tema 6. circuitos electrónicos básicos

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 1

Grado en Ingeniería Informática

Tema 6. Circuitos electrónicos básicos

6.1. El 6.1. El amplificadoramplificador operacionaloperacional: : Aplicaciones Aplicaciones

• Configuración inversora• Configuración no inversora• Sumador • Derivador • Integrador • Comparador

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Grado en Ingeniería Informática

6.2. 6.2. Conversion Digital Analógica Analógica Digital

Conversión D/A (Digital/Analógica)Conversor en escalera R-2R

Conversión A/D(Analógico/Digital)Proceso de conversión Teorema de Shannon Convertidores A/D

Convertidores en lazo abierto Convertidores realimentados

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Grado en Ingeniería Informática

6.1. El amplificador operacional.El Amplificador Operacional (AOP) es una amplificador de

gran ganancia, utilizado para realizar operaciones lineales y

no lineales sin más que cambiar los elementos externos tales

como resistencias, condensadores, diodos, etc.

Circuito integrado básico:

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Grado en Ingeniería Informática

Esquema del Amplificador Operacional 741

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Grado en Ingeniería Informática

El AOP está constituido básicamente por tres etapas:

- Etapa de entrada

- Etapa amplificadora

- Etapa en seguidor de tensión

Etapas del amplificador operacional

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Chip

El operacional está compuesto por muchos transistores

Trabajaremos con un chip, por ejemplo el A741μ

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Grado en Ingeniería Informática

Cuando el comportamiento del AOP es lineal, se puede sustituir

por el siguiente modelo lineal:

Resistencia de entrada

Fuente de tensión

Resistencia de salida

Modelo lineal del amplificador operacional

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10 102 103 104 105 106 107f (Hz)

|A| (dB)

100

80

60

40

20

fc ft

Av

-20 dB / décadaó

- 6 dB / octava

3 dB

Respuesta en frecuencia de un AOP típico a circuito abierto

c

v

sAsAω/1

)(+

=

c

v

jAjA

ωωω

/1)(

+=

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Grado en Ingeniería Informática

Aproximación ideal del amplificador operacional

- Los límites de saturación son los voltajes de alimentación (Vpos y Vneg )

- Av muy alta => Av → ∞

- Ri muy alta => Ri → ∞ V+ = V-

- Ro muy baja => Ro → 0 Vo = Av(V+-V-)

Valor finito

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 10

Grado en Ingeniería Informática

Realimentación

Se establece una conexión entre la entrada y la salida.

Hay dos tipos de realimentación:

Negativa Positiva

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Grado en Ingeniería Informática

Realimentación positiva:

V->V+ => (V+>V-)<0 => Vo↓ => V+↓ => (V+-V-)↓ => Vo↓ Vo se limita a -Vcc

V-<V+ => (V+>V-)>0 => Vo↑ => V+↑ => (V+-V-)↑ => Vo↑ Vo se limita a +Vcc

Realimentación negativa:

V->V+ => (V+>V-)<0 => Vo↓ => V-↓ => (V+-V-)↑ => Vo↑ equilibrio V-=V+

V-<V+ => (V+>V-)>0 => Vo↑ => V-↑ => (V+-V-)↓ => Vo↓ equilibrio V-=V+

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Grado en Ingeniería Informática

Configuración inversora

21 RVV

RVV oi −

=− −−

0== +− VVCondiciones ideales:

Leyes de Kirchoff:

1

2

RR

VV

i

o −=

Función de transferencia:

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Grado en Ingeniería Informática

( )5=

=A

tsenAVi ω

21 RR =

Vo

Vi

A

-A

t

Ejemplo 2:

( )5=

=A

tsenAVi ω

12 4RR =

Vo

ViA

-A t

+Vcc

-Vcc

saturación

Ejemplo 1:

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Grado en Ingeniería Informática

21

0R

VVRV o−

=− −−

iVVV == +−Condiciones ideales:

Leyes de Kirchoff:

Configuración no inversora

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

1

21RR

VV

i

o

Función de transferencia:

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 15

Grado en Ingeniería Informática

( )5=

=A

tsenAVi ω

12 RR =

( )5=

=A

tsenAVi ω

12 3RR =

saturaciónVo

Vi

A

-A t

Ejemplo 2:

Ejemplo 1:

Vo

Vi

A

-A t

+Vcc

-Vcc

saturación

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Grado en Ingeniería Informática

Sumador inversor

F

o

RVV

RVV

RVV −

=−

+− −−−

2

2

1

1

0== +− VV

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

2

2

1

1

RV

RVRV Fo

Condiciones ideales:

Leyes de Kirchoff:

( )2121 VVVRRR oF +−=⇒==

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Grado en Ingeniería Informática

* Ejercicio: sumador no inversor

- Analizar este circuito- Obtener su función de transferencia

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Grado en Ingeniería Informática

Derivador

( ) ( )dt

tdVCti ic =

( ) ( )dt

tdVRCtV io −=

0== +− VV

Condiciones ideales:

La señal de salida es la derivada de la señal de entrada

( ) ( )sRCsVsV Io −= En el dominio de la frecuencia

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Grado en Ingeniería Informática

t

Vo

Vi

triangularseñalVi

Ejemplo 1:

tRCVtsenV

o

i

ωωω

cos−==

Ejemplo 2:

Vo

Vi

t

ωRC

ωRC−2

π

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Grado en Ingeniería Informática

- Amplitud: ( ) ωω RCjT =

|T| (dB)

-20 dB / década

ω (escala logarítmica)

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Grado en Ingeniería Informática

- Fase: ( ) ( )2

1 πωφ −=∞= −tg

ω (escala logarítmica)

φ

2π

−

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Grado en Ingeniería Informática

Integrador

dtdVRCV o

i −=

dtVRC

V io ∫−=1

( ) ( )sVRCs

sV io1

−=

0== +− VV

Condiciones ideales:

La señal de salida es la integral de la señal de entrada

En el dominio de la frecuencia

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Grado en Ingeniería Informática

Vo

Vit

cuadradaseñalVi

Ejemplo 1:

tRC

V

tsenV

o

i

ωω

ω

cos1=

=

Ejemplo 2:

Vo

Vi

t

ωRC1

2π

ωRC1

−

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Grado en Ingeniería Informática

Problema de estabilidad: en continua el condensador se comporta como un circuito abierto y no hay realimentación negativa. Cualquier pequeña componente de continua en Vi teóricamente produce una salida infinita.

En la práctica la salida del amplificador se satura a un voltaje cercano +Vcc o –Vcc, dependiendo de la polaridad de la señal de entrada.

tsenkVi ω+=

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−−= 0cos11

oo VtktRC

V ωω

( )dttsenkRC

Vo ∫ +−= ω1

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Grado en Ingeniería Informática

CsRRR

VV

i

o

21

2

11

+−=

CsRVV

i

o

1

1−≈

( ) 12

−= CRoω

⇒> oωω

Filtro paso-bajo frecuencia de corte

IntegradorEl problema de ganancia muy alta de cd del integrador se resuelve al conectar R2. La resistencia cierra el circuito de realimentación y proporciona una ganancia finita de cd de -R2/R1.

El integrador resultante ya no es ideal, pero se puede reducir al mínimo la imperfección seleccionando una R2 tan grande como sea posible.

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 26

Grado en Ingeniería Informática

- Amplitud: ( )( )ω

ωCRR

RjT21

2

11

+=

-50

-40

-30

-20

-10

0

1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

( )dBjT )(log20 ω

ωoω

dB3

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Grado en Ingeniería Informática

- Fase: ( ) πωωφ +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−= −

121 CRtg

0

1

2

3

1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

( )dBjT )(log20 ω

ω

π

2π

( )

( )

( )22

43

41

00

1

1

1

ππππφω

ππππφωω

ππφω

=+−

=+∞−→∞→

=+−

=+−→→

=+→→

−

−

−

tg

tg

tg

o

43π

oω

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Grado en Ingeniería Informática

Circuitos comparadores

Comparador básico

Problemas: - rapidez- niveles de salida- oscilaciones a la salida

Vin> Vref => (Vin - Vref ) > 0 => Vo = Vpos

Vin< Vref => (Vin - Vref ) < 0 => Vo = Vneg

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Grado en Ingeniería Informática

Disparador de Schmitt

Vi<< Vref => V- < V+ => V’o = VOH => V’o = (V1 + | VZ2 |)

( )21

'21

21

21

1

'

2 RRVRVR

RRVRR

RV

RVV OHrefOHref +

=+

⇒=− ++

HrefOHref V

RRVRVR

V =+

+=+

21

'21

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Grado en Ingeniería Informática

Vi= V- > VRH => V- > V+ => Vo = VOL => V’o = V’OL = -(V2 + |VZ1 |)

RLOLref V

RRVRVR

V =+

+=+

21

'21

Vi= V- > VRL => V- < V+ => Vo = VOH => V’o = V’OH = (V1 + |VZ2 |)

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Grado en Ingeniería Informática

6.2 Conversion Digital Analógica Analógica Digital

A lo largo de la asignatura hemos trabajado con dos tipo de datos: Analógico y Digitales.

Analógicos:- pueden tomar cualquier valor entre un rango continuo- no sólo nos interesa el estado de los dispositivos

Digitales:- formados por una palabra con unos “1” y ceros “0”- nos interesa el estado de los dispositivos, ON u OFF

Dentro de los circuitos analógicos tenemos a los amplificadores, derivadores, osciladores, generadores de señal, ... Con respecto a los digitales tenemos puertas lógicas, memorias, ALUs, ...

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 32

Grado en Ingeniería Informática

A veces interesa “convertir” un valor digital a uno analógico. Los conversores son circuitos que convierten un valor analógico a un valor digital o viceversa.

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 33

Grado en Ingeniería Informática

Convertidores Digital/Analógico

Si la palabra digital es : SN SN-1 ...S1 S0 su valor analógico será

K [SN2N + SN-12N-1 +...+ S12N+ S0 ]

Estudiaremos dos tipos de conversores D/A

Sumador analógico

Convertidor en escalera R-2R

Palabra DigitalCircuito

convertidor D/A

Señal analógicaCircuito

convertidor D/A

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 34

Grado en Ingeniería Informática

Convertidor en Escalera R-2R

Debido a la pequeña dispersión en valores de resistencia, esta red suele preferirse sobre el esquema anterior, especialmente para N>4.

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 35

Grado en Ingeniería Informática

( )

( )⎪⎩

⎪⎨⎧

=

+++=

+++=

+=+=

−−=−=

==−

=

−

+−

RR

SSSSV

V

VSVSVSV

VSVSVVSV

RR

VVSVSRIVSV

RRRRR

VVSI

thn

nn

nR

thn

nRRnRn

thn

RRthRth

thRRRth

ththR

2...422

2...

42

.

.

.4222

24

2

2||24

2101

101

01011

011111

101

1

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 36

Grado en Ingeniería Informática

[ ]nn

nR

S

fo

thnS

fo

f

o

S

thn

SSSV

RRR

V

VRR

RV

RV

RRV

2...22 101 +++

+

−=

+

−=⇒

−=

+

+

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Grado en Ingeniería Informática

Conversión A/D(Analógico/Digital)

Proceso de conversiProceso de conversióón n Muestro Muestro Mantenimiento Mantenimiento CuantizaciCuantizacióón n CodificaciCodificacióónn

Circuitos de Muestreo y mantenimiento. Teorema de Shannon

Convertidores A/DConvertidores en lazo abierto Convertidores realimentados

Convertidor ContadorConvertidor en aproximaciones sucesivas

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 38

Grado en Ingeniería Informática

Proceso de conversión

Cuatro fases:

Muestreo

Mantenimiento

Cuantificación

Codificación

Palabra Digital Circuito

convertidor D/A

Señal analógicaCircuito

convertidor A/D

En este tema, complementando el anterior, vamos a estudiar la conversión analógica/digital (A/D).

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 39

Grado en Ingeniería Informática

1) Muestreo

Se toma periódicamente el valor de la señal analógica.

2) Mantenimiento

Durante el tiempo que se tarda en transformar la señal analógica a digital se mantiene el valor de la señal muestreada.

3) Cuantificación

Consiste en aproximar el valor mantenido a un múltiple entero de una cantidad asociada con la resolución del convertidor, la sensibilidad del convertidor.

4) Codificación

Consiste en el paso del número de nivel a valor binario o al código deseado

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Grado en Ingeniería Informática

MUESTREO

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Grado en Ingeniería Informática

a) Número de bits: N, determina el número de posibles salidas, 2N.

b) Rango de entrada: VR, rango de tensión de entrada que el

conversor es capaz de analizar.

Ejemplo:

Rango [0, 5] V interesa que la señal a convertir sea entre 0V y 5V,

si fuera una señal entre 0V y 0.5V estaríamos desaprovechando el

conversor. Tendríamos primero que amplificar la señal para

ajustarla al rango.

Características de un convertidor A/D

CUANTIFICACIÓN

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 42

Grado en Ingeniería Informática

c) Tiempo de conversión: TC, tiempo que se tarda en convertir la

señal analógica a la palabra digital. Conviene que este tiempo

sea lo más pequeño posible y debe ser menor que el periodo de

muestreo.

d) Sensibilidad: , mínimo incremento de la entrada capaz de

apreciar el conversor A/D:

Ejemplo:

Rango [0, 5] ⇒ VR = 5V

N = 10 bits ∆ = 5/1023 ≅ 5 mV

12 −=Δ N

RVΔ

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 43

Grado en Ingeniería Informática

Aproximación + 1 LSB, ± ½ LSB

Ejemplo:

V ∈ [0, 5] ⇒ N = 2, numero de niveles: 2N = 4

22-1 = 3 intervalos ∆ = 5/(22-1) = 1.66 V/interv

5 V

3.3 V

1.6 V

0 V

+ 1 LSB ± ½ LSB

3 ∆

2 ∆

∆

0

Nivel

11

10

0100

11

10

01

00

5/2 ∆

0

3/2 ∆

1/2 ∆

5 V

0 V

Nivel

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 44

Grado en Ingeniería Informática

113Nivel32102Nivel2011Nivel V 000 0 NivelV0

→→Δ<≤Δ→→Δ<≤Δ→→Δ≤<→→=

a

a

a

a

VV

VV

113NivelV525

102Nivel25

23

011Nivel23

21

00 0 Nivel21 V0

→→<≤Δ

→→Δ<≤Δ

→→Δ≤≤Δ

→→Δ≤≤

a

a

a

a

V

V

V

V

+ 1 LSB

± ½ LSB

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 45

Grado en Ingeniería Informática

Ejemplo:

Convertidor de 8 bits, N = 8, rango entre 0 V y 5 V, VR = 5V.

Tenemos 28 = 256 niveles. Sensibilidad ∆ = 5/255 = 19.6 mV.

255 5 V...

1 19.6 mV

0 0 V

Suponemos una señal analógica de 3.38 V, corresponde al nivel

3.83 V / 19.6 mV = 195.408:

196 + 1 LSB Codificación → 11000100

195 ± ½ LSB Codificación → 11000011

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 46

Grado en Ingeniería Informática

Circuitos de muestreo y mantenimiento Teorema de Shannon

El siguiente circuito es el que se suele utilizar como muestreador-retenedor.

Consiste en dos seguidores de tensión con una puerta de paso y un condensador.

NMOS

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Grado en Ingeniería Informática

El transistor o la puerta de paso hace las funciones de interruptor:

- Si Vc=1 ⇒ C se carga al valor Vi

- Si Vc=0 ⇒ C mantiene el voltaje Vi

Muestreo

Mantenimiento

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 48

Grado en Ingeniería Informática

Teorema de Shannon:

La frecuencia de muestreo debe ser dos veces mayor que la

frecuencia máxima de la señal de entrada:

max2 ffmuestreo ≥

Problema grave:

¿Con qué frecuencia debemos muestrear?

Consecuencia:

Una señal que no esté limitada en banda no se va a poder muestrear sin que se pierda información. Lo que se hace con una señal de este tipo es pasarla primero por un filtro paso-baja de manera que limitemos la frecuencia máxima.

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 49

Grado en Ingeniería Informática

Convertidores A/D

Convertidor en lazo abierto

Ejemplo: convertidor A/D de 8 bits.

Ventaja: rápido Tc = 1 ciclo de reloj.

Inconveniente: mucha circuitería.

( ) ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −+=→ RNR

RV

VN refN 1

2255255 a 1 de

Si la tensión de entrada Va está comprendida entre VN-1 y VN

desde el comparador 1 hasta el N-1 dan salida “1” y la de los otros comparadores es “0”.

Se utiliza si el numero de bits no es demasiado grande.

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 50

Grado en Ingeniería Informática

refV

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 51

Grado en Ingeniería Informática

Convertidores realimentados

Entrada Analógica Salida Digital Salida

Analógica

Se comparan

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 52

Grado en Ingeniería Informática

Convertidor en lazo cerradoConvertidor Contador

El contador inicia una cuenta desde 000...0 hasta que la salida digital convertida a analógica supera a Va, en ese momento se para la cuenta.

Peor caso Tc es 2N pulsos de reloj

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 53

Grado en Ingeniería Informática

Convertidor en aproximaciones sucesivas

Mejora el tiempo de conversión del anterior.

Pasos:

1) Se coloca un registro de longitud N (número de bits) y se pone inicialmente a 000...0.

2) Se hace 1 el bit más significativo.

3) Se compara el valor analógico correspondiente a 100...0 con el valor Va de entrada.

Si Va > ⇒ El bit 1 se mantiene

Si Va < ⇒ El bit 1 se transforma en 0

FUNDAMENTOS FÍSICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 54

Grado en Ingeniería Informática

Se repite el proceso para los N bits, primero con el segundo bit más significativo y así con todos. Se tardan N+2 pulsos de reloj, 1 por cada bit, 1 para el inicio y otro para pasar la palabra digital a la salida.