su valor final a 25ºC entre 1 KΩ y 5 KΩ. Esto significa que la película de CdSe después de ser cubierta por la capa de SiO, tiene una resistividad
superficial que varia entre 200 KΩ y 1 MΩ por cuadro. Puesto que la impedancia de entrada de CC de la compuerta del transistor es mayor que 108 Ω, los resistores de polarización pueden tener una resistencia de entrada paralelo de hasta 107 Ω, sin degradar las características del transistor. El aluminio que se deposita luego, se utiliza como material conductor de interconexionado. este es
un material de baja resistencia, el cual aunque se deposite con bajas temperaturas de sustrato, presentara una adherencia confiable. Además se utiliza como electrodo de la compuerta de los dispositivos activos. El aluminio se deposita dos veces. Primero se depositan los electrodos de compuertas de los dispositivo y porciones de las redes de interconexión bajo los puntos de cruce.
Seguidamente se saca el sustrato del sistema de vacío y se miden las características del dispositivo. Aquellos sustratos que tienen dispositivos activos con valores aceptables de los parámetros se reinsertan en el sistema de vacío. El SiO y Al que se depositan luego, forman los puntos de cruce e interconexiones restantes. La operación final consiste en la aislamiento por corte de los dispositivos activos de los pares redundantes que no se utilicen. Las relaciones de resistores requeridas se obtiene mediante la apertura de pasos en redes de cortocircuito de resistores. Los materiales tratados aquí, pueden sustituirse con igual resultado por otros
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dieléctricos y materiales metálicos. Después del establecimiento de los parámetros de deposición requeridos, podrían
Figura Nº 8.2 Deposición del Sustrato para un Amplificador Diferencial en PD
Figura Nº 8.2(b) Esquema de Amplificador según Sustrato y la Deposición
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eliminarse los dispositivos redundantes y para producciones masivas seria innecesario, para examinar el sustrato, abrir la campana de vacío. El circuito de prueba del TEC funciono con una relación de rechazo de modo común mayor que 100 y una ganancia de 20.
Tabla de Materiales por Orden de Deposición par Circuitos de PD
Material
Temperatura del Sustrato
Velocidad de Evaporación
Espesor de la Película
(ºC)
Ángstrom por minuto
Ángstrom
1- Nicromo
200
2.000
2.000
2- Seleniuro de CadmioSeCd
200
10.000
8.000
3- Monóxido de Silicio SiO
50
2.000
1.400
4- Aluminio Al
50
2.000
1.000
8.2 ENCAPSULADO FUNCIONAL APLICADO AL DISEÑO DE UN COMPUTADOR [ 13 ]
El encapsulado se refiere al modo en que se montan físicamente los circuitos individuales en un sistema de trabajo. Para una computadora con CI, la primera consideración del encapsulado es como se conectan eléctricamente entre sí las pastillas ó chips individuales y de que forma se sujetan mecánicamente. Lo que constituye un problema en el encapsulado, son las restricciones sobre el numero de terminales de interconexiones que pueden agregarse a cada pastilla. Estas nuevas restricciones en CI, siempre hacen pensar en futuras computadoras del tamaño de una estampilla pero con un cable de entrada-salida de 15 cm de largo. A esto se asemejaran las próximas computadoras de CI.
Figura Nº 8.3 Sumador Binario Completo en un Chip (pastilla)
Figura Nº 8-4 Versión Mejorada de la Fig. 8-3
En la figura 8.3 se desarrollo dicha función con el menor numero de compuertas NO-Y. En la figura 8.4 tiene la misma cantidad de circuitos NO-Y pero menos cruces. Nótese que produce el complemento de la SUMA y no el valor verdadero.
Regla Empírica Nº 1. El aumento de la densidad del circuito sobre la pastilla, llevara a un correspondiente incremento en el numero de terminales entrada / salida I/O, hasta que la lógica sobre la pastilla alcance un nivel funcional. Luego a partir de allí disminuirá el numero de terminales.
La relación terminales a circuitos sobre la pastilla de la figura 1 si el diseñador hubiera dispuesto el circuito sobre 2 pastillas como en la figura 8.5. El numero de terminales por pastilla habría aumentado de 5 a 7 mientras que el numero de circuitos por pastilla habría disminuido de 8 a 4. Peor aun de haber puesto solo uno de los 3 circuitos de entrada de la figura 8.5 sobre una única pastilla, esta hubiera tenido 4 terminales y solamente un circuito. El ejemplo resulta obvio al representarlo gráficamente. Como se observa en la
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figura 8.6 , a medida que aumenta la densidad de circuitos por pastilla hay incrementos y caídas en forma de diente de sierra en la cantidad de terminales hasta alcanzar un nivel funcional. El ejemplo se repite con mayores incrementos en la densidad del circuito. A pesar del uso correcto de la regla Nº 1 el problema de la densidad de terminales o de interconexiones
seguirá siendo el factor critico.
Figura Nº 8.5 Sumador Completo en dos Pastillas
En la figura 8.5 el circuito de la figura 8.3 se redistribuyo en dos pastillas con cuatro circuitos cada una. Así se necesitara el triple de conexiones entrada-salida I/O.
Regla Empírica Nº 2. Las trayectorias de control tienden a tener relaciones terminal-circuito mas elevadas que las de datos. Tienden a extenderse mas, emitir y recibir señales de mas lugares que las trayectorias de datos. Dicho de otra manera para una relación dada de terminales a circuito, se puede como regla poner mas lógica de en camino de datos, que lógica de control sobre una pastilla. Aquí la relación terminales a circuitos es la misma pero la cantidad de lógica es diferente. Por supuesto hay muchas excepciones a estas reglas.
Regla Empírica Nº 3. Cuando se cruzan sobre una pastilla las trayectorias de control y de datos, los terminales adicionales necesarios para estas ultimas, pueden aumentar más rápido que los de las trayectorias de control encapsuladas. Un ejemplo de
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encapsulado funcional que confirma esta regla es el desplazador de 4 vías de la figura 8.7. Si el primer bit fuera encapsulado sobre una pastilla, requería 4 líneas de control y 5 de datos (4 de entrada y 1 de salida. Pero si el 1º y 2º bit estuvieran sobre la
pastilla,
Figura Nº 8.6 Conexiones VS. Densidad de Circuitos
Figura Nº 8.7 Cuando se Juntan las Rutas de Control y Datos Cada tipo de ruta se comporta de manera distinta ante incrementos en la complejidad de la pastilla. En este desplazador de 4 vías el numero de terminales de las trayectorias de datos se duplica por cada bit agregado, pero el numero de terminales de las trayectorias de control permanece igual. El propósito de este circuito es desplazar los bits desde cero a tres posiciones del registro a la izquierda.
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se necesitarían 7 líneas de datos, mientras que permanecería constante el numero de líneas de control; las conexiones de control para el primer bit sobre la pastilla se extenderían al 2º bit. De este modo se requieren para el primer bit de desplazamiento 9 terminales y 5 circuitos; para los dos primeros bits: 11 terminales y 10 circuitos; para los tres primeros: 13 terminales y 15 circuitos y así sucesivamente. El conocimiento de la regla Nº 3 ayudara al diseñador a sacar ventaja de situaciones similares a ésta, donde permanezca baja la densidad terminal-control.
Regla Empírica Nº 4. La codificación de la señal seguida por descodificación de circuitos de control sobre pastilla, puede disminuir los terminales de entrada. Si se hubiera utilizado codificación en las trayectorias de control, los 4 terminales de control que se ven en la figura 8.7 se podría haber reducido a 2; pero habría sido necesario agregar dos circuitos sobre la pastilla como en la figura 8.8,
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para decodificar las señales de control. Esta regla se usa generalmente solo con los caminos de control puesto que los de datos están codificados como para lograr un almacenamiento de datos económico. Al codificar líneas el diseñador encontrara algunas veces que los niveles lógicos agregados tienden a hacer más lenta su computadora, de modo que la codificación debería hacerse con cuidado. Este es un ejemplo del problema general con que se encontraran los diseñadores al comienzo de su trabajo en este campo. Las consideraciones de encapsulado están en contra de los beneficios que se derivan de un gran incremento en la densidad.
Figura Nº 8.8 Sumando Circuitos sobre la Pastilla para ahorrar conexiones. Sise codificara la señal de control, el desplazador de la figura 8.7 necesitaría solo dos entradas de desplazamiento en lugar de 4. Deben sumarse a la pastilla 2 inversores para decodificar las señales.
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Regla Empírica Nº 5. Frecuentemente los intentos para obtener mayores incrementos de densidad, llevaran a aumentos tanto en el numero de circuitos sobre una pastilla, como en el numero de niveles lógicos requeridos. Hay varias razones para esto. Un ejemplo es la codificación de líneas consecuencia de las limitaciones de terminales, tal como se menciono anteriormente. La figura 8.8 ilustra lo que ocurre para el desplazador en una pastilla, cuando se necesita codificar las líneas de control debido a una limitación del numero de terminales a 7. Para ahorrar los dos terminales necesarios, se suman al total dos circuitos y tal vez un nivel lógico. En la figura 8.9 se da otro ejemplo donde se inserta un inversor en el camino de datos de los bits de memoria para ahorrar un terminal en el modulo de disparo. El diagrama se dispuso para acentuar el hecho que el complemento del dato esta disponible, convenientemente en los bits de memoria. Sin embargo el complemento se crea nuevamente sobre la pastilla mediante el inversor adicional para ahorrar un terminal. Se puede agregar ciertos refinamientos como transporte rápido para elevar la velocidad del sumador, desplazamiento paralelo en lugar de serie y registros apilados para separar la memoria o dispositivos de entrada-salida.
Figura Nº 8.9 Otro Ejemplo para Ahorrar una Conexión
Aquí a pesar que esta disponible y próximo el complemento del dato, el diseñador decide ahorrar ahorrar un terminal de conexión produciendo de nuevo el complemento sobre la pastilla, mediante la adición de un circuito inversor. El modulo de disparo que se muestra aquí como una pastilla individual, podría ser parte de una pastilla mayor.
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El diseñador de CI debe recurrir a encapsulados funcionales. Tendrá que elaborar tantas interconexiones de bloques de circuitos como sea posible de tal suerte que se reduzca al mínimo él numero de terminales. En la figura 8.10 se ilustra lo inevitable del encapsulado funcional para pastillas monolíticas. La pastilla A restringida a 10 terminales, puede incorporar tres circuitos de uso general. Si se ponen mas circuitos sobre la pastilla sin exceder la limitación de 10 terminales y sin restricciones en la utilización de los circuitos, la única alternativa consiste en utilizar interconexiones funcionales como en la pastilla B. El fabricante de dispositivos que haga
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pastillas (chips) funcionales dealta densidad como sumadores binarios completos, dos Y, manejando una O con un inversor, un flip-flop ó un registro de posición. En las computadoras actuales hay muy pocas combinaciones lógicas de niveles de funcionales que se
usen de modo repetido en forma suficiente como para justificar que se hagan en forma integrada.
http://www.edutecne.utn.edu.ar/microelectronica/08-APLICACIONES%20TECNICAS%20DE%20INTEGRACION.pdf
Danny Camperos
CRF
La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre otros. Esta información puede consistir en voz o música como en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números u otros datos en un ordenador o computadora.
Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel que se pueda utilizar; el generar ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo la recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación); el control, como en el caso de introducir una señal de sonido a ondas de radio (modulación), y operaciones lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar en las computadoras.
Antecedentes históricos
La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío pudieron amplificarse las señales de radio y de sonido débiles, y además podían superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella.
Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un coste, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones.
Componentes electrónicos
Los circuitos electrónicos constan de componentes electrónicos interconectados. Estos ponentes se clasifican en dos categorías: activos o pasivos. Entre los pasivos se incluyen las resistencias, los condensadores y las bobinas. Los considerados activos incluyen las baterías (o pilas), los generadores, los tubos de vacío y los transistores.
Tubos de vacío
Un tubo de vacío consiste en una cápsula de vidrio de la que se ha extraído el aire, y que lleva en su interior varios electrodos metálicos. Un tubo sencillo de dos elementos (diodo) está formado por un cátodo y un ánodo, este último conectado al terminal positivo de una fuente de alimentación. El cátodo (un pequeño tubo metálico que se calienta mediante un filamento) libera electrones que migran hacia él (un cilindro metálico en torno al cátodo, también llamado placa). Si se aplica una tensión alterna al ánodo, los electrones sólo fluirán hacia el ánodo durante el semiciclo positivo; durante el ciclo negativo de la tensión alterna, el ánodo repele los electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a través del tubo. Los diodos conectados de tal manera que sólo permiten los semiciclos positivos de una corriente alterna (CA) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la conversión de corriente alterna a corriente continua (CC) .Al insertar una rejilla, formada por un hilo metálico en espiral, entre el cátodo y el ánodo, y aplicando una tensión negativa a dicha rejilla, es posible controlar el flujo de electrones. Si la rejilla es negativa, los repele y sólo una pequeña fracción de los electrones emitidos por el cátodo pueden llegar al ánodo. Este tipo de tubo, denominado triodo, puede utilizarse como amplificador. Las pequeñas variaciones de la tensión que se producen en la rejilla, como las generadas por una señal de radio o de sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo y, en consecuencia, en el sistema de circuitos conectado al ánodo.
Transistores
Los transistores se componen de semiconductores. Se trata de materiales, como el silicio o el germanio, dopados (s decir, se les han incrustado pequeñas cantidades de materias extrañas con reacciones químicas), de manera que se produce una abundancia o unacarencia de electrones libres. En el primer caso, se dice que el semiconductor es del tipo n, y en el segundo que es del tipo p. Combinando materiales del tipo n y del tipo p puede producirse un diodo. Cuando éste se conecta a una batería de manera tal que el material tipo p es positivo y el material tipo n es negativo, los electrones son repelidos desde el terminal negativo de la batería y pasan, sin ningún obstáculo, a la región p, que carece de electrones. Con la batería invertida, los electrones que llegan al material p pueden pasar sólo con muchas dificultades hacia el material n, que ya está lleno de electrones libres, en cuyo caso la corriente es casi cero.
El transistor bipolar fue inventado en 1948 para sustituir al tubo de vacío triodo. Está formado por tres capas de material dopado, que forman dos uniones pn (bipolares) con configuraciones pnp o npn. Una unión está conectada a la batería para permitir el flujo de corriente (polarización negativa frontal, o polarización directa), y la otra está conectada a una batería en sentido contrario (polarización inversa). Si se varía la corriente en la unión de polarización directa mediante la adición de una señal, la corriente de la unión de polarización inversa del transistor variará en consecuencia. El principio puede utilizarse para construir amplificadores en los que una pequeña señal aplicada a la unión de polarización directa provocará un gran cambio en la corriente de la unión de polarización inversa.
Otro tipo de transistor es el de efecto de campo (FET, acrónimo inglés de Field-Effect Transistor), que funciona sobre la base del principio de repulsión o de atracción de cargas debido a la superposición de un campo eléctrico. La amplificación de la corriente se consigue de manera similar al empleado en el control de rejilla de un tubo de vacío. Los transistores de efecto de campo funcionan de forma más eficaz que los bipolares, ya que es posible controlar una señal grande con una cantidad de energía muy pequeña.
Circuitos integrados
La mayoría de los circuitos integrados son pequeños trozos, o chips, de silicio, de entre 2 y 4 mm2, sobre los que se fabrican los transistores. La fotolitografía permite al diseñador crear centenares de miles de transistores en un solo chip situando de forma adecuada las numerosas regiones tipo n y p. Durante la fabricación, estas regiones son interconectadas mediante conductores minúsculos, a fin de producir circuitos especializados complejos. Estos circuitos integrados son llamados monolíticos por estar fabricados sobre un único cristal de silicio. Los chips requieren mucho menos espacio y potencia, y su fabricación es más barata que la de un circuito equivalente compuesto por transistores individuales.
Jack Kilby
Inventor del circuito integrado
Resistencias
Al conectar una batería a un material conductor, una determinada cantidad de corriente fluirá a través de dicho material. Esta corriente depende de la tensión de la batería, de las dimensiones de la muestra y de la conductividad del propio material. Las resistencia se emplean para controlar la corriente en los circuitos electrónicos. Se elaboran con mezclas de carbono, láminas metálicas o hilo de resistencia, y disponen de dos cables de conexión. A las resistencias variables se le llaman reóstatos o potenciometros, con un brazo de contacto deslizante y ajustable, suelen utilizarse para controlar el volumen de radios y televisiones.
Condensadores
Los condensadores están formados por dos placas metálicas separadas por un material aislante. Si se conecta una batería a ambas placas, durante un breve tiempo fluirá una corriente eléctrica que se acumulará en cada una de ellas. Si se desconecta la batería, el condensador conserva la carga y la tensión asociada a la misma. Las tensiones rápidamente cambiantes, como las provocadas por una señal de sonido o de radio, generan mayores flujos de corriente hacia y desde las placas; entonces, el condensador actúa como conductor de la corriente alterna. Este efecto puede utilizarse, por ejemplo, para separar una señal de sonido o de radio de una corriente continua, a fin de conectar la salida de una fase de amplificación a la entrada de la siguiente.
Bobinas
Las bobinas (también llamadas inductores) consisten en un hilo conductor enrollado. Al pasar una corriente a través de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo magnético que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la corriente. Al igual que un condensador, una bobina puede utilizarse para diferenciar entre señales rápida y lentamente cambiantes (altas y bajas frecuencias). Al utilizar una bobina conjuntamente con un condensador, la tensión de la bobina alcanza un valor máximo a una frecuencia específica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este principio se emplea en los receptores de radio al seleccionar una frecuencia específica mediante un condensador variable.
Dispositivos de detección y transductores
La medición de magnitudes mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas se realiza empleando dispositivos denominados sensores y transductores. El sensor es sensible a los cambios de la magnitud a medir, como una temperatura, una posición o una concentración química. El transductor convierte estas mediciones en señales eléctricas, que pueden alimentar a instrumentos de lectura, registro o control de las magnitudes medidas. Los sensores y transductores pueden funcionar en ubicaciones alejadas del observador, así como en entornos inadecuados o impracticables para los seres humanos.
Algunos dispositivos actúan de forma simultánea como sensor y transductor. Un termopar consta de dos uniones de diferentes metales que generan una pequeña tensión que depende del diferencial término entre las uniones. El termistor es una resistencia especial, cuyo valor de resistencia varía según la temperatura. Un reóstato variable puede convertir el movimiento mecánico en señal eléctrica. Para medir distancias se emplean condensadores de diseño especial, y para detectar la luz se utilizan fotocélulas. Para medir velocidades, aceleración o flujos de líquidos se recurre a otro tipo de dispositivos. En la mayoría de los casos, la señal eléctrica es débil y debe ser amplificada por un circuito electrónico.
Circuitos electrónicos de uso frecuente
Circuitos de alimentación eléctrica (Fuentes)
La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de CC para su funcionamiento. Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes de alimentación internas que convierten la corriente alterna, que puede obtenerse de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de CC. El primer elemento de una fuente de alimentación de CC interna es el transformador, que eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el funcionamiento del equipo. La función secundaria del transformador es servir como aislamiento de masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles peligros de electrocución. A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele ser un diodo. En el pasado se utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de diferentes materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los rectificadores de baja potencia empleados en los equipos electrónicos. En la actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su bajo coste y alta fiabilidad.
Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de CC rectificada (percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que también consigue que las tensiones internas sean independientes de las fluctuaciones que puedan encontrarse en un artefacto eléctrico. Un sencillo regulador de tensión que se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un diodo de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una tensión predeterminada. Por encima de dicha tensión, se convierte en un conductor que deriva los excesos de tensión. Por lo general, los reguladores de tensión más sofisticados se construyen como circuitos integrados.
Circuitos amplificadores
Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores, hoy día suelen utilizarse circuitos de transistores discretos o circuitos integrados.
Amplificadores de sonido
Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisiones y grabadoras de cintas, suelen funcionar a frecuencias entre 2 y 20 kiloherz (1 kHz = 1.000 ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en sonido con un altavoz. Los amplificadores operativos, incorporados en circuitos integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos acoplados a la corriente continua, son muy populares como amplificadores de sonido.
Amplificadores de vídeo
Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de frecuencias de hasta 6 megaherz (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La señal generada por el amplificador se convierte en la información visual por ejemplo la que aparece en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con baja distorsión.
Amplificadores de radiofrecuencia
Estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones de radio o televisión. Por lo general, sus frecuencias van desde 100 kHz hasta 1 gigaherz (1 GHz = 1.000 millones de ciclos por segundo), y pueden llegar incluso al rango de frecuencias de microondas.
Osciladores
Los osciladores constan de un amplificador y de algún tipo de realimentación: la señal de salida se reconduce a la entrada del amplificador. Los elementos determinantes de la frecuencia pueden ser un circuito de inductancia-capacitancia sintonizado o un cristal vibrador. Los osciladores controlados por cristal ofrecen mayor precisión y estabilidad. Los osciladores se emplean para producir señales de sonido y de radio en una amplia variedad de usos. Por ejemplo, los osciladores sencillos de radiofrecuencia se emplean en los modernos teléfonos de teclas para transmitir datos a la estación telefónica central al marcar un número. Los tonos de sonido generados por los osciladores también pueden encontrarse en relojes despertadores, radios, instrumentos electrónicos, computadoras y sistemas de alarma. Los osciladores de alta frecuencia se emplean en equipos de comunicaciones para controlar las funciones de sintonización y detección de señales. Las emisoras de radio y de televisión utilizan osciladores de alta frecuencia y de gran precisión para generar las frecuencias de transmisión.
Circuitos Lógicos
Los circuitos de conmutación y temporización, o circuitos lógicos, forman la base de cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar señales de manera controlada. Entre los campos de aplicación de estos tipos de circuitos pueden mencionarse la conmutación telefónica, las transmisiones por satélite y el funcionamiento de las computadoras digitales.
La lógica digital es un proceso racional para adoptar sencillas decisiones de 'verdadero' o 'falso' basadas en las reglas del álgebra de Boole. El estado verdadero se representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos lógicos estos numerales aparecen como señales de dos tensiones diferentes. Los circuitos lógicos se utilizan para adoptar decisiones específicas de 'verdadero-falso' sobre la base de la presencia de múltiples señales 'verdadero-falso' en las entradas. Las señales se pueden generar por conmutadores mecánicos o por transductores de estado sólido. La señal de entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las señales eléctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los circuitos lógicos digitales. Las diversas familias de dispositivos lógicos digitales, por lo general circuitos integrados, ejecutan una variedad de funciones lógicas a través de las llamadas puertas lógicas, como las puertas OR, AND y NOT y combinaciones de las mismas (como 'NOR', que incluye a OR y a NOT). Otra familia lógica muy utilizada es la lógica transistor-transistor. También se emplea la lógica de semiconductor complementario de óxido metálico, que ejecuta funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. Existen también muchas otras variedades de circuitos lógicos, incluyendo la hoy obsoleta lógica reóstato-transistor y la lógica de acoplamiento por emisor, utilizada para sistemas de muy altas velocidades. En general, para ejecutar una determinada función es necesario conectar grandes cantidades de elementos lógicos en circuitos complejos. En algunos casos se utilizan microprocesadores para efectuar muchas de las funciones de conmutación y temporización de los elementos lógicos individuales. Los procesadores están específicamente programados con instrucciones individuales para ejecutar una determinada tarea o tareas. Una de las ventajas de los microprocesadores es que permiten realizar diferentes funciones lógicas, dependiendo de las instrucciones de programación almacenadas. La desventaja de los microprocesadores es que normalmente funcionan de manera secuencial, lo que podría resultar demasiado lento para algunas aplicaciones. En tales casos se emplean circuitos lógicos especialmente diseñados.
Avances recientes
El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los campos de las comunicaciones, la gestión de la información y la informática. Los circuitos integrados han permitido reducir el tamaño de los dispositivos con el consiguiente descenso de los costes de fabricación y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los relojes digitales, las computadoras portátiles y los juegos electrónicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro avance importante es la digitalización de las señales de sonido, proceso en el cual la frecuencia y la amplitud de una señal de sonido se codifica digitalmente mediante técnicas de muestreo adecuadas, es decir, técnicas para medir la amplitud de la señal a intervalos muy cortos. La música grabada de forma digital, como la de los discos compactos, se caracteriza por una fidelidad que no era posible alcanzar con los métodos de grabación directa.
La electrónica médica a llegado hasta a sistemas que pueden diferenciar aún más los órganos del cuerpo humano. Se han desarrollado asimismo dispositivos que permiten ver los vasos sanguíneos y el sistema respiratorio. También la alta definición promete sustituir a numerosos procesos fotográficos al eliminar la necesidad de utilizar plata.
La investigación actual dirigida a aumentar la velocidad y capacidad de las computadoras se centra sobre todo en la mejora de la tecnología de los circuitos integrados y en el desarrollo de componentes de conmutación aún más rápidos. Se han construido circuitos integrados a gran escala que contienen varios centenares de miles de componentes en un solo chip. Han llegado a fabricarse computadoras que alcanzan altísimas velocidades en las cuales los semiconductores son reemplazados por circuitos superconductores que utilizan las uniones de Josephson y que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto.
http://www.electricasas.com/que-es-la-electronica/
Danny Camperos
CRF
Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel que se pueda utilizar; el generar ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo la recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación); el control, como en el caso de introducir una señal de sonido a ondas de radio (modulación), y operaciones lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar en las computadoras.
Antecedentes históricos
La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío pudieron amplificarse las señales de radio y de sonido débiles, y además podían superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella.
Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un coste, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones.
Componentes electrónicos
Los circuitos electrónicos constan de componentes electrónicos interconectados. Estos ponentes se clasifican en dos categorías: activos o pasivos. Entre los pasivos se incluyen las resistencias, los condensadores y las bobinas. Los considerados activos incluyen las baterías (o pilas), los generadores, los tubos de vacío y los transistores.
Tubos de vacío
Un tubo de vacío consiste en una cápsula de vidrio de la que se ha extraído el aire, y que lleva en su interior varios electrodos metálicos. Un tubo sencillo de dos elementos (diodo) está formado por un cátodo y un ánodo, este último conectado al terminal positivo de una fuente de alimentación. El cátodo (un pequeño tubo metálico que se calienta mediante un filamento) libera electrones que migran hacia él (un cilindro metálico en torno al cátodo, también llamado placa). Si se aplica una tensión alterna al ánodo, los electrones sólo fluirán hacia el ánodo durante el semiciclo positivo; durante el ciclo negativo de la tensión alterna, el ánodo repele los electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a través del tubo. Los diodos conectados de tal manera que sólo permiten los semiciclos positivos de una corriente alterna (CA) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la conversión de corriente alterna a corriente continua (CC) .Al insertar una rejilla, formada por un hilo metálico en espiral, entre el cátodo y el ánodo, y aplicando una tensión negativa a dicha rejilla, es posible controlar el flujo de electrones. Si la rejilla es negativa, los repele y sólo una pequeña fracción de los electrones emitidos por el cátodo pueden llegar al ánodo. Este tipo de tubo, denominado triodo, puede utilizarse como amplificador. Las pequeñas variaciones de la tensión que se producen en la rejilla, como las generadas por una señal de radio o de sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo y, en consecuencia, en el sistema de circuitos conectado al ánodo.
Transistores
Los transistores se componen de semiconductores. Se trata de materiales, como el silicio o el germanio, dopados (s decir, se les han incrustado pequeñas cantidades de materias extrañas con reacciones químicas), de manera que se produce una abundancia o unacarencia de electrones libres. En el primer caso, se dice que el semiconductor es del tipo n, y en el segundo que es del tipo p. Combinando materiales del tipo n y del tipo p puede producirse un diodo. Cuando éste se conecta a una batería de manera tal que el material tipo p es positivo y el material tipo n es negativo, los electrones son repelidos desde el terminal negativo de la batería y pasan, sin ningún obstáculo, a la región p, que carece de electrones. Con la batería invertida, los electrones que llegan al material p pueden pasar sólo con muchas dificultades hacia el material n, que ya está lleno de electrones libres, en cuyo caso la corriente es casi cero.
El transistor bipolar fue inventado en 1948 para sustituir al tubo de vacío triodo. Está formado por tres capas de material dopado, que forman dos uniones pn (bipolares) con configuraciones pnp o npn. Una unión está conectada a la batería para permitir el flujo de corriente (polarización negativa frontal, o polarización directa), y la otra está conectada a una batería en sentido contrario (polarización inversa). Si se varía la corriente en la unión de polarización directa mediante la adición de una señal, la corriente de la unión de polarización inversa del transistor variará en consecuencia. El principio puede utilizarse para construir amplificadores en los que una pequeña señal aplicada a la unión de polarización directa provocará un gran cambio en la corriente de la unión de polarización inversa.
Otro tipo de transistor es el de efecto de campo (FET, acrónimo inglés de Field-Effect Transistor), que funciona sobre la base del principio de repulsión o de atracción de cargas debido a la superposición de un campo eléctrico. La amplificación de la corriente se consigue de manera similar al empleado en el control de rejilla de un tubo de vacío. Los transistores de efecto de campo funcionan de forma más eficaz que los bipolares, ya que es posible controlar una señal grande con una cantidad de energía muy pequeña.
Circuitos integrados
La mayoría de los circuitos integrados son pequeños trozos, o chips, de silicio, de entre 2 y 4 mm2, sobre los que se fabrican los transistores. La fotolitografía permite al diseñador crear centenares de miles de transistores en un solo chip situando de forma adecuada las numerosas regiones tipo n y p. Durante la fabricación, estas regiones son interconectadas mediante conductores minúsculos, a fin de producir circuitos especializados complejos. Estos circuitos integrados son llamados monolíticos por estar fabricados sobre un único cristal de silicio. Los chips requieren mucho menos espacio y potencia, y su fabricación es más barata que la de un circuito equivalente compuesto por transistores individuales.
Jack Kilby
Inventor del circuito integrado
Resistencias
Al conectar una batería a un material conductor, una determinada cantidad de corriente fluirá a través de dicho material. Esta corriente depende de la tensión de la batería, de las dimensiones de la muestra y de la conductividad del propio material. Las resistencia se emplean para controlar la corriente en los circuitos electrónicos. Se elaboran con mezclas de carbono, láminas metálicas o hilo de resistencia, y disponen de dos cables de conexión. A las resistencias variables se le llaman reóstatos o potenciometros, con un brazo de contacto deslizante y ajustable, suelen utilizarse para controlar el volumen de radios y televisiones.
Condensadores
Los condensadores están formados por dos placas metálicas separadas por un material aislante. Si se conecta una batería a ambas placas, durante un breve tiempo fluirá una corriente eléctrica que se acumulará en cada una de ellas. Si se desconecta la batería, el condensador conserva la carga y la tensión asociada a la misma. Las tensiones rápidamente cambiantes, como las provocadas por una señal de sonido o de radio, generan mayores flujos de corriente hacia y desde las placas; entonces, el condensador actúa como conductor de la corriente alterna. Este efecto puede utilizarse, por ejemplo, para separar una señal de sonido o de radio de una corriente continua, a fin de conectar la salida de una fase de amplificación a la entrada de la siguiente.
Bobinas
Las bobinas (también llamadas inductores) consisten en un hilo conductor enrollado. Al pasar una corriente a través de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo magnético que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la corriente. Al igual que un condensador, una bobina puede utilizarse para diferenciar entre señales rápida y lentamente cambiantes (altas y bajas frecuencias). Al utilizar una bobina conjuntamente con un condensador, la tensión de la bobina alcanza un valor máximo a una frecuencia específica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este principio se emplea en los receptores de radio al seleccionar una frecuencia específica mediante un condensador variable.
La medición de magnitudes mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas se realiza empleando dispositivos denominados sensores y transductores. El sensor es sensible a los cambios de la magnitud a medir, como una temperatura, una posición o una concentración química. El transductor convierte estas mediciones en señales eléctricas, que pueden alimentar a instrumentos de lectura, registro o control de las magnitudes medidas. Los sensores y transductores pueden funcionar en ubicaciones alejadas del observador, así como en entornos inadecuados o impracticables para los seres humanos.
Algunos dispositivos actúan de forma simultánea como sensor y transductor. Un termopar consta de dos uniones de diferentes metales que generan una pequeña tensión que depende del diferencial término entre las uniones. El termistor es una resistencia especial, cuyo valor de resistencia varía según la temperatura. Un reóstato variable puede convertir el movimiento mecánico en señal eléctrica. Para medir distancias se emplean condensadores de diseño especial, y para detectar la luz se utilizan fotocélulas. Para medir velocidades, aceleración o flujos de líquidos se recurre a otro tipo de dispositivos. En la mayoría de los casos, la señal eléctrica es débil y debe ser amplificada por un circuito electrónico.
Circuitos electrónicos de uso frecuente
Circuitos de alimentación eléctrica (Fuentes)
La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de CC para su funcionamiento. Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes de alimentación internas que convierten la corriente alterna, que puede obtenerse de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de CC. El primer elemento de una fuente de alimentación de CC interna es el transformador, que eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el funcionamiento del equipo. La función secundaria del transformador es servir como aislamiento de masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles peligros de electrocución. A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele ser un diodo. En el pasado se utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de diferentes materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los rectificadores de baja potencia empleados en los equipos electrónicos. En la actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su bajo coste y alta fiabilidad.
Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de CC rectificada (percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que también consigue que las tensiones internas sean independientes de las fluctuaciones que puedan encontrarse en un artefacto eléctrico. Un sencillo regulador de tensión que se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un diodo de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una tensión predeterminada. Por encima de dicha tensión, se convierte en un conductor que deriva los excesos de tensión. Por lo general, los reguladores de tensión más sofisticados se construyen como circuitos integrados.
Circuitos amplificadores
Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores, hoy día suelen utilizarse circuitos de transistores discretos o circuitos integrados.
Amplificadores de sonido
Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisiones y grabadoras de cintas, suelen funcionar a frecuencias entre 2 y 20 kiloherz (1 kHz = 1.000 ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en sonido con un altavoz. Los amplificadores operativos, incorporados en circuitos integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos acoplados a la corriente continua, son muy populares como amplificadores de sonido.
Amplificadores de vídeo
Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de frecuencias de hasta 6 megaherz (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La señal generada por el amplificador se convierte en la información visual por ejemplo la que aparece en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con baja distorsión.
Amplificadores de radiofrecuencia
Estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones de radio o televisión. Por lo general, sus frecuencias van desde 100 kHz hasta 1 gigaherz (1 GHz = 1.000 millones de ciclos por segundo), y pueden llegar incluso al rango de frecuencias de microondas.
Los osciladores constan de un amplificador y de algún tipo de realimentación: la señal de salida se reconduce a la entrada del amplificador. Los elementos determinantes de la frecuencia pueden ser un circuito de inductancia-capacitancia sintonizado o un cristal vibrador. Los osciladores controlados por cristal ofrecen mayor precisión y estabilidad. Los osciladores se emplean para producir señales de sonido y de radio en una amplia variedad de usos. Por ejemplo, los osciladores sencillos de radiofrecuencia se emplean en los modernos teléfonos de teclas para transmitir datos a la estación telefónica central al marcar un número. Los tonos de sonido generados por los osciladores también pueden encontrarse en relojes despertadores, radios, instrumentos electrónicos, computadoras y sistemas de alarma. Los osciladores de alta frecuencia se emplean en equipos de comunicaciones para controlar las funciones de sintonización y detección de señales. Las emisoras de radio y de televisión utilizan osciladores de alta frecuencia y de gran precisión para generar las frecuencias de transmisión.
Circuitos Lógicos
Los circuitos de conmutación y temporización, o circuitos lógicos, forman la base de cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar señales de manera controlada. Entre los campos de aplicación de estos tipos de circuitos pueden mencionarse la conmutación telefónica, las transmisiones por satélite y el funcionamiento de las computadoras digitales.
La lógica digital es un proceso racional para adoptar sencillas decisiones de 'verdadero' o 'falso' basadas en las reglas del álgebra de Boole. El estado verdadero se representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos lógicos estos numerales aparecen como señales de dos tensiones diferentes. Los circuitos lógicos se utilizan para adoptar decisiones específicas de 'verdadero-falso' sobre la base de la presencia de múltiples señales 'verdadero-falso' en las entradas. Las señales se pueden generar por conmutadores mecánicos o por transductores de estado sólido. La señal de entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las señales eléctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los circuitos lógicos digitales. Las diversas familias de dispositivos lógicos digitales, por lo general circuitos integrados, ejecutan una variedad de funciones lógicas a través de las llamadas puertas lógicas, como las puertas OR, AND y NOT y combinaciones de las mismas (como 'NOR', que incluye a OR y a NOT). Otra familia lógica muy utilizada es la lógica transistor-transistor. También se emplea la lógica de semiconductor complementario de óxido metálico, que ejecuta funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. Existen también muchas otras variedades de circuitos lógicos, incluyendo la hoy obsoleta lógica reóstato-transistor y la lógica de acoplamiento por emisor, utilizada para sistemas de muy altas velocidades. En general, para ejecutar una determinada función es necesario conectar grandes cantidades de elementos lógicos en circuitos complejos. En algunos casos se utilizan microprocesadores para efectuar muchas de las funciones de conmutación y temporización de los elementos lógicos individuales. Los procesadores están específicamente programados con instrucciones individuales para ejecutar una determinada tarea o tareas. Una de las ventajas de los microprocesadores es que permiten realizar diferentes funciones lógicas, dependiendo de las instrucciones de programación almacenadas. La desventaja de los microprocesadores es que normalmente funcionan de manera secuencial, lo que podría resultar demasiado lento para algunas aplicaciones. En tales casos se emplean circuitos lógicos especialmente diseñados.
Avances recientes
El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los campos de las comunicaciones, la gestión de la información y la informática. Los circuitos integrados han permitido reducir el tamaño de los dispositivos con el consiguiente descenso de los costes de fabricación y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los relojes digitales, las computadoras portátiles y los juegos electrónicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro avance importante es la digitalización de las señales de sonido, proceso en el cual la frecuencia y la amplitud de una señal de sonido se codifica digitalmente mediante técnicas de muestreo adecuadas, es decir, técnicas para medir la amplitud de la señal a intervalos muy cortos. La música grabada de forma digital, como la de los discos compactos, se caracteriza por una fidelidad que no era posible alcanzar con los métodos de grabación directa.
La electrónica médica a llegado hasta a sistemas que pueden diferenciar aún más los órganos del cuerpo humano. Se han desarrollado asimismo dispositivos que permiten ver los vasos sanguíneos y el sistema respiratorio. También la alta definición promete sustituir a numerosos procesos fotográficos al eliminar la necesidad de utilizar plata.
La investigación actual dirigida a aumentar la velocidad y capacidad de las computadoras se centra sobre todo en la mejora de la tecnología de los circuitos integrados y en el desarrollo de componentes de conmutación aún más rápidos. Se han construido circuitos integrados a gran escala que contienen varios centenares de miles de componentes en un solo chip. Han llegado a fabricarse computadoras que alcanzan altísimas velocidades en las cuales los semiconductores son reemplazados por circuitos superconductores que utilizan las uniones de Josephson y que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto.
http://www.electricasas.com/que-es-la-electronica/
Danny Camperos
CRF
Analog Devices presenta el ADC SAR de 4 canales
y 16-Bit más rápido de la industria
Con un bajo coste el AD7655 ofrece alta velocidad y eficacia
para aplicaciones que requieren multiplexación y varios canales de conversión
El AD7655 es el miembro más reciente de
la familia PulSAR de convertidores analógicos
digitales(ADCs) de aproximaciones
sucesivas(SAR) y altas prestaciones de
Analog Devices. Con un bajo coste, el
AD7655 ofrece 4 canales de 16-bit y una
alta velocidad de conversión, todo en un
encapsulado LQFP o LFCSP de bajo perfil
y 48-pines. Usado principalmente en aplicaciones
multi-canal que requieren multiplexación
y demandan eficacia, pequeño
encapsulado, y bajo coste, la combinación
de todas estas especificaciones garantiza lo
que hasta ahora era inalcanzable a este
coste: 4 canales de entrada, velocidad de
muestreo de 1MSPS, 86dB SNR a
100KHz, alimentación única, y un rango
de entrada de 0-5V. Dos amplificadores
track-and-hold de bajo ruido y gran ancho
de banda, cada uno precedido por un multiplexor
de dos canales, garantizan la posibilidad
de un muestreo simultáneo. El
AD7655 presenta circuitos de corrección
de error, reloj de conversión interno e
interface serie y paralelo. Para aplicaciones
de bajo consumo, existe un modo de consumo
reducido(impulse).
Características
• ADC de 4 canales con 16-bit de resolución
• 2 Amplificadores Track-and-Hold
• Velocidad:
1MSPS(Modo Normal)
888 KSPS(Modo Impulso)
• Rango de tensión de entrada: 0 a 5V
• Sin retardo de pipeline
• Interface serie y paralelo a 5V/3V
• Compatible SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP
• Única alimentación a 5V
• Disipación de potencia
120mW típico
2.6mW @ 10KSPS
• Encapsulado: LQFP 48-pines o LCSP de
48-pines
• Pin-to-Pin compatible con el AD7654
• Bajo coste
Aplicaciones
Sin retardo de pipeline este ADC de la
familia PulSAR está indicado para aplicaciones
que requieren adquisición de datos
multi-canal , y bucles de control de latencia
cero en control de procesos industriales,
sistemas de medida y de control de
motores. El rango de temperatura es de
–40 a +85ºC.
Nuevos ADCs serie de 8/10/12 bit con la mejor
combinación velocidad/potencia y amplia funcionalidad
Analog Devices acaba de introducir una
nueva familia con más de 25 ADCs de
aproximaciones sucesivas(SAR) con interface
serie y resoluciones de 8-/10-/12-bit
para complementar su portfolio de convertidores
líderes en la Industria. Los ADCs
serie de las familias AD7090x/1x/2x y
AD744x/5x ofrecen a los diseñadores
múltiples alternativas en el número de
canales (1, 4, 8 y 16), velocidades de
muestreo (100 KSPS a 1 MSPS), y tipos
de entrada (común, completamente diferencial
y pseudo-diferencial).
Las versiones de un solo canal están disponibles
en encapsulados SOT-23 y SC-
70. El encapsulado SC-70 es el más
pequeño disponible para ADCs en todo el
mundo, aproximadamente la mitad de
tamaño de un SOT-23. ADI ofrece ADCs
pin-to-pin compatibles con resoluciones
de 8-bit a 16-bit en SOT-23. Entre las distintas
aplicaciones de esta familia:
Industrial e instrumentación; comunicaciones;
control de procesos; automoción;
medicina; y adquisición de datos de propósito
general. El rango de temperatura es
industrial desde –40ºC a +85ºC.
ADCs SIGMA-DELTA de 24-bit y alta precisión
para aplicaciones que requieren multiplexación
AFEs (Analog front ends) con distintas opciones en los canales de entrada
para aplicaciones que requieren alta precisión en la medida
en una gran variedad de aplicaciones que
incluyen controladores lógicos programables,
sistemas de control distribuidos, control
de procesos, e instrumentación médica
e industrial.
El AD7738 permite hasta 8 KHz de velocidad
de conmutación entre canales , la más
rápida de la industria para una arquitectura
Sigma-Delta. Entre las características
clave comunes a estos convertidores tenemos:
0.0015% de no linealidad, velocidades
de conversión programables hasta
12 KHz, interface serie (SPI, QSPI,
MICROWIRE y DSP-compatible) y única
alimentación ( alimentación analógica de
+5V y alimentación digital de +3 o +5V).
Los AD7732 y AD7734 proporcionan
rangos unipolares y bipolares de entrada de
+/– 10 V, +/– 5 V, 0 a 10 V y 0 a 5 V, mientras
que el AD7738 ofrece rangos de entrada
de +/– 2.5 V, +/– 1.25 V, +/– 0.625 V, 0
a 1.25 V y 0 a 0.625 V. Además, el AD7732
y el AD7734 proporcionan verdadera resolución
pico-a-pico de 16-bit con tiempo
de conversión de 500 microsegundos. Los
AD7732/34/38 están disponibles en encapsulado
TSSOP de 28-pines con rango de
temperatura industrial desde –40ºC a
+105ºC.
Una nueva familia de convertidores analógicos-
digitales Sigma-Delta de 24-bit para
aplicaciones multiplexadas que requieren
una alta resolución está ya disponible en
Analog Devices. Los AFEs de alta precisión
AD7732( 2 entradas completamente
diferenciales), AD7734( 4 entradas en
modo común) y AD7738 (4 entradas diferenciales/
8 entradas en modo común) estan
indicados para señales de baja frecuencia
http://www.arrowiberia.com/arrow/arrowd/ad28/pag_2_4.pdf
Danny Camperos
CRF
y 16-Bit más rápido de la industria
Con un bajo coste el AD7655 ofrece alta velocidad y eficacia
para aplicaciones que requieren multiplexación y varios canales de conversión
El AD7655 es el miembro más reciente de
la familia PulSAR de convertidores analógicos
digitales(ADCs) de aproximaciones
sucesivas(SAR) y altas prestaciones de
Analog Devices. Con un bajo coste, el
AD7655 ofrece 4 canales de 16-bit y una
alta velocidad de conversión, todo en un
encapsulado LQFP o LFCSP de bajo perfil
y 48-pines. Usado principalmente en aplicaciones
multi-canal que requieren multiplexación
y demandan eficacia, pequeño
encapsulado, y bajo coste, la combinación
de todas estas especificaciones garantiza lo
que hasta ahora era inalcanzable a este
coste: 4 canales de entrada, velocidad de
muestreo de 1MSPS, 86dB SNR a
100KHz, alimentación única, y un rango
de entrada de 0-5V. Dos amplificadores
track-and-hold de bajo ruido y gran ancho
de banda, cada uno precedido por un multiplexor
de dos canales, garantizan la posibilidad
de un muestreo simultáneo. El
AD7655 presenta circuitos de corrección
de error, reloj de conversión interno e
interface serie y paralelo. Para aplicaciones
de bajo consumo, existe un modo de consumo
reducido(impulse).
Características
• ADC de 4 canales con 16-bit de resolución
• 2 Amplificadores Track-and-Hold
• Velocidad:
1MSPS(Modo Normal)
888 KSPS(Modo Impulso)
• Rango de tensión de entrada: 0 a 5V
• Sin retardo de pipeline
• Interface serie y paralelo a 5V/3V
• Compatible SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP
• Única alimentación a 5V
• Disipación de potencia
120mW típico
2.6mW @ 10KSPS
• Encapsulado: LQFP 48-pines o LCSP de
48-pines
• Pin-to-Pin compatible con el AD7654
• Bajo coste
Aplicaciones
Sin retardo de pipeline este ADC de la
familia PulSAR está indicado para aplicaciones
que requieren adquisición de datos
multi-canal , y bucles de control de latencia
cero en control de procesos industriales,
sistemas de medida y de control de
motores. El rango de temperatura es de
–40 a +85ºC.
Nuevos ADCs serie de 8/10/12 bit con la mejor
combinación velocidad/potencia y amplia funcionalidad
Analog Devices acaba de introducir una
nueva familia con más de 25 ADCs de
aproximaciones sucesivas(SAR) con interface
serie y resoluciones de 8-/10-/12-bit
para complementar su portfolio de convertidores
líderes en la Industria. Los ADCs
serie de las familias AD7090x/1x/2x y
AD744x/5x ofrecen a los diseñadores
múltiples alternativas en el número de
canales (1, 4, 8 y 16), velocidades de
muestreo (100 KSPS a 1 MSPS), y tipos
de entrada (común, completamente diferencial
y pseudo-diferencial).
Las versiones de un solo canal están disponibles
en encapsulados SOT-23 y SC-
70. El encapsulado SC-70 es el más
pequeño disponible para ADCs en todo el
mundo, aproximadamente la mitad de
tamaño de un SOT-23. ADI ofrece ADCs
pin-to-pin compatibles con resoluciones
de 8-bit a 16-bit en SOT-23. Entre las distintas
aplicaciones de esta familia:
Industrial e instrumentación; comunicaciones;
control de procesos; automoción;
medicina; y adquisición de datos de propósito
general. El rango de temperatura es
industrial desde –40ºC a +85ºC.
ADCs SIGMA-DELTA de 24-bit y alta precisión
para aplicaciones que requieren multiplexación
AFEs (Analog front ends) con distintas opciones en los canales de entrada
para aplicaciones que requieren alta precisión en la medida
en una gran variedad de aplicaciones que
incluyen controladores lógicos programables,
sistemas de control distribuidos, control
de procesos, e instrumentación médica
e industrial.
El AD7738 permite hasta 8 KHz de velocidad
de conmutación entre canales , la más
rápida de la industria para una arquitectura
Sigma-Delta. Entre las características
clave comunes a estos convertidores tenemos:
0.0015% de no linealidad, velocidades
de conversión programables hasta
12 KHz, interface serie (SPI, QSPI,
MICROWIRE y DSP-compatible) y única
alimentación ( alimentación analógica de
+5V y alimentación digital de +3 o +5V).
Los AD7732 y AD7734 proporcionan
rangos unipolares y bipolares de entrada de
+/– 10 V, +/– 5 V, 0 a 10 V y 0 a 5 V, mientras
que el AD7738 ofrece rangos de entrada
de +/– 2.5 V, +/– 1.25 V, +/– 0.625 V, 0
a 1.25 V y 0 a 0.625 V. Además, el AD7732
y el AD7734 proporcionan verdadera resolución
pico-a-pico de 16-bit con tiempo
de conversión de 500 microsegundos. Los
AD7732/34/38 están disponibles en encapsulado
TSSOP de 28-pines con rango de
temperatura industrial desde –40ºC a
+105ºC.
Una nueva familia de convertidores analógicos-
digitales Sigma-Delta de 24-bit para
aplicaciones multiplexadas que requieren
una alta resolución está ya disponible en
Analog Devices. Los AFEs de alta precisión
AD7732( 2 entradas completamente
diferenciales), AD7734( 4 entradas en
modo común) y AD7738 (4 entradas diferenciales/
8 entradas en modo común) estan
indicados para señales de baja frecuencia
http://www.arrowiberia.com/arrow/arrowd/ad28/pag_2_4.pdfDanny Camperos
CRF
En este capítulo se van a exponer los circuitos lineales más típicos construidos con AO y en los que se aplica exclusivamente realimentación negativa. En todos los casos vamos a emplearemos el modelo de amplificador idealizado.
La exposición de los circuitos en este espacio es una simple repetición, simplificada, de lo que figura en multitud de libros de texto. Su tratamiento aquí tiene como objetivo enfrentarse al análisis y el diseño de los circuitos con realimentación negativa. No olvidemos el consejo que se dio al respecto en el capítulo anterior
RESTADOR DE DOS ENTRADAS.
Se trata de un circuito que recibe dos señales, una de ellas afecta a la entrada V(+) y la otra a V(-), así que una de ellas ejerce en la salida el efecto contrario al de la otra, lo que hace suponer en buena lógica que se trata de un restador.
Las dos resistencias, iguales, conectadas con la entrada V(+) hacen que en ésta aparezca la mitad de la tensión v1, y la realimentación negativa procura que también en la entrada V(+) aparezca el mismo valor:
La ecuación del nudo en la entrada V(-) permite ver que:
Este circuito ofrece detalles interesantes:
En primer lugar, observar que para conseguir una resta limpia (que justo vo=v1-v2) es imprescindible que todas las resistencias sean exactamente iguales. Dejamos para hacer como ejercicio en clase la obtención de una expresión en la que figuren las cuatro resistencias con sus valores respectivos R1, R2, R3 y R4 (está resuelto en el capítulo Inductancia virtual de esta misma página), y la correspondiente discusión al respecto.
Por otro lado también conviene fijarse en la impedancia que ve la línea que aporta la señal v2, pues hay un detalle digno de observar. Sabemos que el concepto impedancia de entrada (zi) tiene por objeto aportar la información necesaria para poder predecir de qué manera se verá alterada la tensión y la corriente en el lugar en donde se calcula ésta. En nuestro caso, para decidir el valor de la impedancia que encuentra v2 podemos caer en la tentación de aplicar cualquiera de los métodos clásicos, por ejemplo aplicar a las dos entradas una tensión neutra (cero Voltios) y medir la resistencia entre ese punto y masa empleando uno cualquiera de los medios conocidos. Por ejemplo, pongamos a potencial cero la entrada v1 y midamos la impedancia de la otra entrada.
De esta manera, decidiríamos que la impedancia "vista con los ojos" de v2, coincide con el valor de la resistencia R. Este proceder lo toman como válido para este circuito muchos libros de texto, y hay quien, tomando este detalle como soporte lo acepta sin más. Sin embargo debemos reparar en que la tensión en el terminal V(-) con el que se encuentra conectada la resistencia R cambia en función del nivel de tensión que presente la entrada v1. Admitir en estas condiciones el valor R como impedancia de entrada es tan descabellado como aceptar un cambio de 9,5 € por acción del BBV porque es el precio objetivo que estima el BCU, aunque en el parqué se estén cotizando a 10,8 € ¡Y una leche!. Para dilucidar dudas pongamos el siguiente ejemplo:
Nuestros amigos, con los que acabamos de discutir sobre este aspecto, y que se empeñan en no darnos la razón, hacen la siguiente valoración:
La impedancia que ve v1 es 2R (en esto no cabe discusión), y la que ve v2 es R (aquí es donde se equivocan).
Si eso fuera verdad, les pediremos que conecten dos fuentes a las entradas, y que se avengan al teorema de la máxima transferencia de energía, cuidando por tanto que las impedancias internas de las fuentes de señal valgan respectivamente 2RW y RW.
De esta forma la tensión que ellos deben de considerar para los puntos v1 y v2 será justo la mitad de vi1 y vi2, y, por ejemplo para los valores:
Ellos vendrán a nosotros con este resultado, y les responderemos otra vez con ¡Y una leche! porque nuestro análisis, muy sencillo de llevar a cabo, dice algo muy distinto. En primer lugar fijamos el valor de la tensión en la línea V(+):
Esta es la tensión que tendremos también en el punto V(-), y con la ecuación de su nudo llegamos a este resultado, indiscutible además porque hemos decidido montar el circuito, y que sean las medidas realizadas en el laboratorio las que emitan la única Verdad.
Era evidente el fracaso en el pronóstico de nuestros amigos que, dicho sea de paso, en el calor de la discusión por casi nos atizan con el libro en donde se admitía como válida la impedancia que ellos calculaban. Si Thévenin hubiera tenido el mismo éxito con su teorema, aviada estaría la ingeniería eléctrica.
SUMADOR.
La configuración del amplificador inversor que vimos en el capítulo anterior da mucho juego. En la figura tenemos un sumador inversor. Hay una pequeña película sobre él aquí.
Para su análisis partimos de que en la entrada V(-) la tensión virtual es cero, y formulando la ecuación del nudo:
No dejar pasar desapercibido que el signo de la tensión de salida es negativo.
Si los valores de todas las resistencias fueran iguales, la tensión de salida sería igual a la suma de todas las entradas:
De ahí el nombre sumador. Como es posible asignar pesos diferentes a cada entrada, podemos hacer que cada una de ellas represente la cifra de un número, compuesto por varias, tantas como entradas, cada una con el rango que le corresponde. Por ejemplo, si el número fuera de tres cifras y decimal:
La relación entre resistencias contiguas debería ser 10:
Y el circuito, suponiendo que hemos decidido un valor de 100kW para R:
Hemos conseguido un circuito que recibe un número de tres cifras y responde mostrando una tensión proporcional a éste. ¿Utilidad de esto?. Veamos:
La música que está grabada en un CD (con las imágenes esencialmente es lo mismo) consiste en una constante secuencia de números binarios de 16 cifras. En reproducción, mientras gira el CD los números son leídos y enviados, a una velocidad de 44.000 por segundo, a un circuito sumador muy similar al de la figura.
Los números digitales son binarios, y aunque tenemos mucho que decir sobre ellos en la sección correspondiente a electrónica Digital, ahora debemos advertir que sus cifras solo pueden valer CERO y UNO (Es, entre otras cosas, una manera de hacer completamente universal la información contenida en el soporte). Es evidente que las cifras de un número binario como este duplican su peso a medida que se va elevando su rango, y por eso el circuito sumador que hemos dispuesto tiene las resistencias de cada entrada escalonadas en relación dos a uno.
Si intercalamos un amplificador entre la salida de este sumador y un altavoz, escucharemos los sonidos que generaron la información que se grabó en el disco. A esta operación se le llama conversión Digital/Analógica (D/A), y la producción de circuitos construidos a escala masiva y capaces de llevarla a cabo con rapidez y precisión ha supuesto el gran revuelo de la electrónica. ¿Porqué?. Básicamente, porque toda la información que se haya convertido en números, aunque sean binarios, puede ser almacenada, transmitida y acondicionada por infinidad de medios distintos, y puede sufrir transformaciones matemáticas de todo tipo de complejidad sin que su esencia se vea distorsionada ni siquiera en un infinitésimo. Una señal digital puede reproducirse exactamente igual que se generó, aunque haya sido creada a millones de kilómetros de distancia, pues si viajan, y los números llegan, aunque vengan "sucios o muy debilitados" siguen siendo los mismos números. Asimismo, los puntos que componen una fotografía pueden ser manipulados por algoritmos matemáticos para que ésta ocupe muy poco espacio. Además, si se dispone de la información de sus tres dimensiones (por ejemplo tres o cuatro vistas) es posible, también usando las matemáticas, reproducirla en cualquier posición, como si virtualmente hubiera estuviera así. En fin, tenemos a la vista las cosas que se están consiguiendo, y lo que vemos hoy no es más que la punta del iceberg (el personaje de un libro muy gracioso que acabo de leer suele decir la punta del nabo) de lo que nos queda por ver.
CONVERTIDOR CORRIENTE - TENSIÓN.
En electrónica a menudo es necesario contar con una tensión proporcional al valor de la corriente que circula a través de alguna sección de circuito. En la figura tenemos un montaje muy sencillo y eficaz.
Evidentemente contamos con que la corriente que absorbe la entrada V(-) es totalmente despreciable, lo que significa que nuestro circuito no serviría para medir corrientes del orden de nA, pero este caso no se da casi nunca. La ecuación del nudo en V(-):
Permite hacernos una idea de lo que se obtiene. Las condiciones en las que se mide la corriente son estrictas en el sentido de que no es una amperímetro flotante, como es de desear en casi todos los casos. Para hacernos una idea de sus limitaciones podemos echar un vistazo a esta aplicación.
CONVERTIDOR TENSIÓN CORRIENTE.
En el amplificador inversor, si se conecta la carga en el lugar de la resistencia R1 la corriente que fluye a su través resulta ser solamente dependiente de la tensión de entrada, y no del valor de la propia resistencia R1.
La ecuación del nudo en V(-) da:
Es una fuente de corriente que tiene sus limitaciones porque obliga a conectar la carga entre dos puntos concretos, y esto casi nunca es, ni práctico ni posible.
FUENTE DE CORRIENTE HOWLAND.
El inconveniente que presenta el circuito anterior se resuelve en parte con n circuito muy popular, la llamada fuente de corriente Howland.
Observamos dos realimentaciones, positiva y negativa, pues la salida tiene relación con las dos entradas. Para determinar con cuál de los dos tipos de realimentación hay que contar, debemos cerciorarnos sobre cuál de las dos es más enérgica, que dicho de otra forma, consiste en ver en qué entrada tiene mayor efecto la evolución de la tensión de salida vo. Debemos poner la entrada vi a un nivel de tensión conocido, y qué mejor al caso que masa:
- En la entrada V(-) tenemos la fracción:
- En la entrada V(+):
Un pequeño desarrollo de ambas expresiones demuestra que en cualquier caso siempre (por supuesto, a efectos de realimentación):
Salvo si alguna de las resistencias tuviera valor negativo, cosa que no puede ser. De esta manera decidimos que en el circuito existe realimentación negativa. Vamos a obtener la expresión para la tensión de salida vo, pero como no sabemos cuál es la tensión en ninguna de las dos entradas del AO, vamos a plantear las ecuaciones de los nudos en ambas. A la tensión que se presente en las entradas le llamamos v. Para la entrada V(-):
Y para la V(+):
Combinándolas obtenemos:
Como vemos, también para este circuito la corriente a través de RL solo depende de R y de la tensión de entrada, y no del valor de RL.
REFUERZO.
Al presentar el AO aseguramos que su impedancia de salida se podía considerar, en el modelo ideal cero, y en la práctica apenas de un centenar de Ohmios. También hemos advertido que solo podemos tomar esta afirmación al pie de la letra si al AO pretendemos demandarle como mucho un par de mA. ¿Y si necesitamos un circuito con las prestaciones del AO, pero que proporcione más corriente?. La respuesta es que podemos añadir a la salida componentes más robustos que gestionen la corriente que el AO no puede. Sirva como ejemplo de partida el esquema de la figura.
El AO tan solo debe proporcionar a la base del transistor una corriente de un par de mA, para que la carga RL pueda verse sometida, gracias a la fuente de alimentación y al transistor, a centenares de mA. Estamos ante un reforzador de corriente, concretamente, un seguidor de emisor.
Es importante observar dónde está situado el punto de donde se toma la realimentación. Lo hacemos en el emisor del transistor porque es ese el terminal que proporciona la tensión a la carga. Es ¡ese! Punto precisamente en donde deseamos que la tensión tenga el valor prescrito (la relación que exista entre los valores de R1 y R2). Lo único que nos interesa sobre la magnitud de la tensión que aparezca en la propia la salida del AO, es que, gracias a la realimentación negativa alcanzará siempre el valor necesario para que la carga se encuentre sometida a la tensión prefijada.
DERIVADOR E INTEGRADOR
El calificativo Operacional de los AO tiene mucho que ver con que con ellos se pueden diseñar sistemas cuyo comportamiento es lo suficientemente preciso como para considerarlos verdaderos instrumentos aritméticos. En este sentido merece recordar que hacia los años 1.960 existían computadores Analógicos, empleados sobretodo en el campo militar, con ayuda de los cuales se llevaban a cabo operaciones matemáticas, y que su núcleo era precisamente el amplificador de alta ganancia, el padre de nuestro AO. Los sintetizadores de música analógicos que se han empleado hasta hace muy poco tiempo también estaban basados en la computación analógica. En aquella época se discutía sobre el futuro de los sistemas de cálculo electrónico, si analógicos o digitales, porque el inconveniente de los digitales, la necesidad de una extraordinaria cantidad de componentes, hacía entonces muy incierta su posibilidad de promoción, al menos en el campo industrial y doméstico. El transistor y la consecuencia inmediata de su invento, el circuito integrado, han volcado definitivamente la balanza hacia lo digital, pero, como siempre ocurre, eso no puede en ningún caso hacer que nos olvidemos del AO porque sería como mínimo estúpido. Mirándolo por este lado, el amplificador de tensión que hemos estudiado es una muestra de cómo se puede crear un circuito multiplicador por una constante. También el sumador es digno de ser mentado. Siendo estudiante, me supuso un descubrimiento muy agradable comprobar que con un AO se puede conseguir la función derivada, y la integral, de una señal eléctrica. En primer lugar veamos el circuito derivador, cuya estructura tiene una íntima relación con el amplificador inversor.
En él se ha sustituido la resistencia R2 por un condensador. La ecuación del nudo en V(-) da como resultado:
El integrador es en cierto sentido dual del derivador, pues la resistencia que se sustituye por el condensador es R1.
La ecuación del mismo nudo da como resultado:
En los dos circuitos se produce la esperada inversión del signo porque son, no lo olvidemos, inversores.
La posibilidad de contar con estas operaciones nos permite realizar circuitos verdaderamente interesantes. Como ejemplo podemos entretenernos con un sistema que se comporta como si fuera una inductancia.
RECTIFICADOR.
La aplicación por excelencia de los diodos es, como sabemos, recortar la onda alterna dejando solo una de sus mitades. Esta operación no está restringida a los rectificadores que suministran energía a receptores de CC, pues también se lleva a cabo en circuitos para telecomunicaciones, y en ellos se manejan señales de pequeña amplitud. Como sabemos, para que los diodos puedan alcanzar el estado de plena conducción es necesario superar la tensión de barrera (0,7V en Silicio, 0,3V en Germanio, etc) y el recorte en estos casos puede suponer una merma importante en la tensión de salida. Con un rectificador como el de la figura este inconveniente desaparece.
La realimentación se toma desde el cátodo del diodo D1. En todos los casos el AO genera la tensión necesaria para intentar que las de las dos entradas sea iguales. Durante el semiciclo positivo (izquierda de la figura) la tensión de la salida (+V) será justo la necesaria para que la entrada V(-) (que coincide con el cátodo del diodo D1) sea igual que vi, sin importarnos la magnitud de la tensión de barrera del diodo, que se verá superada siempre en la justa medida.
Cuando la señal presenta el semiciclo negativo (parte derecha de la figura), el AO, con la "intención" de igualar la tensión de V(-) a la de V(+) eleva la de su salida hacia ese sentido todo lo que puede, pero como ahora las condiciones hacen que el diodo se encuentre polarizado inversamente, la entrada V(-) queda en estado flotante (la impedancia de entrada de V(-) es elevadísima, y la conexión con el diodo está cortada, luego está, eléctricamente hablando, al aire), lo que nosotros llamamos tercer estado, de ahí el haberle rotulado al círculo de su tensión virtual con la letra F). Cuando una línea eléctrica se encuentra en este estado se doblega al nivel de tensión que queramos, por ejemplo, si conectáramos entre V(-) y masa una resistencia de valor discreto, por ejemplo 10kW, el punto V(-) durante el semiciclo en el que permanece en tercer estado presentará tensión cero.
Existen muchas variantes de rectificadores, una de ellas forma parte de un pequeño trabajo que tenemos en esta misma página.
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.
A veces es deseable que el circuito que recibe la señal de entrada sea flotante. Veamos el siguiente problema.
Cada uno de los potenciómetros genera una tensión proporcional a su posición, que depende del material que hay en el depósito (a esto se le llama un alimentador de material). Si el depósito gana material, éste al plegarse desplaza los cursores de los potenciómetros hacia sus extremos, y cuando se va vaciando al aplanarse el bucle los potenciómetros se acercan entre sí. El criterio para determinar el nivel que tiene el alimentador en cada momento se basa tan solo en la diferencia entre las posiciones de los dos cursores, sin importar el nivel concreto de cada uno en particular, pues el acordeón de material, por la naturaleza de éste, puede quedar desplazado hacia arriba o hacia abajo en un cierto margen. La solución a este tipo de cuestiones es el amplificador diferencial.
Los AO conectados en las entradas (X1 y X2) tienen como objeto ofrecerle a la fuente que provee la señal una gran impedancia, para no alterar en absoluto el valor de su tensión (esta disposición no es estrictamente necesaria para nuestro ejemplo, pero la exponemos porque el uso de esta configuración es muy propio de los sistemas para instrumentación). La segunda parte, construida alrededor de X3, es el mismo circuito restador presentado al principio. Ahora las resistencias son diferentes, lo que nos sirve de excusa para volver sobre el planteamiento de su ecuación:
En esta ocasión hay una ganancia de tensión, y se ha de cuidar con mucho celo el equilibrio entre las resistencias, por eso se aconseja poner un potenciómetro en el lugar de una de ellas.
CONCLUSIÓN.
Como se ha dicho al principio, hay muchísimos circuitos, la mayoría de ellos diseñados con un derroche de ingenio que da gusto. En esta página hay unos cuantos artículos en donde se utilizan varias de esas configuraciones.
http://victoryvictor.net/operacionales2.htm
Danny Camperos
CRF
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