tema 1 conocimientos previos introducción a la electrónica digital

7/23/2019 Tema 1 Conocimientos Previos Introducción a la electrónica Digital

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Tema 1Conocimientos previos

Dpto. Ing.Electrónica y Comunicaciones – Universidad de Zaragoza 2

Indice

1.1 - Tipos de sistemas electrónicos y Nomenclatura

1.2 - Necesidad de los sistemas electrónicos

1.3 - Tipos de componentes

1.4 - Amplificadores

1.5 - Respuesta en frecuencia

1.6 - Modelos y convenios



1.1 - Tipos de sistemas electrónicos y Nomenclatura

1.1.1 – Tipos de sistemas electrónicos

1.1.2 - Nomenclatura


• Sistemas de monitorización, medición, visualización…

Sistemaelectrónico

Sensor

Actuador

• Sistemas de control y regulación

Sistema

electrónicoReferencia

Sensor

Actuador

1.1.1 - Tipos de Sistemas Electrónicos - I

Partes de un sistema general y modos de actuación:




1.1.1 - Tipos de Sistemas Electrónicos - II

Dos procesamientos:

• Transforman la energía en trabajo o acciones útiles.

• Procesan la información de las entradas y actúan con sus salidas.

• Tanto las entradas como las salidas son magnitudes físicas concretas.• Pueden cambiar de forma continua o discontinua (discreta).

• Son analógicas las magnitudes que cambian de forma continua.

• Son digitales las magnitudes que cambian en dos valores de forma discontinua.

Amplitud

Tiempo

Analógica Discreta

Amplitud

Tiempo

Digital (binario)

Amplitud

Tiempo

Tipos de señales temporales:


Corriente Corriente de “a” a “b”

i>0

Corriente de “b” a “a”

i<0

2 1bv v v

1 2av v v

Tensión

va vb

v1

v2

+

– +

–

2

1

0

a

v V

v v

Referencia

v1

va

v2

+

–

Orden de magnitud

10-15 f = femto

10-12 p = pico

10-9 n = nano

10-6 = micro

10-3 m = mili

100 unidad

10+3 K = kilo

10+6 M = mega

10+9

G = giga10+12 T = tera

1.1.2 - Nomenclatura - I: escala de unidades




1.1.2 - Nomenclatura - II: tipos de señales

0,000u 0,500u 1,000u 1,500u 2,000u

Time(s)

( V )

0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000net5vpos_1

CONTINUA

0,000m 0,500m 1,000m 1,500m 2,000m

Time(s)

( V )

-2,000

-1,000

0,000

1,000

2,000net1khz_1

ALTERNA

CUADRADA

0,000m 0,500m 1,000m 1,500m 2,000m

Time(s)

( V )

-1,000

-0,750

-0,500

-0,250

0,000

0,250

0,500

0,750

1,000net1khz_1

ALTERNA SENOIDAL

Amplitud (V p)

Periodo = 1/frecuencia

v(t): valor instantáneo de la señal

valor medio valor eficaz

dt t vT

V T

0

)(1 T

eff dt t vT

V 0

2 )(1

Ejemplo sinusoidal

0V

2

p

eff

V V

V

1.2 - Necesidad de los sistemas electrónicos

1.2.1 - Necesidad del tratamiento de información o señal

1.2.2 - Necesidad del tratamiento de la energía eléctrica




1.2.1 - Necesidad del tratamiento de información o señal

Tipos de tratamiento de señal:

• Convertir variaciones del fenómenofísico a variaciones de señal eléctrica:transductor

• Mantener la forma de la señal perodarle más energía: amplificar

• Convertir señal eléctrica en unamagnitud física: efector

• Cambiar la forma de la señal: modular

• Operar con la señal (comparar, filtrar,sumar, integrar, derivar, etc…)

vout

vin


1.2.2 - Necesidad del t ratamiento de la energía eléctrica

Por ejemplo: La compañía eléctrica proporciona energía en forma de una tensiónalterna sinusoidal de 230V eficaces, pero se quiere alimentar un elemento quefunciona con corriente continua. Diséñese el dispositivo.

“fuente de

alimentación”v i vo

0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7

Acondicionamiento:

Generación:

Conversión de energía de unamagnitud física a la forma deenergía eléctrica.

Paneles de

células

fotovoltaicas



1.3 - Tipos de componentes

1.3.1 - Componentes pasivos

1.3.2 - Componentes activos

1.3.3 - Componentes No Lineales


1.3.1 - Componentes pasivos - I

vi

Resistencia

Disipa energía

P=RI 2 (sin inercia)

Tipos: pirolíticas,

película metálica,

bobinadas, sensores,

variables...

Unidades: k

LDR

NTC

PTC

POTENCIA

R

i+

v _




Código de Color

Múltiplos devalores determinados:

1.0 – 1.2 – 1.5

1.8 – 2.2 – 2.73.3 – 3.9 – 4.7

5.6 – 6.8 – 8.2

1.3.1 - Componentes pasivos - II


Resistencias Variables

Denominados

Potenciómetros

Tipos: mando, ajuste,

lineales, logarítmicos...

AJUSTEMANDO

Divisor de Tensión

+

-

V 1

+

- V’ = V

Resistencia Variable

P

1

R = P

1.3.1 - Componentes pasivos - III

P

i

P

i

Divisor Ajuste

+

v _

+

v _




Qv

C

1 1dv dQi

dt C dt C

Condensador

0i

0v

baja

frecuencia

altafrecuencia

Almacenan energía en campo eléctrico

Tipos: cerámicos, poliéster, papel, mica,variables, electrolíticos (con polaridad)...

Unidades: pF, nF, F, mF

2

2

1CV E (Inercia en tensión)

VARIABLE

CERAMICOSPOLIESTER

ELECTROLITICOS

1.3.1 - Componentes pasivos - IV

C

i

Sin polaridad

C

i

+

Con polaridad

+

v _

+

v _


d v

dt

Li

div L

dt

Inductancias

0i

0v

baja

frecuencia

alta

frecuencia

Almacenan energía en campo magnético

Tipos: aire, hierro, chapas, ferrita...

Unidades: H, mH

2

2

1 LI E (Inercia en intensidad)

BOBINAS

TRANSFORMADOR

1.3.1 - Componentes pasivos - V

L

i+

v _



Dpto. Ing. Electrónica y Comunicaciones – Universidad de Zaragoza 17

Transformadores Proporcionan aislamiento inductivo(acoplo inductivo).

Relación de transformación: conversión

en tensión eficaz (Tensión nominal)

Tipos: alimentación, aislamiento...

1.3.1 - Componentes pasivos - VI

n : N

i1 i2

+v1

_

+v2

_


Comportamiento gráfico de corriente frente a tensión en un componente

Curvas Características I/V

1.3.1 - Componentes pasivos - VII

+

- V

I I

V

Resistencia

I

+

- V

V

Inducción / Capacidad

I




+

- V

I I

V

FuenteTensión

I

+

- V

V

FuenteCorriente

I

a) Dependientes / Independientes

b) Continuas / Alternas

Suministran energía a un circuito

Generadores de Tensión y de Corriente

1.3.2 - Componentes activos - I


Fuentesde

Tensión

Fuentesde

Corriente

PARALELO

+

-

I1+

-

I2

SERIE

+

- V1

+

- V2

Interconexión de Generadores Ideales

+

- V1

+

- V2

I1

I2

+

- +

-

1.3.2 - Componentes activos - II




FuenteTensión

Real

Incorporan una impedancia asociada

Generadores Reales

FuenteCorriente

Real

+

-v

i

Z

FuenteTensiónReal

Anulada

Anular el generador deja su impedancia asociada

+

-v = 0V

i’Z

FuenteCorrienteReal

Anulada

+

-v’

i = 0A

Z

1.3.2 - Componentes activos - III

+

-v

iZ


Modifican o amplifican tensiones y/o intensidades eléctricas

DIODOS:

Permiten el paso de la corrienteeléctrica en un solo sentido

TRANSISTORES:

Amplifican tensiones y/o intensidades

1.3.3 - Componentes No Lineales



1.4 – Amplificadores

1.4.1 - Generalidades

1.4.2 - Amplificadores de tensión y corriente. Modelos

1.4.3 - Fuentes y cargas


1.4.1 - Generalidades - I

• La ganancia AS del amplificador es la relación entre las señales s o(t) y si(t), que

pueden ser de cualquier magnitud eléctrica.

• Idealmente, la ganancia del amplificador debe ser constante ante cualquiervariación de la señal (amplitud y/o frecuencia).

so(t) = AS si(t)

so = Señal de salida

si = Señal de entrada

AS = Ganancia Amplificador Carga

Fuente

de señal

Terminales de entrada (input ) Terminales de salida ( output )

si(t)

+

- so(t)

+

-

• Un amplificador es un circuito que produce una señal de salida de la misma

forma, pero de mayor potencia que la de entrada:




AMPLIFICAR: ¿de donde viene la potencia?

La potencia entregada a la carga proviene de una fuente de alimentación

• La fuente de alimentación produce una tensión continua.

• La fuente de alimentación muchas veces no se representa.• Desde el punto de vista de potencia, el amplificador es un convertidor de

potencia Convierte la potencia de la fuente de alimentación en una

potencia de salida con amplitud proporcional a la señal de entrada.

Pi

P alim

P o

P d

Potencia de entradade la fuente de señal

Potencia de entradade la fuente de alim.

Potencia de salidade señal en la carga

Potencia de salidadisipada en el

amplificador

1.4.1 - Generalidades - II

Flujo de potencias:


• Los amplificadores suelen tener un nodo común o de tierra.

• Este terminal es común a entrada y salida, y constituye la referencia de las tensiones.

Amplificador CargaFuente

de señal si(t)+

-

so(t)+

-

Símbolo de tierra

A s

CargaFuente

de señal si(t)

+

- so(t)

+

-

AS

• Como símbolo del Amplificador se suele utilizar un triángulo.

1.4.1 - Generalidades - III

TIERRA MASA

¿Son lo mismo?

No siempre




1.4.2 - Amplifi cadores de tensión y corriente. Modelos

Zi = Impedancia de Entrada Z o = Impedancia de Salida

Av = Ganancia de tensión con salida enabierto. Sólo depende de parámetrosinternos del amplificador

AV = Ganancia de tensión con carga

Amplificador de tensión

L L Z i

oV

Z i

ov

v

v A

v

v A

Ai = Ganancia de corriente con salidaen cerrado. Sólo depende de

parámetros internos del amplificador

A I = Ganancia de corriente con carga

Amplificador de corriente

00

L L Z i

l I

Z i

l i

i

i A

i

i A

vi

+

-v

o

+

-

Avvi

Z o Z i Z L Aiii Z o Z i

il ii

Z L


1.4.3 - Fuentes y cargas - I

La conexión de una fuente y una carga reales al amplificador modifica su ganancia.Por ejemplo:

vi

+

-

vo

+

-

Avvi

Z o Z iv s

Z s

Z L

Fuente (Source) Carga ( Load )

Lo

Lv

i

oV

Lo

Livo

Z Z

Z A

v

v A

Z Z

Z v Av

i s

i

Lo

Lv

s

oVs

i s

i si

Z Z

Z

Z Z

Z A

v

v A

Z Z

Z vv

Caso ideal para amplificador de tensión: vV Vsi s L A A A Z Z y Z Z 0




v v Z

Z Z v

Z Z vi s

i

i s s

s i s

1

10

Aplicaciones que requieren Z i (ECG)

Aplicaciones que requieren Z i (Fotodiodos)

vi

+

-

+

- Avvi

Z o Z i

v s

Z s

Z L sV o v Av

1.4.3 - Fuentes y cargas - II

+

-

Ai·ii Z o

Z i Z Li s Z s

ii

vo ≈ Z L A I i s


i G v Z

Z Z G v

Z Z G vl m i

o

o Lm i

L om i

1

10

v A vo v i

Aplicaciones que requieren Z o (diodo láser)

Aplicaciones que requieren Z o (hilo musical)

vi

+

- vo

+

- Avvi

Z o

Z i Z L1 Z L3 Z L2

Z Lvi

+

-Gmvi Z o Z i

iml vGi

1.4.3 - Fuentes y cargas - III




Aquí hay adaptación en potencia si Z o = Z L* ;

v s

Z o

Z L

Aplicaciones que requieren una impedancia determinada:

Máxima transferencia de potencia

1.4.3 - Fuentes y cargas - IV

vi

+

- Avvi

Z o Z i1 Z i2

Antena

Línea de Transmisión

ZLT

Amplificador de antenaCable de antena

EntradaTV

Z L

1.5 - Respuesta en frecuencia. Filtros



Dpto. Ing.Electrónica y Comunicaciones – Univ. De Zaragoza 33

1.5.1 – Respuesta en frecuencia - I

Cualquier señal se puede descomponer en

una suma de senos y cosenos de amplitud,

fase y frecuencia determinadas

FOURIER u(t) = u0 +

u1 sen( ωt) +

u2 sen(2ωt) +

u3 sen(3ωt) +

...

0 2 4 6 8 10 12 14-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Señal

Armónicos

n•

Componentes de la Señal

0 2 4 6 8 10 12 14-1

0

1

0 2 4 6 8 10 12 14-1

0

1

0 2 4 6 8 10 12 14-1

0

1

0 2 4 6 8 10 12 14-1

0

1

u(t)

u0

u2

u3

DesarrolloFourier

u1 Frecuencia

Fundamental

Valor medio

Valor de Continua


f vin vout

La respuesta del sistema a

la señal se puede obtener

sumando las respuestas a

las senoides.

SUPERPOSICIÓN

Si se conoce el tratamiento que se le da a una señal de tipo sinusoidal, y si

el sistema es lineal, se conoce el tratamiento que se da a cualquier señal

1 2 3 1 2 3... ...out in in in in in in inv f v f v v v f v f v f v

Si el sistema A es l ineal f

vin

vin1 + vin2 + vin3 + ...

vout = f(vin )

vout

vout1 + vout2 + vout3 + ...

1.5.1 - Respuesta en frecuencia - II

0 2 4 6 8 10 1 2 1 4-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10 1 2 1 4-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1




0 2 4 6 8 10 12 14-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10 12 14-1

0

1

0 2 4 6 8 10 12 14-1

0

1

0 2 4 6 8 10 12 14-1

0

1

0 2 4 6 8 10 12 14-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

alta “ fidelidad”

0 2 4 6 8 10 12 14-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

baja “ fidelidad”

A1

A2

A3

u y

+

u1

u2

u3

y1

y2

y3

Sistema de

procesamiento de la señal

1.5.1 - Respuesta en frecuencia - III


• Respuesta en frecuencia de un sistema es la respuesta que presentadicho sistema en régimen permanente, ante una entrada senoidal pura,cuando la frecuencia de la señal de entrada varía en todo el rango defrecuencias a estudiar.

1.5.1 - Respuesta en frecuencia - IV

vin( ) Amplificador

G (j )

v out( )

Ganancia en laBanda de paso

log

|G (j)|dB

Gm

H (cs)L (ci)




f

A

fc

Filtro PASO BAJO (LP)

f

A

fc

Filtro PASO ALTO (HP)

f

A

f1 f2

Filtro PASO BANDA (BP)

f

A

f1 f2

Filtro BANDA ATENUADA

No es posible realizar filtros ideales, sólo aproximaciones:

1.5.2 - Filtros ideales

1.6 - Modelos y convenios

1.6.1 - Modelos

1.6.2 - Análisis en continua

1.6.3 - Análisis en señales

1.6.4 - AC - DC




t

v

vA

va

VA

vA: valor de tensión totalVA: valor de tensión continuava: valor de tensión de señal

1.6.1 - Modelos y convenios: modelos

• Cualquier Valor• Ecuaciones matemáticas características• Análisis general exacto ( simulación)

METODO EXACTO

Valores pequeños

• Amplificadores de pequeña señal• Modelo de pequeña señal para dispositivos

METODO APROXIMADO

Valores grandes

• Amplificadores de potencia• Modelo de gran señal para dispositivos

Valores grandes

• Polarización, conmutación• Modelo de gran señal para dispositivos

vA = VA + va


i

v I +

– vOUT

C

L

V

METODO APROXIMADO: Análisis por superposición de señales y niveles decontinua (Equivalente en corriente continua)

vOUT: Valor de tensión totalVOUT: Valor de tensión continuavout: Valor de tensión de señal

vOUT = VOUT + vout

Análisis en el equivalente en continua:

1- Anular fuentes de señal

2- Abrir condensadores

3- Cortocircuitar autoinducciones

4- Sustituir equiv. de dispositivos

vOUT = VOUT´

+

–

vOUT´

I

V

i=0

C

L

v=0

V

r d

1.6.2 - Modelos y convenios: análisis en continua




+

–

vOUT

i

v I

C

L

V

+

–

vOUT´́

i

v

METODO APROXIMADO: Análisis por superposición de señales y niveles decontinua (Equivalente en corriente alterna)

vOUT: Valor de tensión totalVOUT: Valor de tensión continua

vout: Valor de tensión de señal

vOUT = VOUT + vout

vOUT = vout´́V=0

I=0

Análisis en el equivalente en señales:

1- Anular fuentes de continua

2- Cortocircuitar condensadores

3- Abrir autoinducciones

4- Sustituir equiv. de dispositivos

L

C

r d

1.6.3 - Modelos y convenios: análisis en señales


v A

Valor medio (V A )Valor de Continua

Medición en DC (“Direct Current”) oCC (Corriente Continua):

DC

vA: Valor de tensión totalVA: Valor de tensión continua

va: Valor de tensión de señal

vA = VA + va

Medición en AC (“Altern Current”) oCA (Corriente Alterna):

AC

vA: Valor de tensión totalv

a

: Valor de tensión de señal

vA = va

v A

Valor medio nulo

1.6.4 - Modelos y convenios: AC - DC




Dudas y Preguntas

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