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Conceptos de Electrónica. Dispositivos electrónicos y Análisis de circuitos (página 3)



Partes: 1, 2, 3

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Figura 10.4
Amplificador BJT en cascode.

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CONEXIÓN DARLINGTON DEL BJT

La conexión Darlington o conexión de
"super Beta" mostrada en la figura 10.5, tiene una ganancia de
corriente por lo general de miles y está dada
por:

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Figura 10.5
Conexión Darlington de transistores.

El siguiente ejemplo muestra el análisis de
polarización en cd.

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CONEXIÓN CMOS COMPLEMENTARIA. INVERSOR
LÓGICO CMOS

Un tipo de circuito común en el diseño
digital utiliza transistores MOSFET de tipo incremental tanto de
canal-n como de canal-p como se muestra en la figura 10.6. Se
denomina MOSFET complementario o circuito CMOS puesto que utiliza
estos tipos opuestos (o complementarios) de MOSFET. La entrada
Vi, se aplica a ambas compuertas y la salida se toma de los
drenajes conectados. La conexión CMOS de la figura 10.6
ofrece una operación como la de un inversor lógico
donde VO es opuesto a Vi como se muestra en la siguiente
tabla.

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Circuitos
especializados

CIRCUITO FUENTE DE CORRIENTE

Una fuente de corriente ideal proporciona una corriente
constante sin importar la carga conectada a ella. Una fuente de
corriente ideal tiene una R=(, mientras que una fuente de
corriente práctica incorpora una R muy grande. La
siguiente tabla muestra fuentes de corriente constante
prácticas construidas a partir de distintos tipos de
transistor.

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CIRCUITO ESPEJO DE CORRIENTE

Un circuito espejo de corriente se forma a partir de una
configuración simétrica de transistores, y tiene la
particularidad de que la corriente circulante por el colector de
un transistor es reflejada en el colector del transistor opuesto.
La siguiente tabla muestra algunos circuitos espejos de corriente
formados a partir de transistores BJT.

Circuitos espejos de
corriente

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CIRCUITO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

El circuito mostrado en la figura 10.7 correspondiente
al amplificador diferencial básico, que consiste en un
arreglo de dos transistores BJT en serie con dos resistores Rc
conectados al colector y unidos entre sí por medio del
emisor, así mismo dos señales de entrada Vi1 y Vi2
se aplican a la base de cada BJT, obteniéndose dos
señales a la salida Vo1 y Vo2, aunque el diseño
posee dos fuentes de alimentación +VCC y -VEE el
amplificador diferencial puede operar con solo una de
ellas.

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Figura 10.7 Circuito
amplificador diferencial básico

Las posibles combinaciones en las señales de
entrada se listan a continuación:

  • Terminal simple. Una entrada con señal
    y la otra entrada conectada a tierra, puesto que ambos
    transistores se unen en emisor común, la salida
    será en ambos colectores.

  • Terminal doble. Dos señales de entrada
    de polaridad opuesta. Resultan en salidas distintas en ambos
    colectores.

  • Modo común. La misma señal
    aplicada a ambas entradas. Las señales de entrada se
    cancelan obteniéndose a la salida una señal
    mínima.

La principal característica del amplificador
diferencial es la ganancia muy alta que se obtiene cuando se
aplican señales opuestas en las entradas (terminal
doble
), en comparación con la ganancia tan baja
que se obtiene de las entradas comunes (modo
común
).

  • POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
    EN CD.

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  • POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
    EN AC

El análisis del amplificador diferencial en ca es
muy simple si se tiene en cuenta que el valor numérico de
la ganancia en ca es diferente a la ganancia en cd para una misma
configuración. La siguiente tabla resume la ganancia en ca
para las tres configuraciones del amplificador diferencial
estudiadas.

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Ganancia de voltaje de ca del amplificador
diferencial de terminal simple

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  • Ejemplo demostrativo. Calcule el voltaje de
    salida de la terminal simple, VO1, para el circuito de la
    figura 10.9.

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Figura 10.9 Circuito
de amplificador diferencial, análisis de
ca.

Solución.

Es posible demostrar que la ganancia en
ca
para la el circuito amplificador diferencial de
terminal simple esta dada por:

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A manera de comparación se calculará a
continuación la ganancia en ca si los BJT del circuito
amplificador diferencial de la figura 10.9 se conectan en modo
común.

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Donde el cociente 87.4/0.54 indica que la ganancia en
terminal simple es casi 162 veces mayor que en modo
común.

CIRCUITO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL BIFET, BIMOS Y
CMOS

Los amplificadores diferenciales comerciales no
solamente se construyen mediante transistores bipolares BJT, si
no que los hay disponible en CI basados en transistores JFET y
MOSFET, también existen combinaciones de ellos como los
amplificadores BiFET que poseen transistores BJT y FET
así mismo los BiMOS incluyen transistores BJT y
transistores CMOS. También es posible construir
amplificadores diferenciales mediante transistores MOSFET
conocidos como amplificadores diferenciales CMOS. Los
transistores pMOS proporcionan las entradas opuestas, mientras
que los transistores nMOS operan como fuentes de corriente
constante. Las siguientes figuras muestran distintos circuitos
amplificadores diferenciales.

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AMPLIFICADORES OPERACIONALES

El término amplificador operacional (OP-AMP), fue
asignado alrededor de 1940 para designar una clase de
amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tal
como: suma, resta, multiplicación, diferenciación e
integración, características relevantes para la
computación analógica de aquella época. El
primer op-amp fue desarrollado por R. J. Widlar en Fairchild, uno
de los op-amp más populares es el 741 que apareció
en 1968 y es de propósito general.

PRESENTACIÓN DEL OP-AMP BÁSICO.
741C

Un amplificador operacional (op-amp), es un
amplificador diferencial de muy alta ganancia que posee alta
impedancia de entrada y baja impedancia de salida
. Por lo
general un amplificador operacional se utiliza para proporcionar
cambios en la amplitud del voltaje (amplitud y polaridad), en
osciladores, en circuitos de filtro y en muchos tipos de
circuitos de instrumentación. Un op-amp contiene varias
etapas de amplificador diferencial para obtener una ganancia de
voltaje muy alta.

Los op-amp son alimentados por fuentes de cd +Vcc y -VEE
(al igual que el amplificador diferencial); pueden poseer una o
dos salidas; pero siempre poseen dos entradas: la entrada
no inversora
(marcada con +) y la entrada
inversora
(marcada con -). La figura 11.1 muestra el
símbolo representativo del op-amp básico (op-amp
741), mientras que la figura 11.2 muestra su circuito
equivalente, el cual se compone de 1 capacitor, 11 resistencias y
27 transistores.

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Figura 11.1
Símbolo del op-amp de propósito general.
741C

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Figura 11.2 Circuito
equivalente del op-amp 741C de Fairchild

ENCAPSULADO

El amplificador operacional se fabrica en un diminuto
chip de silicio y se encapsula en una caja adecuada. Alambres
finos conectan el chip con las terminales externas que salen de
la cápsula de metal, plástico o cerámica. La
figura 11.3 muestra los encapsulados más comúnmente
empleados para op-amps.

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Figura 11.3 Los
tres encapsulados más comunes de amplificadores
operacionales son las cajas metálicas: (a) los
encapsulados dobles en línea, de 8 y 14 terminales
en (b) y (c). Respecto a los circuitos integrados de gran
densidad, se muestra en (d), un encapsulado con la
tecnología de montaje de superficie
(SMT).

SÍMBOLOS Y TERMINALES

Los fabricantes combinan actualmente en un solo dibujo
el símbolo del circuito de un op-amp con el encapsulado.
Por ejemplo, los cuatro tipos más comunes de encapsulado
que aloja el op-amp 741 se muestran en la figura 11.4. Si se
comparan las figuras 11.4 (a) y (d) se puede observar que los
esquemas de numeración son idénticos para la caja
de ocho patas y para el DIP de 8 patas.

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Figura 11.4 Diagrama
de conexión para encapsulados típicos de
amplificadores operacionales.

NOMENCLATURA DE LOS AMPLIFICADORES
OPERACIONALES

Todos los amplificadores tienen un código de
identificación asociado, formado por un conjunto de letras
y números. Este código responde a las siguientes 4
preguntas.

  • 1. ¿Quién lo fabrica?

  • 2. ¿Qué tipo de amplificador
    es?

  • 3. ¿De qué calidad es (por
    ejemplo, el intervalo de temperatura de
    operación)?

  • 4. ¿Qué tipo de encapsulado tiene
    el chip?

¿Quién lo fabrica? Es un prefijo de
2 letras que representa el nombre de la compañía
que fabrica el CI. En la siguiente lista se presentan los
prefijos más comunes:

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¿Qué tipo de amplificador es? Se
representa por el número de circuito o numero de parte, se
identifica por números y letras que identifican el tipo de
amplificador.

Ejemplos:

062: Amplificador operacional tipo JFET

741: Amplificador operacional de propósito
general

¿De qué calidad es (por ejemplo, el
intervalo de temperatura de operación)?
La siguiente
tabla muestra el código asociado para el rango de
temperaturas de operación indicado.

Código de
temperatura

Intervalo de temperatura de
operación

C comercial

0 a 70 ºC

I industrial

-25 a 85 ºC

M militar

-55 a 125 ºC

¿Qué tipo de encapsulado tiene el
chip?
El sufijo de una o dos letras identifica el tipo de
encapsulado que contiene al chip. A continuación se dan
los sufijos más comunes de los encapsulados.

Código de
encapsulado

Descripción

D

De plástico, doble en línea para
montaje en la superficie en un tarjeta de circuito
impreso

J

De cerámica, doble en
línea

N, P

De plástico, doble en línea para
inserción en receptáculo. Las terminales
traspasan la superficie superior de una tarjeta de circuito
impreso y se sueldan a la superficie inferior

Ejemplo de especificación
completo.

uA

741

C

P

Fairchild

Proposito general

Temp. comercial

DIP 8 terminales

OPERACIÓN DEL OP-AMP BÁSICO

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La señal de salida (voltaje) de un op-amp se
compone de dos partes: una componente diferencial y una
componente común es decir:

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CARACTERÍSTICAS DEL OP-AMP IDEAL

El op-amp ideal posee las siguientes
características:

  • 1. Resistencia de entrada, infinita

  • 2. Resistencia de salida, cero

  • 3. Ganancia en tensión en modo
    diferencial, infinita

  • 4. Ganancia en tensión en modo
    común, cero (CMRR = infinito)

  • 5. Corrientes de entrada, nulas

  • 6. Ancho de banda, infinito

  • 7. Variación con la temperatura,
    ninguna.

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CIRCUITOS PRÁCTICOS CON AMPLIFICADORES
OPERACIONALES

En la tabla R2 se muestra un conjunto de circuitos
prácticos construidos con amplificadores operacionales,
así como las ecuaciones que los caracterizan.

Nota. En los circuitos mostrados no debe
confundir la impedancia de entrada del circuito con la impedancia
de entrada del amplificador operacional.

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PARÁMETROS DE DESVÍO DEL OP-AMP
REAL

Un amplificador operacional tiene un voltaje de salida
cero cuando el voltaje de entrada vale cero, sin embargo esto no
sucede en un op-amp real, el cual tiene un voltaje de
desvío a su salida
, este voltaje puede calcularse
a partir del voltaje de desvío a la
entrada
(VIO) y la corriente de desvío a
la entrada
(IIO) es decir:

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PARÁMETROS DE FRECUENCIA

Los parámetros de frecuencia más
importantes son:

  • Frecuencia de ganancia unidad o ganancia ancho de
    banda

  • Rapidez de respuesta

  • Frecuencia máxima de señal

  • FRECUENCIA DE GANANCIA UNIDAD O GANANCIA ANCHO DE
    BANDA

La ganancia de un op-amp está en función
de la frecuencia de operación, esto se muestra en la
grafica de la figura 11.8, el punto especificado como AOL es la
ganancia de voltaje diferencial. La frecuencia de corte
superior
fC y la frecuencia de ganancia unidad (o ancho
de banda de ganancia unidad)
f1, se relacionan
por:

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  • RAPIDEZ DE RESPUESTA

Es la rapidez con la que puede cambiar la salida del
op-amp, se mide en microsegundos y se define por:

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  • FRECUENCIA MÁXIMA DE
    SEÑAL

La frecuencia máxima a la cual debe operar el
op-amp, depende tanto de la amplitud (K) de la señal
senoidal, como de la rapidez de respuesta (SR), es
decir:

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OTROS PARÁMETROS

En la hoja de características de un op-amp se
numeran un conjunto amplio de parámetros, algunos de ellos
son comunes a todos los dispositivos; tales como: voltaje de
aplicación, disipación interna de potencia, voltaje
de entrada diferencial etc., estos parámetros puesto que
son conocidos no serán discutidos y solo se presentaran
aquellos que no son comunes a otros dispositivos.

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Amplificadores de
potencia

Los amplificadores de potencia o de gran señal
están diseñados para trabajar con niveles de
voltaje alto y con niveles moderados y altos de corriente, sus
principales características son la eficiencia de potencia
del circuito, la máxima cantidad de potencia que es capaz
de manejar el circuito y el acoplamiento de impedancia con el
dispositivo de salida.

CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES DE
POTENCIA

Los amplificadores de potencia se clasifican en clases,
de acuerdo al grado con el que varía la señal de
salida durante un ciclo de operación, para un ciclo
completo de la señal de entrada, las clases son: A, B, AB,
C y D. La eficiencia de un op-amp de potencia
(definida como la razón de la potencia de salida a la
potencia de entrada) se mejora de la clase A hacia la clase D. En
la siguiente tabla se resumen los distintos tipos de
clases.

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ANÁLISIS DE AMPLIFICADORES DE POTENCIA

CONSIDERACIONES DE ANÁLISIS

La potencia de entrada de un
amplificador operacional, se calcula al considerar las fuentes de
alimentación y la corriente consumida por el amplificador,
la señal senoidal de entrada no tiene efecto sobre la
potencia de entrada. Esto significa que la potencia de entrada es
potencia de cd y se calcula con las corrientes y voltajes
obtenidos del análisis de cd, es decir:

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La potencia de salida es el resultado de
la amplificación de la señal entrada por medio de
la transferencia de energía de las fuentes de voltaje de
cd a esta. La potencia de salida se calcula al considerar la
resistencia de carga y el voltaje en la carga o la resistencia de
carga y la corriente de carga. Por lo tanto es una potencia de ca
PO(ca), téngase en cuenta que las señales de ca
pueden expresarse como valores rms, valores
pico
o bien valores pico a pico, con la
condición de ser uniformes en su uso.

La eficiencia es la razón de la
potencia de salida a la potencia de entrada.

AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE CLASE A ALIMENTADO EN
SERIE

En la figura 12.1 se muestra el amplificador de potencia
clase A alimentado en serie, el circuito básicamente
consiste en un BJT que alimenta una resistencia de colector RC,
la cual funge como resistencia de carga RL. Los resultados del
análisis se resumen la siguiente tabla.

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Basado en los resultados presentados en la tabla
anterior, se presentará un ejemplo demostrativo de
análisis del amplificador operacional de potencia clase A
alimentado en serie.

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Figura 12.2 Circuito
de amplificador operacional de potencia clase A alimentado en
serie.

Solución.

Empleando las ecuaciones presentadas en la tabla para el
análisis de cd se tiene que:

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Con el valor de la corriente de colector, el
cálculo de las potencias y la eficiencia se obtiene al
sustituir los valores de la resistencia de carga (para esta
configuración es Rc) en las ecuaciones mostradas en la
tabla, es decir:

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE CLASE A ACOPLADO POR
TRANSFORMADOR

Un tipo de amplificador de potencia de clase A que
cuenta con una eficiencia de 50%, emplea un transformador para
acoplar la señal de salida con la carga véase la
figura 12.3. El punto de operación Q, en la gráfica
de características (del BJT , queda definido por la
intersección de dos rectas con la curva
característica. La primer recta es una recta vertical cuyo
valor es VCEq=VCC, y representa la resistencia del devanado del
trasformador en el caso ideal, para el cual R=0O. La segunda
recta representa la resistencia de carga vista desde las
terminales del primario del transformador (véase la
sección del transformador en el capítulo 2), por lo
que es un recta cuya pendiente es -1/R"L. El siguiente ejemplo
demostrativo ilustra el método de
análisis.

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Figura 12.3 Rectas de
carga para el amplificador operacional de potencia clase A,
acoplado por transformador.

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Solución.

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Figura 12.5
Características del transistor BJT para el
amplificador de potencia clase A, acoplado por
transformador.

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Con estos puntos se grafica la recta tal como se muestra
en la figura 12.5 y se hallan las intersecciones máximas y
mínimas de la recta con las curvas características,
resultando:

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  • EFICIENCIA TEÓRICA
    MÁXIMA

Para un amplificador clase A acoplado por transformador,
la eficiencia teórica máxima llega hasta un 50%.
Con base en las señales de salida (VO pico) obtenidas
mediante el amplificador, la eficiencia se puede expresar
como:

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Circuitos
integrados lineales digitales

Hasta el momento se ha dado énfasis al estudio de
circuitos analógicos o circuitos lineales que son
circuitos que manejan señales analógicas
también llamadas señales continuas. Sin embargo
también se ha presentado la forma de diseñar
compuertas lógicas, que son la base para el diseño
de circuitos digitales, que manejan señales discretas o
señales discontinuas, en el presente capítulo se
estudia la operación de circuitos integrados que operan
tanto con señales analógicas como con
señales digitales.

COMPARADORES DE VOLTAJE

Un circuito comparador es aquel en el que un voltaje
lineal de entrada se compara con otro voltaje de referencia, la
salida es un nivel lógico que representa si el voltaje de
entrada excede al de referencia.

COMPARADOR DE VOLTAJE DE OP-AMP. EL 741

El amplificador operacional 741C se puede emplear como
comparador de voltaje. Cuando se conecta el op-amp como se
observa en la figura 13.1(a), con la entrada no inversora como
Vi, entonces el voltaje de referencia esta dado por:

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Obsérvese también que VEE puede estar
conectado a tierra, en cuyo caso el nivel bajo para la figura
16.3(a) será cercano a cero volts.

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COMPARADOR DE VOLTAJE DE CI. EL LM311

En la figura 13.2 se muestra el comparador de voltaje CI
311, el cual puede operar tanto con fuentes de
alimentación dobles +/-15V así como también
con fuentes de alimentación sencillas. La salida puede
proporcionar un voltaje en uno de dos niveles distintos o se
puede emplear para accionar una lámpara o un relevador. La
salida (7) se toma de un transistor bipolar con el objeto de
permitir el manejo de una variedad de cargas. La unidad
también cuenta con entradas balance y
estroboscópicas, lo que permite la activación
periódica de la salida.

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Figura 13.2
Comparador de voltaje CI 311 (encapsulado DIP de ocho
terminales)

COMPARADOR DE VOLTAJE DE CI. EL LM339

La serie 339 de Nacional Semiconductor es otra familia
de comparadores, cada encapsulado de CI contiene varios
comparadores (véase la figura 13.3). La tensión de
alimentación es común y todos los comparadores
disipan potencia aunque solo uno de ellos este en uso.

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Figura 13.3 CI
comparador cuádruple

Convertidores
digitales-analógicos y
analógicos-digitales

Un convertidor analógico-digital (ADC
Analog-Digital Converter) obtiene un valor digital que
representa un voltaje analógico de entrada, mientras que
un convertidor digital-analógico (DAC) convierte un valor
digital a un voltaje analógico.

CONVERTIDOR DIGITAL-ANALÓGICO

La conversión digital-analógica puede
llevarse a cabo por diferentes métodos. Un esquema
comúnmente empleado utiliza una red de resistores
y se denomina red de escalera. Una red de
escalera, acepta valores binarios en la entrada (0v y Vref) y
proporciona un voltaje de salida proporcional al valor binario de
entrada. Por ejemplo, la figura 13.4 (a) muestra una red de
escalera de 4 bits (D0 a D3), para la cual, el voltaje
analógico a la salida (Vo) está dado
por:

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  • DAC DE CI. AD7524

El AD7524 mostrado en la figura 13.5(a) es un
convertidor D/A de ocho bits de la lógica CMOS. Posee un
entrada de 8 bits que se puede cerrar de manera interna bajo el
control de las entradas al seleccionar chip (CS) y WRITE (WR).
Cuando estas dos entradas de control están en bajo, las
entradas digitales de datos D7 -D0 producen la corriente
analógica de salida OUT 1 (la terminal OUT 2, por lo
regular esta a tierra). Cuando cualquier entrada de control pasa
a ALTO, los datos digitales de entrada se enclavan y la salida
analógica permanece en el nivel correspondiente a esos
datos digitales fijos. En este estado, los cambios subsecuentes
en las entradas digitales no tendrán efecto en OUT
1.

El tiempo máximo de establecimiento para el
AD7524 por lo general, es de 100 nS. El voltaje de referencia,
VREF puede variar sobre voltajes negativos y positivos de 0 a
25V, de modo que se pueden producir corrientes de salida de ambas
polaridades. La corriente de salida se puede convertir a un
voltaje usando un amplificador operacional conectado, como se
muestra en la figura 13.5(b). Note que la resistencia de
retroalimentación del amplificador operacional ya es parte
del chip DAC.

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Figura 13.5 (a) DAC
AD7524 de ocho bits con entradas enclavadas; (b) AD7524 conectado
para producir un voltaje de salida analógico variando de
0V a aproximadamente -10V.

  • DAC DE CI. DAC0830

El convertidor D/A DAC0830 de Nacional Semiconductor es
un ejemplo representativo de un CI fabricado para ser empleado
con un microprocesador. Este CI es un CMOS y puede tener un VCC
máximo de 17 V; pero todas las entradas son compatibles
con TTL. Se recomienda que VREF < 5V y que VCC=VREF + 9V. La
figura 13.6 presenta la circuitería interna del DAC0830 y
las conexiones a un amplificador operacional pequeño que
sirve para aislar y amplificar el voltaje de salida, el cual es
generado por la red de escalera 2R que está dentro del
CI.

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Figura 13.6
Circuitería interna del DAC0830.

CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL

Un convertidor analógico-digital toma un voltaje
analógico de entrada y después de cierto tiempo
produce un código digital de salida que representa la
entrada analógica. El proceso de conversión A/D es
por lo general más tardado y complejo que el proceso
D/A.

  • ADC DE RAMPA DIGITAL

En la figura 13.7 se muestra el diagrama de un ADC de
rampa digital. Contiene un contador, un DAC, un comparador
analógico y una compuerta AND de control. La salida del
contador sirve como señal activa en BAJO de fin de
conversión FDC.

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Figura 13.7 ADC de
rampa digital.

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  • ADC DE APROXIMACIONES SUCESIVAS. CI
    ADC0804

La figura 13.8 muestra la configuración del
ADC0804, el cual es un CI CMOS que realiza la conversión
A/D usando el método de aproximaciones sucesivas.
Algunas de sus características más importantes
son:

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EL TEMPORIZADOR. CI NE555, TLC555

La figura 13.9 muestra el diagrama de bloques del
temporizador CI 555, como se observa de la figura, este CI
combina un oscilador de relajación, dos comparadores, un
flip-flop RS y un transistor que actúa como elemento de
conmutación. Las resistencias de valor R definen los
voltajes de referencia 2Vcc/3 y Vcc/3.

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Figura 13.9 Detalle
del temporizador 555.

USO DEL CI 555 COMO MULTIVIBRADOR ASTABLE

Un reloj es un oscilador o, como se conoce en
ocasiones, un multivibrador astable. La figura 13.10
muestra la forma de conectar el CI 555 cuando se utiliza como
multivibrador astable, construido mediante el empleo de dos
resistores RA y RB y de un capacitor C externos para fijar el
intervalo de temporización de la señal de
salida.

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Figura 13.10
Multivibrador astable (reloj) que utiliza un CI
555.

Operación del multivibrador astable. Los
amplificadores 1 y 2 conectados a las entradas del flip-flop se
utilizan como comparadores de voltaje para iniciar (S) y
reinicializar (R) el flip-flop, el voltaje de referencia para los
comparadores está dado por un divisor de voltaje formado
por tres resistores. Este divisor de voltaje aplica 1/3 del
voltaje de la fuente (1/3Vcc) a la entrada positiva del
comparador inferior, y 2/3 Vcc a la entrada negativa del
comparador superior. La entrada negativa del comparador inferior
se denomina disipador, mientras que la entrada positiva
del comparador superior es el umbral.

Cuando el flip-flop es reinicializado al estado 0, la
terminal de descarga (7) se encuentra en estado de alta
impedancia, lo que permite que el capacitor se cargue a
través de RA y RB. Cuando el voltaje del capacitor alcanza
un valor un poco mayor que 2/3 Vcc (este es el voltaje de umbral
en la terminal 6) el flip-flop cambia del estado 0 a un 1
lógico. Lo anterior hace que el transistor de descarga se
active, con lo que el capacitor comienza a descargarse a
través de RB y el transistor de descarga, hasta que el
voltaje alcance un valor un poco menor que 1/3 Vcc. En ese
momento, el flip-flop es reinicializado y todo el ciclo comienza
otra vez

Frecuencia de oscilación del temporizador 555
como multivibrador astable (reloj)

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Resolviendo la ecuación en términos del
periodo de oscilación se tiene que:

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La figura 13.11 muestra la conexión típica
del temporizador 555 como oscilador astable así como las
formas de onda tanto a la salida del capacitor como a la salida
del transistor de salida.

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Figura 13.11 (a)
Multivibrador astable; (b) formas de onda

Véase diagrama en

NTE 1-185.

El 555 producirá una salida con frecuencia muy
estable desde periodos muy grandes hasta muy pequeños,
alrededor de 0.5 MHz (T = 2*10-6 s). El circuito funciona con
voltajes de alimentación de entre 5 V y 1.8 V, y consume
entre 3 mA y 10 mA de corriente cuando no hay carga alguna
conectada a él. Una buena característica del 55 es
su capacidad en corriente, ya que el dispositivo puede consumir o
proporcionar hasta 200 mA, lo que significa que puede excitar
cargas muy grandes.

EL OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE. CI LM566

Un oscilador controlado por voltaje (VCO,
Voltaje-Controlled Oscillator) es un circuito que
proporciona una señal variable de salida (por lo general
forma de onda cuadrada o triangular) cuya frecuencia puede
ajustarse a lo largo de un rango controlado por un voltaje de
cd.

Un ejemplo de VCO es la unidad de CI 566, la cual
contiene los circuitos necesarios para generar tanto
señales con formas de onda cuadrada, como triangular y
cuya frecuencia se establece mediante un resistor y un capacitor
externos, y que luego es modificada por medio de un voltaje de cd
aplicado.

La frecuencia de operación libre
o de operación central fo, se puede calcular
por:

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Uso del 566 como generador de onda de salida
fija

La figura 13.12 muestra un ejemplo en el que se utiliza
el generador de funciones 566 para proporcionar tanto
señales de onda cuadrada como triangular a una frecuencia
fija establecida por R1, C1 y Vc. Un divisor de voltaje,
resistores R2 y R3, proporcionan un voltaje cd de
modulación de un valor fijo.

En esta configuración, el voltaje de control, Vc,
esta dado por:

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Uso del 566 como generador de onda de salida
variable

El circuito de la figura 13.13 muestra la forma en la
que puede ajustarse la frecuencia de salida de la onda cuadrada,
mediante el empleo del voltaje de entrada Vc, para variar la
frecuencia de la señal. El potenciómetro R3 permite
la variación de Vc desde cerca de 9 V hasta
aproximadamente 12 V. sobre un rango completo de frecuencias de
alrededor de 10:1

En esta configuración, el voltaje de control, Vc,
esta dado por:

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GENERADORES DE SEÑAL. CI ICL8038,
XR8038

Un generador de señal proporciona una
señal de ca de amplitud ajustable y frecuencia variable
para ser utilizada al operar algún amplificador u otro
dispositivo lineal. La frecuencia por lo general se ajusta desde
hertz hasta kiloHertz y la amplitud de la señal puede
ajustarse desde milivolts hasta algunos volts.

CIRCUITO INTEGRADO GENERADOR DE FORMAS DE ONDAS.
8038

El CI 8038 mostrado en la figura 13.14 es un generador
de formas de onda de precisión.

Características del CI 8038

  • Consta de 14 terminales

  • Produce ondas senoidales, triangulares y
    rectangulares

  • La frecuencia de la onda de salida es ajustable
    desde 1 Hz hasta 300 kHz

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Figura 13.14 CI 8038
generador de formas de onda

Salida con frecuencia ajustable

La figura 13.15 muestra la conexión del CI cuando
se emplea para proporcionar una salida con frecuencia
ajustable
. En esta configuración la frecuencia de
salida queda determinada por:

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Figura 13.15
Conexión del 8038 como generador de frecuencia
variable y amplitud constante.

Salida con frecuencia y amplitud
ajustables

Si se desea ajustar la amplitud a la salida del CI 8038,
simplemente se utiliza un amplificador de acoplamiento
tal como el 310, el cual tiene una ganancia de voltaje
prácticamente unitaria, con una impedancia de salida de
cerca de 1 Ohm. La salida ajustable se logra al alimentar la
patilla 7 del op-amp 310 con el voltaje de amplitud deseado en el
rango 0(V7(9. Por ejemplo la figura 13.16 muestra un generador de
onda senoidal con amplitud ajustable, mientras que en la figura
13.17 se muestra un generador de onda cuadrada con amplitud de +5
V, ideal para utilizarse con circuitos digitales TTL. En
ambos circuitos la frecuencia puede variar desde 30Hz hasta 30
kHz mediante la regulación adecuada del
potenciómetro de 10kO.

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Figura 13.16 Generador de
forma de onda senoidal con amplitud y frecuencia
ajustables.

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Figura 13.17 Generador de
forma de onda cuadrada con amplitud y frecuencia
ajustables, ideal para circuitos digitales
TTL.

El
osciloscopio

El Osciloscopio es un instrumento electrónico que
registra los cambios de tensión producidos en circuitos
eléctricos y electrónicos y los muestra en forma
gráfica en la pantalla de un tubo de rayos
catódicos. Unos conversores especiales conectados al
osciloscopio pueden transformar vibraciones mecánicas,
ondas sonoras y otras formas de movimiento oscilatorio en
impulsos eléctricos observables en la pantalla del tubo de
rayos catódicos.

COMPONENTES DEL OSCILOSCOPIO

El tubo de rayos catódicos

El osciloscopio de rayos catódicos (CRO,
Cathode Ray Oscilloscope) es un dispositivo que permite
visualizar cualquier tipo de onda aplicada en sus
terminales.

El tubo de rayos catódicos (CRT, Cathode Ray
Tube) mostrado en la figura 14.1, es la parte fundamental del
CRO, ya que permite la visualización de la forma de onda
de una señal aplicada. El CRT está formado por
cuatro partes básicas:

  • 1. Un cañón de electrones que
    produce una corriente de electrones

  • 2. Elementos de enfoque y aceleración
    para generar un haz de electrones bien definidos

  • 3. Placas deflectoras horizontales y verticales
    para controlar la trayectoria del haz de
    electrones

  • 4. Una cubierta de vidrio al vacío con
    una pantalla fosforescente, la cual brilla de forma visible
    cuando incide en ella el haz de electrones.

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Figura 14.1 Tubo de
rayos catódicos: construcción
básica

Circuito de barrido horizontal o base de
tiempos

Es un circuito encargado de generar una señal que
aplicada a las placas horizontales produce un barrido del haz en
la dirección del eje x de la pantalla (eje de
tiempos)

Amplificador de señales de entrada

Permiten visualizar en la pantalla señales de
amplitud muy pequeña.

La pantalla de un osciloscopio

Se divide en 10 divisiones horizontales por 8 verticales
del mismo tamaño (cercano al cm). Algunos osciloscopios
poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% para facilitar
la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mide
entre el 10% y el 90% de la amplitud de pico a pico).

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Figura 14.2 Pantalla
del osciloscopio

MEDICIÓN DE UNA SEÑAL DE VOLTAJE CON EL
OSCILOSCOPIO

El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje
de forma directa. Otros medidas se pueden realizar a partir de
esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad
ó la potencia). Los cálculos para señales CA
pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir
otras magnitudes es empezar por el voltaje.

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Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es
fácil, simplemente se trata de contar el número de
divisiones verticales que ocupa la señal en la pantalla.
Ajustando la señal con el mando de posicionamiento
horizontal podemos utilizar las subdivisiones de la rejilla para
realizar una medida más precisa (recordar que una
subdivisión equivale generalmente a 1/5 de lo que
represente una división completa). Es importante que la
señal ocupe el máximo espacio de la pantalla para
realizar medidas fiables, para ello actuaremos sobre el
conmutador del amplificador vertical.

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Apéndices

TABLAS DE RESISTORES Y CAPACITORES
COMERCIALES

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Autor:

IE Arcenio Brito
Hernández

Agosto de 2011

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UAEM

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Facultad de Ciencias Químicas e
Ingeniería

Universidad Autónoma del Estado de
Morelos

Facultad de Ciencias Químicas e
Ingeniería

Ingeniería
Eléctrica

Revisó: IE. Profesor Raymundo
García

Febrero de 2005

[1] CONTINENTAL AUTOMOTIVE SYSTEMS
http://www.conti-online.com

[2] Los electrones de valencia son aquellos
ubicados en la capa o nivel de energía más
externo con respecto al núcleo atómico. Estos
electrones son los responsables de las fuerzas
electromagnéticas (enlaces) entre átomos.

[3] El término ideal se refiere a
dispositivos o sistemas que presentan características
ideales, es decir perfectas en todo sentido.

[4] La palabra FEM significa Fuerza
Electromotriz, y en este contexto se emplea para indicar las
fuentes de voltaje independientes existentes en el circuito y
que proporcionan el potencial necesario para polarizar los
dispositivos o producir corriente eléctrica en las
cargas (resistencias, impedancias, etc.)

[5] TTL es una familia de CI digitales que
emplea la Lógica Transistor-Transistor en el
diseño de los circuitos lógicos.

[6] CMOS. Es una familia de CI digitales que
emplea el transistor de efecto de campo
metal-óxido-semiconductor complementario para el
diseño de circuitos lógicos.

[7] Existen más formas posibles de
configuración correctas que serán mostradas
más adelante en este capítulo, la mostrada en la
figura 3.2 se denomina configuración base
común.

Partes: 1, 2, 3
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