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  • 1. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL UNIDAD DIDÁCTICA 5: PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA ELECTRÓNICA. 1.- OBJETIVOS. Conocer los principios básicos de funcionamiento de los componentes electrónicos de estado sólido (semiconductores intrínsecos y extrínsecos tipo p y n) Diferenciar entre circuitos analógicos y circuitos digitales Establecer la función de los elementos pasivos en los circuitos electrónicos digitales Utilizar los componentes electrónicos para montar un circuito analógico sencillo. Diseñar circuitos digitales sencillos utilizando la simbología normalizada 2.- CONTENIDOS. CONCEPTUALES. Las señales portadores de información pueden ser principalmente de dos tipos analógicas o digitales. Las del primer tipo presentan márgenes continuos en amplitud, mientras que las del segundo tipo tiene valores discretos de la correspondiente señal. Esto ha dado lugar a diferenciar entre la denominada electrónica analógica y la electrónica digital. Por otro lado, los componentes que forman parte de los circuitos electrónicos son también muy variados; y principalmente se subdividen en componentes pasivos (resistencias, bobinas y condensadores) ya estudiados en las unidades didácticas anteriores, los componentes activos (diodos y transistores) y finalmente los denominados circuitos integrados, mas propios de los circuitos digitales que de los analógicos. En la presente unidad didáctica, se tratará de introducir al alumno en los fundamentos esenciales de los circuitos analógicos y digitales cuya profundización corresponde al siguiente curso. Por ello, se subdividirá la unidad didáctica en 3 partes. En la primera se trataran los conceptos básicos en los que se fundamentan los semiconductores con los que se fabrican los elementos activos y los circuitos integrados. La segunda se dedicará a analizar la constitución y funcionamiento de los circuitos analógicos. Y la tercera, establecerá los fundamentos de los circuitos digitales. 1.- FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LOS SEMICONDUCTORES. Cuando se estableció qué se entendía por resistencia de un hilo conductor se dedujo que ésta estaba en función de un parámetro geométrico (L/S) y de otro intrínseco del propio material. Por esta razón los hilos son de cobre y no de madera. Existen materiales conductores, que debido a su estructura interna presentan electrones libres (enlace metálico) y son buenos conductores; y otros que no (enlace covalente) y son aislantes. Entre ambos, se encuentran materiales como el silicio y el germanio que conducen en determinadas condiciones y en otras no; y a los que se les suele denominar semiconductores intrínsecos. Página 1
  • 2. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Para explicar cómo funcionan los semiconductores intrínsecos, hay que considerar que cada átomo en la red de silicio se encuentra unido a 4 átomos de silicio mediante 2 electrones que dan lugar a la unión en geometría tetraédrica. Por efecto de la temperatura, o mediante la comunicación de energía externa (por ejemplo luz) dichos enlaces pueden alcanzar el valor suficiente para romperse. Con ello los electrones quedan libres en la red y se convierten en conductores similares a los metales. Pero además la ausencia de cargas negativas en la red da lugar a huecos que también se consideran portadores de carga (con signo positivo) y su movimiento también supone la conversión de aislante en conductor. Esta es la forma en cómo funcionan los semiconductores intrínsecos. Cuando un electrón encuentra un hueco, se produce el efecto de la recombinación. De cualquier forma en un semiconductor intrínseco siempre se cumple que el número de huecos y el de electrones es igual (n=p). Página 2
  • 3. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Al añadir al cristal pequeñas cantidades de impurezas apropiadas, se varía la concentración relativa de huecos y electrones. Tenemos así un semiconductor extrínseco. Por ejemplo, si añadimos fósforo que tiene 5 electrones de valencia. Los átomos de fósforo se posicionan en la estructura cristalina y forman enlaces covalentes con sus 4 vecinos. El quinto electrón de valencia sólo está débilmente unido al átomo de fósforo. A temperatura de trabajo dicho electrón rompe su enlace con el átomo de impureza, y se convierte en un electrón libre. Sin embargo, dicho electrón no crea huecos y su carga se equilibra con el núcleo iónico de la impureza. Así se pueden crear electrones libres añadiendo al silicio impurezas pentavalentes, denominadas donantes. Al material resultante se le conoce como semiconductor extrínseco tipo n. Los huecos de la estructura debidos al silicio base son portadores minoritarios y los electrones de las impurezas mayoritarios. Debido a la mayor concentración de electrones el número de huecos disminuye en virtud de la denomina ley de acción de masas. El fenómeno de la recombinación hace que la vida media de los portadores minoritarios diminuya, siendo un parámetro importante en los componentes electrónicos. De forma similar, si las impurezas añadidas al silicio son trivalentes, como por ejemplo boro, en lugar de electrones libres en la red del silicio se generan huecos. Por esta razón a dichos elementos trivalentes se les denomina aceptores y su introducción da lugar a semiconductores intrínsecos tipo p. Basándonos en los principios de los semiconductores extrínsecos, es posible diseñar Página 3
  • 4. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Basándonos en los principios de los semiconductores extrínsecos, es posible diseñar semiconductores de forma sintética. Es el caso del arseniuro de galio utilizado en los CD como material semiconductor. Estos principios se utilizan en el diseño de circuitos integrados. Protegiendo apropiadamente las zonas con óxidos y dopando mediante fotolitos, difusión o cañones ionicos, se pueden tener zonas de un mismo cristal dopadas adecuadamente, que darán lugar a circuitos integrados. Los portadores de carga se mueven al azar en el cristal debido a la agitación térmica. Las colisiones con la retícula provocan que los portadores cambien de dirección con frecuencia. Como después de la colisión las direcciones son aleatorias la velocidad media de los portadores en cualquier dirección es cero. Si aplicamos un campo eléctrico externo se produce un movimiento de los portadores diseccionado, efecto denominado deriva. En dichos casos, la velocidad media de los portadores de carga es proporcional al valor del campo eléctrico, su constante de proporcionalidad se denomina movilidad. Si hay diferencias de concentración de portadores de cargas en el cristal, está tiende a desaparecer con el tiempo debido al fenómeno denominado difusión. La difusión, la recombinación y la deriva se pueden ilustrar con el experimento de Shockley-Haynes. En dicho experimento se demuestra que los excesos tanto de huecos como de electrones tienden a desaparecer con el tiempo. Este efecto será comentado posteriormente para explicar el comportamiento de las uniones pn en diodos y transistores. Página 4
  • 5. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 2.- LOS DIODOS. El diodo es un dispositivo electrónico que posee dos terminales el ánodo y el cátodo. El símbolo del diodo y su característica de tensión y corriente se muestran a continuación. Como se observa de la característica el diodo se toma como positiva de ánodo a cátodo y su corriente se considera como positiva cuando se considera de ánodo a cátodo. Cuando la conexión se realiza de esta manera se considera polarización directa, cuando es a la inversa polarización inversa. Si la polarización inversa es suficientemente grande, se entra en la región de ruptura inversa o zona de avalancha. Si la potencia disipada por el diodo no eleva demasiado su temperatura, el modo de trabajo en ruptura inversa no destruirá el dispositivo. Página 5
  • 6. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL En la región de polarización directa, los diodos en polarización directa presentan un codo sobre 0,6V. Existe un tipo de diodo denominado zener o diodos de avalancha que funcionan en la zona de polarización inversa. Los diodos zener son aquellos que se encuentran en un margen inferior a los valores de ruptura que se suele ocasionar por encima de los 6V La curva característica de los diodos no es lineal. Los métodos gráficos constituyen constipen un enfoque para analizar este tipo de circuitos. Como se muestra a continuación, partiendo de un circuito típico, se puede determinar el denominado punto de trabajo utilizando la ley de Ohm, como punto de intersección entre el obtenido a partir de circuito y el de la curva característica. Con la finalidad de simplificar el proceso de cálculo se suele utilizar un modelo simplificado de curva característica dado de la forma siguiente. La importancia de los diodos radica en que son componentes fundamentales en determinados circuitos típicos de componentes electrónicos entre los que destacamos los Página 6
  • 7. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL determinados circuitos típicos de componentes electrónicos entre los que destacamos los siguientes: a) Rectificadores Los rectificadores convierten la corriente alterna en corriente continua, son las base de fuentes de alimentación electrónicas y de los circuitos de carga de baterías. Comenzamos estudiando el rectificador de media onda. Cuando la tensión de la fuente es positiva, el diodo se encuentra en polarización directa, y aparecerá carga en la tensión de la fuente, y la tensión de salida será 0.7V. Si la tensión de la fuente es negativa, el diodo se halla en polarización inversa y no fluye ninguna corriente. El resultado se muestra a continuación. Para conseguir una tensión continua casi constante, se situa en la salida un condensador. Con esto, se modifica la forma de la onda de salida, sin embargo aún queda una pequeña tensión de rizado, que se minimiza escogiendo un buen valor de capacidad C=IlT/Vr. Página 7
  • 8. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Un aspecto importante de los circuitos rectificadores es la denominada tensión inversa de pico, que es el valor de pico de la corriente rectificada. Existen bastantes circuitos rectificadores de onda completa. Uno de ellos utiliza un transformador, como toma intermedia entre los diodos. A continuación se muestran algunos ejemplos de rectificadores de onda completa y sus circuitos característicos. En todos ellos, se deberá añadir un condensador a la salida para mejorar el valor constante de la tensión, auque esto signifique añadir un pequeño valor de rizado. b) Circuitos conformadores de onda. Entre los circuitos conformadores de onda destacan los denominados recortadores. Página 8
  • 9. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Los cambios de fuentes de tensión por diodos zéner Página 9
  • 10. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL En todos ellos, un aspecto importante es la elección de R y C c) Circuitos reguladores de tensión Lo más típico es la utilización de un diodo como estabilizador de tensión, cuyo estudio se muestra a continuación, así como las curvas que se utilizan para su estudio. Página 10
  • 11. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 3.- TRANSISTORES BIPOLARES Un transistor bipolar npn está formado por una fina capa de material de tipo p entre dos capas de material tipo n, de forma análoga los tipo pnp están formados por una fina capa de material n entre dos tipo p. En cualquier caso existen dos uniones de tipo pn; la unión colector-base y la unión emisor-base. A las diferentes capas las denominaremos emisor, base y colector, como se muestra en la figura. Si se realiza la conexión de transistor tal y como se muestra en la figura, se dice que el circuito está en emisor común. Una de la uniones se polariza directamente y funciona como amplificador. La otra unión está polarizada inversamente. Si Uce>Ube, la unión colector base está inversamente polarizada y la tensión Ubc=Ube-Uce. La corriente de emisor es la corriente que pasa por la unión base-emisor y depende de Ube. En otras palabras se cumple la ecuación de Shockeley Página 11
  • 12. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Los valores característicos de la corriente de saturación Ies se encuentran comprendidos entre los 10-12 y 10-17 A, dependiendo del área de la unión y de otros factores. La región del emisor tiene un alto nivel de dopaje comparada con la base. Por ello, la concentración de electrones libres en el emisor es mucho mayor que la concentración de huecos en la base. Por tanto la corriente ie que pasa por la unión base emisor son electrones que fluyen de la base al emisor. Los electrones que cruzan la unión se convierten en portadores minoritarios y se difunden alejándose de la unión del emisor y yendo a la unión del colector. Cuando los electrones llegan a la zona de carga de la unión del colector, se ven arrastrados por el campo eléctrico a la región del colector. La región de la base es muy delgada y en ella se producen muy pocas recombinaciones. Una pequeña fracción de la corriente que pasa por la unión base emisor consiste en huecos que cruzan de la base al emisor y estos huecos siguen llegando a través del terminal de la base. Otra contribución a la corriente de base proviene de los electrones que se combinan con huecos en la región de la base. En un transistor bipolar típico, la corriente de la base es del orden del 1% la del emisor. En la figura se muestran las curvas características del transistor bipolar típico, que están idealizadas. Página 12
  • 13. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Como se aprecia en la figura existen 3 zonas en las que el transistor se comporta de forma diferente. En la tabla se han descrito las condiciones de trabajo que caracterizan a cada una dichas zonas de corte, activa y saturación. Para que el transistor presente un buen funcionamiento como amplificador, se requiere definir el factor de amplificación que varía entre 10 y 1000 y cuyo valor es β=ic/ib. Si aplicamos las leyes de Kirchhoff al dispositivo se cumple esencialmente que ie=ic+ib. Las curvas características vienen afectadas por algunos rasgos característicos como son la modulación en la anchura de la base, la ruptura del colector que da lugar a la denominada avalancha secundaria y la denominada corriente de fugas inversas. Las condiciones en las cuales funciona el transistor delimitan su punto de trabajo. Cuando éste trabaja como amplificador se le suele colocar como corriente de entrada una fuente de alimentación en alterna. De esta manera el circuito, es analizado y se obtiene la denomina línea de carga, a partir de la cual se establecerán los puntos de trabajo para los dos valores límites de la fuente de alimentación en continua, tal y como se muestra a continuación mediante análisis gráfico. Página 13
  • 14. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL En algunas ocasiones los picos de la función resultante se encuentran en la zona de saturación o de corte del transistor y se ven recortados. Página 14
  • 15. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL El estudio realizado para el transistor npn es igual para el pnp, con cambios en los sentidos de la corriente como se observa en la figura siguiente: Los amplificadores, mejoran su funcionamiento añadiendo condensadores, que aumenta la ganancia del mismo (relación entre las tensiones de entrada y salida. Un ejemplo típico de amplificador, lo constituye el siguiente circuito: Página 15
  • 16. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Además de cómo amplificador, los transistores son componentes indispensables en otros tipos de circuitos, tales como los denominados interruptores digitales. Un ejemplo de circuito de interruptor lógico digital es el siguiente: Página 16
  • 17. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Los transistores también son componentes indispensables de circuitos tales como fuentes de alimentación (fuentes de intensidad), puertas lógicas, osciladores, amplificadores de audio, etc.. que serán tratados en cursos posteriores. Aunque en muchas de sus aplicaciones, los transistores bipolares, están siendo sustituidos por unipolares y circuitos integrados con mejores rendimientos. Uno de los graves problemas de los transistores bipolares es su calentamiento que puede llegar a destruirlos, por lo que en muchas ocasiones se suele colocar una resistencia en el emisor con la finalidad de disminuir dicho efecto. 4.- TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO. Los transistores de efecto de campo (Field Effect Transistor) son importantes dispositivos que, al igual que los bipolares, se utilizan como amplificadores e interruptores lógicos. Comparados con los bipolares, los FET ocupan menos área de chip y su fabricación requiere menos pasos. Frecuentemente, circuitos digitales complejos, como memorias y microprocesadores, se implementan únicamente con MOSFET (metal-oxide-semiconductor). Por otra parte, los bipolares pueden generar unas corrientes de salida elevadas, necesarias para la conmutación rápida de cargas capacitivas, como las pistas de circuitos impresos que interconectan chips digitales. La estructura física de un MOSFET de acumulación de canal n (NMOS), puede verse en la figura. Los terminales del dispositivo son el drenador (D), la puerta (G), la fuente (S) y el sustrato (B). En funcionamiento normal, por el terminal del sustrato pasa una corriente despreciable. En nuestro estudio se supondrá que el sustrato está conectado a la fuente, por lo que tendremos un dispositivo de 3 terminales. La puerta se halla aislada del sustrato por una fina capa de dióxido de silicio y por el terminal de la puerta fluye una corriente despreciable. Cuando se aplica a la puerta una tensión (positiva) en relación a la fuente, los electrones se ven atraídos a la región situada bajo la puerta, induciéndose un canal de material de tipo n entre el drenador y la fuente. Entonces, si se aplica una tensión entre drenador y fuente, y va a través del canal, hacia el drenador. La corriente de drenador está controlada por la tensión que se aplica a la puerta. Página 17
  • 18. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Las características del dispositivo dependen de su longitud y su anchura, y de parámetros de fabricación como el nivel de dopaje y la anchura del óxido. El material de la puerta es una capa de un tipo especial de silicio denominado polisilicio. El símbolo esquemático del MOSFET de acumulación de canal n puede verse también en la figura. En la figura se muestra la conexión de un transistor MOSFET. Página 18
  • 19. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Supongamos que se aplica al drenador una tensión positiva con relación a la fuente, y que empezamos con Ugs=0. Observe que en las interfaces drenador-sustrato y fuente-sustrato aparecen uniones pn. No fluye virtualmente ninguna corriente hacia el drenador ya que la unión drenador sustrato está polarizada en inversa por el generador Uds. A esto se le denomina región de corte. A medida que aumenta Ugs, el dispositivo permanece en corte hasta que Ugs alcanza un valor suficiente llamado tensión umbral Uto. Si Ugs es mayor que la tensión umbral, ya no estaremos en la región de corte, sino que nos encontraremos en la región ohmica del transistor. El campo eléctrico que resulta de la tensión aplicada a la puerta a repelido a los huecos de la región situada bajo la puerta, y ha atraído a los electrones que pueden fluir con facilidad en la dirección de polarización directa a través de la unión fuente-sustrato. Esta repulsión y atracción simultáneas producen un canal de tipo n entre el drenador y la fuente. Entonces, al aumentar Uds, la corriente fluye hacia el drenador a través del canal y de la fuente. Para valores pequeños de Uds, la corriente de drenador es proporcional a Uds. Además, para cada valor dado de Uds, la corriente de drenador es también proporcional al exceso de tensión de la puerta Ugs-Uto. Se cumple en esta región que Si se utiliza un FET en lugar de una resistencia, se puede conseguir lo que se denomina control automático de ganancia. A medida que aumenta Uds, la tensión entre la puerta y el extremo del canal correspondiente al drenador disminuye. Cuando la tensión puerta drenador Ugd iguala a la tensión umbral Uto, la anchura del canal en el extremo del drenador se hace cero. Para ulteriores incrementos de Uds, la id es constante, tal y como se muestra en la figura. A esto se le denomina región de saturación. La frontera entre las regiones ohmicas y de saturación en la gráfica, se puede obtener a partir de conocer que Ugs-Uds=Uto. Sustituyendo Ugs resulta que id=K . Es decir que el límite es una parábola. Página 19
  • 20. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL A causa de su construcción, los MOSFET tienen unas impedancias de entrada muy elevadas entre puerta y canal. Al manejar estos dispositivos, es fácil que se creen tensiones electrostáticas mayores que la tensión de ruptura del dieléctrica del aislamiento de la puerta. La ruptura de la capa aislante es destructiva, y suele dar como resultado un cortocircuito entre puerta y canal. Para mitigar este problema, los terminales de la puerta pueden protegerse con diodos zéner montados, como muestra la figura. Ahora vamos a realizar un análisis por el método gráfico de la línea de carga. En concordancia con la figura del cricutio, los generadores de tensión continua polarizan el MOSFET en un punto de trabajo adecuado para que pueda tener lugar la amplificación de la señal de entrada. Veremos que la tensión de entrada hace que Ugs varíe con el tiempo, lo que a su vez hace que varíe id. La caída de tensión variable en Rd hace que aparezca en el terminal del drenador una versión amplificada de la señal. Aplicando las leyes de Kirchhoff al bucle de entrada, y considerando los datos del circuto se obtienen los puntos de trabajo para la tensión de entrada 0(punto de reposo), +A y –A, tal y como se indica en la figura. Página 20
  • 21. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Este amplificador simplificado, se mejora añadiendo cargas capacitivas en la puerta y en la resitencia de la fuente, dando lugar a circuitos amplificadores más completos como el de la figura, en los que la señal de salida se ve claramente amplificada como se muestra Página 21
  • 22. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Finalmente existen otros dispositivos FET, cuyas características fundamentales se encuentran recogidas en la siguiente tabla. Página 22
  • 23. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 5.- OTROS ASPECTOS IMPORTANTES Además de lo anteriormente tratado existen otras consideraciones de interés relacionadas con la electrónica entre las cuales podremos destacar las siguientes: RESPUESTA EN FRECUENCIA. 1.- En una escala logarítmica, la variable se multiplica por una constante para una distancia dada a lo largo del eje. En una escala lineal, se suma una constante a la variable para una distancia dada a lo largo del eje. 2.- Para una década de frecuencia, la frecuencia superior es 10 veces la frecuencia inferior. Para una octava, la frecuencia superior es el doble de la inferior. 3.- Las funciones de transferencia para circuitos no distribuidos pueden expresarse como un cociente de polinomios en la variable s de Laplace. Las raíces del numerador se denominan ceros, y las raíces del denominador se denominan polos. 4.- Los diagramas de BODE muestran la magnitud en decibelios y la fase de una función de red en relación a la frecuencia, utilizando una escala logarítmica para la frecuencia. 5.- Para conseguir un valor alto para la frecuencia de corte superior en un amplificador en fuente común, deberemos reducir las capacidades del dispositivo Cgs y Cgd, las resistencias de fuente y de carga Rsig y rl, y la magnitud de la ganancia. Reducir Cgd es más importante que reducir Cgs. 6.- En un análisis exacto de la respuesta en alta frecuencia de un amplificador, tenemos que: 1. dibujar el circuito equivalen en pequeña señal 2. escribir las ecuaciones del circuito 3. utilizar métodos algebraicos para obtener la ganancia de tensión V0/Vs; 4. descomponer en factores los polinomios del numerador y denominador para determinar las frecuencias de corte; y 5. sustituir los valores y dibujar el diagrama de Bode. 7.- Una impedancia Zf conectada entre la entrada y la salida de un amplificador puede reeplazarse por una impedancia Zin,miller=Zf/(1-Av) conectada entre los terminales de entrada y una impedancia Zout,miller=ZfAv/(Av-1) conectada entre los terminales de salida. Esto se conoce como efecto Miller. Página 23
  • 24. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL salida. Esto se conoce como efecto Miller. 8.- El análisis exacto de alta frecuencia de los amplificadores puede resultar tedioso. A menudo, resultan útiles los cálculos aproximados basados en la aproximación Miller, en los que ignoramos los efectos de Zout, miller. 9.- El modelo híbrido en π resulta útil en el análisis matemático de la respuesta en alta frecuencia de los amplificadores bipolares. Los parámetros del modelo puede, calcularse frecuentemente a partir de la información proporcionada por los fabricantes. 10.- El efecto de Cµ sobre la respuesta en alta frecuencia de un amplificador en emisor común de alta ganancia es aumentado en gran medida por el efecto Miller. El ancho de banda puede hacerse mayor reduciendo Rs o reduciendo la ganancia a frecuencias medias (reduciendo Rl o añadiendo una pequeña resistencia de emisor sin condensador de desacoplo) 11.- Algunas configuraciones de amplificador que mejoran el funcionamiento a alta frecuencia en comparación con la etapa de emisor común son: el amplificador en base común, la conexión cascado, y el par diferencial acoplado por emisor. También son útiles las versiones FET de estos circuitos. 12.- Cuando la carga es una capacidad, y es necesaria una amplia respuesta en alta frecuencia, el seguidor de emisor es una buena elección para la etapa de salida, ya que tiende a tener una baja impedancia de salida. 13.- Cada condensador de acoplo en un amplificador con acoplamiento por condensador contribuye con una caída de 20 dB por década a la ganancia a baja frecuencia. La frecuencia de corte para cada condensador es fcorte=1/2πRC, donde R es la resistencia equivalente total en serie con el condensador. 14.- Los condensadores de desacoplo hacen que la ganancia de los amplificadores en emisor común o fuente común disminuya para baja frecuencia. Para frecuencias muy bajas, la ganancia nuevamente se nivela. La frecuencia de corte en la que la ganancia comienza a caer viene dada por fcorte=1/2πRC, donde r es la resistencia “vista” por el condensador en desacoplo. 15.- Podemos estimar la frecuencia de corte inferior hallando en primer lugar la frecuencia de corte para cada condensador de acoplo o de desacoplo (considerando a los demás condensadores como cortocircuitos) y sumando después las frecuencias de corte resultantes: fl=f1+f2+f3+f4+…………..+fn Página 24
  • 25. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 17.- En la sección 7.6 se proporcionan sugerencias para conseguir una alta impedancia de entrada, una alta razón de rechazo de modo común, y una baja distorsión en el diseño de pares acoplados por emisor. 18.- El par acoplado por fuente, es un circuito amplificador diferencial de gran importancia que puede construirse con transistores JFET o MOSFET. 19.- Las principales ventajas del para acoplado por fuente comparado con el par acoplado por emisor, son la baja corriente de polarización de entrada y la casi infinita impedancia de entrada del JFET o MOSFET (para baja frecuencia). Las desventajas Página 25
  • 26. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL impedancia de entrada del JFET o MOSFET (para baja frecuencia). Las desventajas del par acoplado por fuente, en comparación con el par acoplado por emisor, son una menor magnitud de la ganancia y una mayor tensión de offset. 20.- Puede diseñarse una amplia variedad de amplificadores integrados multietapa utilizando los circuitos examinados en este capítulo y los capítulos 4 y 5. Hemos analizado varios amplificadores operaciones en la sección 7.8 REALIMENTACIÓN Y OSCILADORES 1.- La realimentación negativa reduce la magnitud de la ganancia. Si Aβ>>1, entonces la ganancia en bucle cerrado es Af=1/β. Por tanto, Af es prácticamente independiente de las variaciones de la ganancia en bucle abierto A causadas por variaciones en los parámetros de los dispositivos activos. 2.- La realimentación negativa puede reducir la distorsión no lineal y ciertos tipos de ruidos en los amplificadores, siempre que Aβ>>1 3.- Hemos estudiado cuatro tipos de realimentación: tensión en serie, corriente en serie, tensión en paralelo y corriente en paralelo. 4.- La realimentación negativa de tensión en serie tiende a producir un amplificador de tensión casi ideal con alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida y ganancia de tensión estable. 5.- La realimentación negativa de corriente en serie tiende a producir un amplificador de transconductancia casi ideal con alta impedancia de entrada, alta impedancia de salida y ganancia de transconductancia estable. 6.- La realimentación negativa de tensión en paralelo tiende a producir un amplificador de transresistencia casi ideal con baja impedancia de entrada, baja impedancia de salida y ganancia de transresistencia estable. 7.- La realimentación negativa de corriente en paralelo tiende a producir un amplificador de corriente casi ideal con baja impedancia de entrada, alta impedancia de salida y ganancia en corriente estable. 8.- Los circuitos de realimentación prácticos constan de redes de resistencias. En las figuras 9.19 y 9.20 se muestran ejemplos. Página 26
  • 27. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Página 27
  • 28. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Página 28
  • 29. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 9.- Las etapas del diseño de una red de realimentación son las siguientes: (1) Decidir qué tipo de realimentación se requiere y determinar el valor del factor de realimentación β; (2) seleccionar una configuración de circuito apropiada para la red de realimentación; (3) seleccionar valores apropiados para las resistencias de la red de realimentación; (4) analizar el circuito para verificar que se han cumplido los objetivos de diseño. SPICE resulta muy útil para este análisis. 10.- En la mayoría de las aplicaciones, los amplificadores deben tener sus polos en la mitad izquierda del plano, con un ángulo máximo de 45º con el eje real negativo. Los polos ubicados en el semiplano izquierdo y próximos al eje jw producen oscilaciones amortiguadas en la respuesta transitoria y picos en la respuesta de frecuencia. 11.- un amplificador de un solo polo es estable, y el producto ganancia-ancho de banda es constante para todos los valores del factor de realimentación β. 12.- Los amplificadores realimentados de dos polos pueden tener picos no deseables en la respuesta en frecuencia y oscilaciones amortiguadas en la respuesta transitoria. Sin embargo, el amplificador de dos polos permanece estable con la realimentación. 13.- Los amplificadores realimentados de 3 o más polos pueden tener picos no deseables en la respuesta en frecuencia y oscilaciones amortiguadas en la respuesta transitoria. Además, si el factor de realimentación es suficientemente alto, estos amplificadores pueden oscilar. 14.- Un amplificador que tiene sus polos en bucle abierto sobre el eje real negativo, con uno de sus polos mucho más cerca del origen que cualquiera de los otros, se denomina amplificador de polo dominante, y puede comportarse como un amplificador de un solo polo. 15.- Si la magnitud de la ganancia en bucle es menor que la unidad en la frecuencia para la que el desfase es de 180º, el amplificador es estable. 16.- El margen de ganancia es la cantidad en la que la ganancia en bucle es inferior a 0 dB en la frecuencia para la que el desfase es de 180º. 17.- El margen de fase es 180º más el desfase a la frecuencia para la que la ganancia en bucle es igual a 0 dB. 18.- El margen de fase es 180º más el desfase a la frecuencia para la que la ganancia de bucle es igual a 0 dB. 19.- Un método práctico generalmente aceptado consiste en diseñar para un margen de ganancia mínimo de 10 dB y un margen de fase mínimo de 45º. 20.- A menudo, es necesario compensar un amplificador realimentado para evitar oscilación, las oscilaciones amortiguadas en la respuesta a pulsos, o los picos en respuesta en frecuencia. La compensación modifica deliberadamente las posiciones de los polos en bucle abierto (o, lo que es lo mismo, la respuesta en frecuencia) del amplificador. Página 29
  • 30. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 21.- En la compensación por polo dominante, se añade un polo que tenga un frecuencia de corte mucho menor que la de cualquiera de los otros polos. 22.- El criterio de Barkhausen para los osciladores lineales establece que la ganancia del bucle formado por el amplificador y la red de realimentación debe ser igual a la unidad para la frecuencia de oscilación del circuito. 23.- El circuito en puente de Wien es un típico oscilador senoidal que utiliza un amplificador operacional, resistencias y condensadores. 24.- La estabilización de la amplitud por debajo del nivel de recorte del amplificador es necesaria para reducir la distorsión en los osciladores lineales. ETAPAS DE SALIDA Y FUENTES DE ALIMENTACIÓN. 1,. Al diseñar circuitos, debemos considerar sus características térmicas para asegurarnos de que las temperaturas de la unión de los dispositivos activos no superen sus especificaciones máximas. Al seccionar una combinación idónea de dispositivo, método de montaje y disipador, estamos diseñando para una resistencia térmica encapsulado-ambiente suficientemente baja: θJA=θJC+θCS+θSA 2.- El aumento de temperatura de un bipolar a un valor de β más elevado, una corriente de fugas ICBO más elevada, y un valor VBE menor. Todos estos cambios tienden a incrementar la corriente de trabajo en la mayoría de circuitos. 3.- La realimentación térmica es un proceso en el que una temperatura más elevada provoca una corriente más elevada en el dispositivo y una mayor disipación de potencia, que a su vez incrementa aún más la temperatura. En circuitos mal diseñados, este proceso finaliza con la destrucción del dispositivo. 4.- Los límites de funcionamiento seguro de un bipolar se pueden ver fácilmente trazando la gráfica de la región de funcionamiento seguro plano Ic-Vce, por ejemplo la figura 10.7 Página 30
  • 31. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 5.- En un amplificador de clase A, los dispositivos activos permanecen en la región activa durante todo el ciclo de la señal. En un amplificador de clase B, los dispositivos están en la región activa durante la mitad del ciclo de la señal. Normalmente, un amplificador de clase B tiene un dispositivo que amplifica en el semiciclo positivo y otro que amplifica en el semiciclo negativo. 6.- Los amplificadores de clase B son mucho más eficientes que los amplificadores de clase A 7.- El multiplicador de VBE (mostrado en la figura 10.21) es útil para polarizar el amplificador de clase B y reducir la distorsión de cruce. 8.- En la figura 10.24 se muestra un amplificador de clase B completo, idóneo para amplificadores de audio. Página 31
  • 32. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 9.- El regulador lineal y el regulador de conmutación son dos tipos de reguladores de tensión. 10.- En la figura 10.30, se muestra el diagrama de bloques de un regulador lineal en serie. Básicamente, se trata de un sistema con realimentación negativa que se autoajusta para mantener una tensión de salida prácticamente constante. Página 32
  • 33. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 11.- La máxima caída de tensión de un regulador lineal serie es la mínima diferencia permitida entre la tensión de entrada y la tensión de carga. 12.- El diseño de una fuente de alimentación suele consistir en seleccionar un regulador de tensión integrado y una configuración de circuito a partir de las posibilidades que se muestran en la figura 10.37. Después, se seleccionan cada uno de los componentes, asegurándose cuidadosamente de que todos funcionen dentro de sus especificaciones nominales. Estos aspectos se ilustran en el ejemplo 10.8 y 10.9. Página 33
  • 34. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL FILTROS ACTIVOS Y CIRCUITOS SINTONIZADOS. 1.- Los filtros activos están compuestos por resistencias, condensadores y amplificadores operacionales. Pueden diseñarse filtros paso bajo, paso alto y paso banda. Página 34
  • 35. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 2.- Las características deseables de los filtros activos se indican en Sección 11.1. 3.- A menudo, los filtros activos se diseñan para tener una función de transferencia de Butterwoeth, dada por la ecuación 11.1 4.- Un filtro activo paso bajo de Butterworth de orden enésimo puede construirse colocando en cascada n/2 circuitos Salen-Key (veáse la figura 11.8). La ganancia K que se requiere para cada etapa se indica en la tabla 11.1 5.- En realidad, la ganancia de un filtro activo paso alto decrece para frecuencias muy altas, debido a las limitaciones de los amplificadores operacionales. 6.- Para diseñar un filtro pasabanda en el que la frecuencia de corte inferior sea mucho menor que la frecuencia de corte superior, podemos colocar en cascada un filtro paso bajo y otro paso alto. 7.- Para un filtro pasabanda en el que el valor f0/B sea grande comparado con la unidad, podemos usar el circuito mostrado en la 8.- Los circuitos resonantes serie y paralelo pueden usarse como filtros pasabanda, así como para convertir niveles de tensión e impedancias (de forma similar a los transformadores) 9.- Algunas de las fórmulas clave para los circuitos resonantes serie con las siguientes: Página 35
  • 36. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 10.- Algunas de las fórmulas clave para los circuitos resonantes paralelo son las siguientes: 11.- Las combinaciones en serie de resistencia y reactancias pueden convertirse en combinaciones paralelo, y viceversa. Suponiendo que Q>>>1, tenemos que Qp=Qs=Q y Rp=Q2Rs. Los circuitos serie y paralelo son equivalentes en un estrecho margen de frecuencias. Las conversiones citadas son útiles para reducir circuitos resonantes complejos a sus equivalentes serie o paralelo simples. 12.- Los amplificadores sintonizados contienen circuitos resonantes en la entrada, en la salida, o en ambos sitios. Son útiles en aplicaciones en las que queremos amplificar señales de una estrecha banda de frecuencias. 13.- Es posible que aparezcan resistencias de valor negativo en la entrada de un amplificador con circuito de salida sintonizado si hay presente una capacitancia de realimentación. La resistencia negativa puede hacer que el circuito oscile. Las oscilaciones pueden evitarse por neutralización, o seleccionando un circuito que no tenga capacitancia de realimentación. 14.- Pueden diseñarse circuitos osciladores usando circuitos resonantes LC. Algunos ejemplos son los osciladores Hartley Colpitts. 15.- Un procedimiento paso a paso para el análisis de circuitos osciladores de circuitos es utilizar el determinante del sistema. 16.- Cuando se necesita un grado muy alto de estabilidad en frecuencia, suele usarse un cristal de cuarzo como elemento fijador de frecuencia del oscilador. 17.- El circuito equivalente de un cristal se muestra en la figura 11.56 Página 36
  • 37. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL CIRCUITOS CONFORMADORES DE ONDA Y CONVERTIDORES DE DATOS. 1.- Un comparador genera una salida lógica que depende ce cuál de sus dos entradas sea mayor 2.- Internamente, los comparadores son similares a los amplificadores operacionales, con la diferencia de que los comparadores no necesitan compensación de frecuencia. 3.- Para evitar un número excesivo de transiciones lógicas debido al ruido o a las oscilaciones, los comparadores se usan con diversos circuitos de realimentación positiva denominados circuitos Schmitt trigger. Dos de estos circuitos se muestran en la figura 12.9 4.- Un multivibrador aestable está formado por un comparador y una red de realimentación RC. La salida del comparador conmuta entre niveles de salida, generando una onda cuadrada. El periodo y la frecuencia de la onda pueden determinarse mediante el análisis de la respuesta transitoria de la red de realimentación RC. Página 37
  • 38. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL realimentación RC. 5.- Un multivibrador monoestable genera un impulso de salida cada vez que se dispara la entrada. 6.- El circuito integrado temporizador 555 es útil en los multivibradores astables y monoestables. 7.- Pueden implementarse rectificadores de precisión con amplificadores operacionales, resistencias y diodos. Los rectificadores de precisión son útiles en las aplicaciones de procesamiento de señales. 8.- Idealmente, los detectores de pico producen una tensión de salida igual al valor máximo de la tensión de entrada hasta ese momento. 9.- Un circuitote muestreo y retención posee dos estados. En el estado de muestreo, la señal de salida es igual que la señal de entrada. En el estado de retención, la salida se mantiene constante en el valor que tenía la entrada en el instante en el que el circuito entró en el estado de retención. 10.- Idealmente, un circuito fijador añade un valor constante a la señal de entrada para generar la tensión de salida. El valor constante se ajusta para que el pico negativo (o positivo) de la salida sea un valor predeterminado. 11.- La mínima frecuencia de muestreo para la cual es teóricamente posible regenerar una señal a partir de sus muestras es el doble de la frecuencia más alta que contenga la señal. 12.- Un convertidor analógico-digital (ADC) muestra periódicamente la señal de entrada y genera un código de n bits para cada muestra. 13.- Cuando se reconstruye una señal con un convertidor digital-analógico, la señal de salida es una aproximación escalonada de la señal original. Los escalones pueden eliminarse mediante un filtro paso bajo apropiado. La señal resultante está retrasada respecto de la señal original y contiene error o ruido de cuantificación. El valor rms del ruido de cuantificación es , y la relación señal ruido (S/N) para una señal seonidal de amplitud máxima es 14.- Los DAC pueden diseñarse usando redes de resistencias ponderadas o redes R- 2R. Dado que la relación de resistencia necesaria para la red R-2R es mucho menor que para la red de resistencias ponderadas, la red R-2R consume menos área de chip. 15.- Los DAC de capacidades conmutadas constan de capacidades, conmutadores y amplificadores operacionales. Pueden estar basados en una red de capacidades ponderadas o en una red C-quot;C. Este método es interesante si el circuito se va a implementar con tecnología MOS. Página 38
  • 39. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL implementar con tecnología MOS. 16.- Los ADC fash son más rápidos que los otros tipos ADC, pero el número de componentes necesarios crece exponencialmente con n. Por tanto, los ADC flash quedan limitados a 8 bits o menos. 17.- Los ADC de doble rampa son muy precisos, pero muy lentos. Pueden usarse para diseñar convertidores de más de 20 bits. 18.- Los ADC de aproximaciones sucesivas suponen un buen equilibrio entre precisión, velocidad y número de componentes. Suelen usarse en convertidores de entre 8 y 16 bits. 6.- LA ELECTRÓNICA DIGITAL Los circuitos electrónicos se dividen, según la naturaleza de las señales en analógicos y digitales. Las señales analógicas es aquella cuya magnitud en cada instante tiene un valor cualquiera entre los infinitos de su rango. Las señales digitales son aquelllas cuya magnitud, solo pueden tomar un valor entre un conjunto de valores discretos. Un sistema es un conjunto de elementos con alguna característica común. A los elementos de dicho sistema se les denomina subsistemas. Los sistemas digitales tratan información binaria, siendo importante conocer los fundamentos de los sistemas de numeración y en especial en base dos. A medida que aumenta la base del sistema, mayor será el número de símbolos diferentes que se pueden utilizar y menor el número de cifras necesarias para representar una cantidad. El sistema binario es el mçás idóneo como sistema de numeración de circuitos digitales. Para convertir cifras de sistema decimal en binario, se divide el número decimal entre 2 y se siguen dividiendo los cocientes hasta que su valor sea inferior a 2. Después se escribe de izquierda a derecha el último cociente seguido de todos los restos. Se pude utilizar la calculadora de windows para convertir cifras en base binaria y en base hexadecimal. Se define información a todo aquello que es captado por los sentidos y llega la cerebro, produciendo un incremento de nuestros conocimientos o una reacción. El funcionamiento de las sociedades es posible gracias a la comunicación. Ésta se define como un acto mediante el cual un individuo establece con otros, u otros, un contacto que le permite transmitirles una información. Para que la comunicación se produzca, es necesario un código, es decir un conjunto limitado y moderadamente extenso de símbolos que se combinan mediante ciertas reglas, conocidas por el emisor y el receptor. Se denomina símbolo a un objeto material que representa a otro objeto, y que se utiliza para recibir, conservar o transmitir una información relativa al objeto representado. Se entiende por código la correspondencia asignada a cada símbolo de un alfabeto dado denominado fuente ,una determinada combinación de símbolos de oro alfabeto, denominado código. La aplicación que hace corresponder a cada símbolo del alfabeto Página 39
  • 40. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL denominado código. La aplicación que hace corresponder a cada símbolo del alfabeto fuente una palabra se denomina codificación. Al proceso inverso se denomina decodificación. De entre todos los códigos posibles sólo los que cumplen determinadas propiedades se utilizan. Entre otras se les pide que sean uniformes (es decir, que a cada símbolo fuente se le hace corresponder una palabra código) y también deben ser no singulares (se es singular uniforme si a cada símbolo fuente se le hace corresponder palabras de código distintas). Las palabras que resultan de codificar todas las posibles parejas del símbolo alfabeto. en principio los códigos pueden ser numéricos y alfanuméricos. Entre otros códigos de interés, podremos destacar los siguientes: 1.- Código binario natural 2.- Código BCD. Este código representa los 10 guarismos del sistema decimal mediante una cierta codificación binaria. entre otros destacan el BCD natural o BCD 8421, el BCD Aiken 2421 y el BCD Aiken 5421 3.- Códigos continuos y cíclicos. Los códigos cíclicos por definición son continuos, por lo que garantizan que entre dos palabras de código adyacentes solamente cambiará un bit, lo cual evita la aparición de palabras transitorias de código debidas a la imposibilidad de conmutación de dos o más dígitos 4.- Código Gray. Es uno de los códigos cíclicos más usados. También recibe el nombre de código reflejado, debido al reflejo que se debe realizar en las palabras código al construirlo. Para pasar de código binario a Gray se siguen las siguientes normas: El bit más significativo en el código Gray y el del binario son idénticos El resto de los bits del código Gray se obtiene sumando de izquierda a derecha cada par adyacente los bits en código binario y siendo su resultado el siguiente bit del código Gray 5.- Código Johnson El código Johnson es continuo y cíclico. Este código recibe también el nombre de código progresivo, debido a que el número de unos aumenta y diminuye progresivamente de una combinación a la siguiente. La desventaja de dicho código es que no es denso. Y su principal ventaja es que es fácil de generar mediante circuitos digitales. 6.- Código ASSCII. Se trata de un código alfanumérico de 7 bits, y por lo tanto se pueden generar 128 símbolos fuente distintos, que corresponden a 26 letras mayúsculas, 26 minúsculas, 10 dígitos decimales, signos de puntuación, caracteres especiales y de control 7.- Códigos detectores de error. Para detectar errores en el control, proceso y Página 40
  • 41. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL transmisión digital es necesario que las palabras código no presenten todas las posibles combinaciones. Esta condición es necesaria, pero no suficiente, ya que la probabilidad de que se produzcan dos o más errores simultáneamente es reducida. La condición necesaria y suficiente para que un código binario permita detectar errores en un bit es que su distancia sea superior a uno. Entre otros códigos detectores de errores destacan los códigos de paridad. La paridad es el número de unos que contiene. También se utiliza para detectar errores el denominado códigos de peso fijo. 8.- Códigos correctores de error. Los códigos correctores de error detectan y eliminan el error. Entre otros destaca el código Hamming. 6.1.- ÁLGEBRA DE BOOLE El álgebra de Bolle fue introducida por el matemático inglés George Boole en 1854 desarrollando un método simbólico para el análisis de la lógica humana en su tratado An Investigation of the Laws of Thought. Posteriormente, Claude Shannon aplicó el álgebra de Boole en el estudio de los circuitos eléctricos con dos estaos posibles, denominados circuitos de conmutación. Estos estudios han proporcionado las bases matemáticas para el diseño de los circuitos básicos digitales. Una estructura matemática, se construye a partir de un conjunto de elementos sobre los que se definen unos operadores que permiten realizar operaciones en ellos, estableciendo unos postulados o axiomas que relacionan tanto al conjunto de elementos sobre los que se definen unos postulados o axiomas que relacionan tanto al conjunto de elementos como al conjunto de operadores. Para la construcción de un álgebra de Boole, se parte de una estructura algebraica formada por un conjunto de elementos y dos operadores definidas en el mismo. Se dice que un álgebra de Boole si cumplo los siguientes axiomas, también conocidos como postulados de Huntington: Postulado I. El conjunto B es cerrado con respecto a las dos operaciones (+ y *) Postulado II. Existe un elemento identidad en las dos operaciones Postulado III. Las dos operaciones cumplen la propiedad conmutativa. Postulado IV. Cada operción es distributiva con respecto a la otra Postulado V. Existen un elemento complementario o negación. De los postulados anteriores se deducen un conjunto de propiedades del álgebra de Boole que se indican a continuación en forma de leyes y teoremas Principio de Dualidad. Sea E una igualdad entre dos expresiones booleanas y otra igualdad obtenida a partir de E intercambiando los operadores Ley de idempotencia. Para cualquier elemento a en un álgebra de Boole, se verifica Página 41
  • 42. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Ley de idempotencia. Para cualquier elemento a en un álgebra de Boole, se verifica que a+a=a y a*a=a Operaciones con elementos identidad a+1=1 y a*0=0 Teorema El complemento de cada elemento es único. Ley de involución Para todo elemento a en un álgebra de Boole, se verifica que a==a Ley de absorción Para cada par de elementos a y b de un álgebra de Boole se verifica que a+a*b=a y a*(a+b)=a Leyes De Morgan La negación de una suma es el producto de los elementos negados. Y la negación de un producto la suma de sus factores negados. Teorema El complemento de una función se obtiene intercambian las operaciones (+,*) y reemplazando cada variable por us complemento. Teorema de expansiíon de Shannon. Toda función del álgebra de Boole se puede expresar de la siguiente forma: f(.....,d,c,d,a)=a*f(.....d,c,b,1)+â*f(.....d,c,b,0) Se define variable a cualquiera de los elementos de un conjunto B sobre el que se ha definido un álgebra de Boole. En el álgebra de conmutación la variable a puede tomar los valores o0 y 1, de ahí que se le designe como variable binaria.. Un función de conmutación o función lógica es una función booleana definida en el conjunto B, cuya imagen pertenece a dicho conjunto y puede tener valores 0 y 1.obteniéndose combinando adecuadamente las operaciones producto y suma. Otra forma de representar una función lógica es mediante una tabla, llamada tabla de verdad, que indique el valor que toma la función para cada una de las combinaciones de los valores de las variables de entrada. La tabla de verdad de una función se realiza representando en la columna de la izquierda todas las posibles combinaciones de las variables de entrada y en la columna de la derecha los valores asignados a la función de salida para combinación de variables de entrada. A continuación se han recogido las tablas de verdad correspondientes a las funciones lógicas básicas. La combinación adecuada de dichas funciones lógicas da lugar a los circuitos lógicos digitales que se pueden materializar utilizando puertas lógicas comercializadas mediante circuitos integrados tal y como se explicará más adelante. Puerta AND Página 42
  • 43. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Puerta OR Puerta NOT Página 43
  • 44. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL TÉRMINOS CANÓNICOS. se define como término canónico de una función lógica a todo producto o suma en el que aparecen todas las variables en su forma directa o complementaria. A los términos producto se les llama productos canónicos o minitérminos (mintermes). Esta denominación se debe al hecho de que, este término, toma el valor 1 para una sola combinación de las variables de entrada, de ahí el prefijo mini. A los términos suma se les llama sumas canónicas o maxitérminos (Maxterms), denominándose así por el hecho de que, este término toma el valor 1 tantas veces como lo hagan los sumandos que lo forman, de ahí el prefijo maxi. Una función formada, por términos de sumas canónicas o bien productos canónicos recibe el nombre de función canónica. Si dicha función tiene n variables, cada uno de sus productos tendrá n variables y el número de productos canónicos posibles será 2n Para pasar de maxterms a minterms se utilizan las fórmulas que se presentan a continuación Se dice que una función está incompletamente definida si para determinados valores de entrada el valor de salida no está definido. SIMPLIFICACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS Se denomina minimización de una función al proceso pore el que se obtiene una función mínima. Los métodos mediante los cuales se simplifica una función son los siguientes: 1.- Método algebraico: Consiste en la aplicación analítica de los teoremas y axiomas del álgebra de Boole, con el objetivo de eliminar términos y variables. 2.- Método de Karnaugh. es un método gráfico y sistemático, muy eficiente en funciones de hasta 6 variables. El mapa de Karnaugh está formado por una matriz de cuadros en los que cada uno de ellos representa a un término canónico. Su disposición es tal, que los cuadros contiguos entre sí, horizontal y verticalmente representan a términos canónicos adyacentes o lo que es lo mismo una adyaciencia de primer orden pudiéndose simplificar una variable. En cada fila y columna de la matriz de cuadros se representa, con ceros y unos, los valores que toman las variables. En cada cuadro se representa el valores(0 ó 1) que toma la función para término canónico.. A continuación se han expuesto algunos ejemplos que explican lo anteriormente expuesto. Página 44
  • 45. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Página 45
  • 46. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL El procedimiento a seguir para la nimimización de funciones mediante mapas de Karnaugh es el siguiente: 1.- Se dibuja el correspondiente mapa de karnaugah según el número de variables que tenga la función. 2.- Según como esté representada la función canónica a simplificar, en min terms o maxtermes, se escribirá un 1 en los cuadros correspondientes a los minterms de la función o un 0 en el caso de maxterms. Como sólo se requiere simplificar la función, o por minterms, o pro maxterms, normalmente se elige aquella representación que tenga menor número de términos canónicos. 3.- Para obtener una minimización de la función se deben elegir correctamente las adyacencias, o lo que es lo mismo, cumplir las siguientes reglas que aseguren la agrupación correcta y óptima de los términos de la función: a) Para funciones con n variables, se formarán las adyacencias agrupando unos o ceros en potencia de 2 formándose adyacencias de orden m. la simplificación será máxima cuando se definan el mínimo número de adyacencias de mayor orden, o el menor número de grupos con el mayor número de términos. b) Para formar una adyacencia de orden m se debe cumplir que cada uno de los cuadros incluidos en un grupo deben ser adyacentes a otros m cuadros del mismo grupo. Esta condición se cumple únicamente cuando los cuadros que forman el grupo tengan una disposición cuadrada o rectangular. La forma de representar a un grupo de unos o ceros, es abarcándolos mediante curva cerrada. c) Las adyaciencias deben cubrir a todos los términos de la función. Todos los términos unos o ceros deben pertenecer a un grupo, es decir, no se pueden dejar términos de simplificación sueltos. d) Se pueden incluir en un grupo términos, que ya pertenecen a otros, con el fin de formar grupos lo más grandes posibles o, lo que es lo mismo, adyacencias de mayor Página 46
  • 47. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL formar grupos lo más grandes posibles o, lo que es lo mismo, adyacencias de mayor orden. e) Aquellas adyacencias que son la únicas que pueden cubrir a un término canónico se denomina adyacencias esenciales. Dado que la función simplificada debe ser equivalente a la función de partida, todos los términos canónicos deben estar cubiertos por las adyacencias, de lo que se deduce que las adyacencias esenciales deben pertenecer a la función simplificada. En el mapa de Karnaugh las adyacencias esenciales se identifican por aquella agrupación posible con mayor número de términos que sea la única que puede abarcar a un término canónico o cuadro. f) Se deben eliminar grupos en los que todos los términos pertenecen a otros grupos, que no contengan al menos un término que sólo pertenezca a dicho grupo. El procedimiento para satisfacer las reglas anteriores es comenzar buscando grupos de un término que lo formarán aquellos términos que no son adyacentes con ningún otro. Posteriormente se buscaran grupos de 2 términos, luego de 4 y así sucesivamente hasta agrupar a todos los términos del mapa. 4) Cada grupo señalado da lugar a una adyacencia o término simplificado en el que se ha eliminado la variable o varibles cuyo valor es 1 en la mitad de los cuadros del grupo 0 en la otra mitad. Esto tiene como justificación lo expuesto sobre la formación y representación de adyacencias. a) Si se realiza la simplificación de una función canónica dada en minterms, las variables que en todo el grupo permanecen como 1 no se simplifican y se representan sin negar. Si las variables en todo el grupo permanecen como 1 no se simplifican y se represan sin negar. Si las variables en todo el grupo permanecen como cero no se simplifican y se representan negadas. todas las variables de un grupo no simplificadas se multiplican entre sí y los términos simplificados correspondientes a cada grupo se suman entre sí. Es decir, la función simplificada será una suma de productos con tantos sumandos como grupos se hayan formado en el mapa y en cada producto correspondiente a un grupo de 2m términos se habrán simplificado m variables. b) Si se realiza a simplificación a una función canónica dada en maxterms, las variables que en todo el grupo permanecen como 1 nos se simplifican y se representan negadas. Si las variables en todo el grupo permanecen como 0 se simplifican y se representan sin negar. Todas las variables de un grupo no simplificadas se suman entre sí y los términos simplificados correspondientes a cada grupo se multiplican entre sí. Es decir, la función simplificada será un producto de sumas con tantos factores como grupos se hayan formado en el mapa y en da suma correspondiente a un grupo de 2m términos se habrán simplificado m variables. En general se recomienda realizar las simplificaciones en minterms y en maxterms para verificar cuál de las dos simplificaciones resulta más sencilla. Página 47
  • 48. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 3.- Método de Quine-Mc-Cluskey Para facilitar la compresión del método se realiza, simultáneamente con la explicación teórica, una simplificación práctica de un función: Para aplicar el método Q-M se realizan los siguientes pasos: 1) Dada una función lógica se debe obtener su función canónica en mintermes (o maxterms). Operando en la expresión y convirtiendo a expresión canónica en minterms, se obtiene la expresión: 2) Se realiza una primera tabla, denominada de orden cero, en la que los términos estén clasificado por su índice. Con ello se favorece la búsqueda de adyacencias superiores (de orden uno), ya que sólo se pueden formar a partir de adyacencias con índices consecutivos, como se puede ver en la tabla siguiente Página 48
  • 49. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 3)Para realizar la tabla de orden uno se van comparando los términos de índice i con los de índice i+1 de la tabla de orden cero. Para ello se buscan las adyacencias de orden uno, produciéndose una coordenada representada por un guión, como se puede ver en la tabla. 4) Para realizar la tabla de orden 2 se van comparando lo términos de índice i con los de índice i consecutivo. Para ello, en la tabla de orden 1, se buscan las adyaciencias de orden 2, produciéndose una segunda coordenada representada con un guión, como se puede ver en la tabla. 5) Por el mismo procedimiento se van obteniendo adyaciencias de órdenes crecientes, hasta llegar a las de mayor orden posible. 6) Al generarse las adyacencias de órdenes superiores se marcan, aquéllas de órdenes inferiores que son cubiertas por ellas. Con esto se consigue que al final el proceso tenga la lista de implicados primos compuesta por todas las adyacencias de mayor orden posible no cubiertas por ninguna adyacencia de orden superior. estas adyacencias que definen a los implicados primos se enumeran partiendo de las de orden superior hasta la de menor orden. Página 49
  • 50. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Otro método importante es el de coordenadas decimales. Con este método los dos primeros pasos son iguales. Pero se modifican los pasos 3 y 4. 3) Para realizar la tabla de orden uno se van comparando los términos de índice i con los de índice i+1. Desde el punto de vista de coordenadas decimales esto ocurre cuando al restar el valor decimal del término i dé como resultado positivo una potencia de dos. 4) Para realizar la tabla de orden 2 se van restando lo términos de índice i+1 de los de índice i, de la tabla de orden uno, buscando adyacencias de orden dos. Desde el punto de vista de coordenadas decimales, las sustituciones se realizan cuando se diferencian en un bit 5) Por el mismo procedimiento se van obtenido adyacencias de órdenes crecientes, hasta llegar a las de mayor orden posible. 6) Al generarse las adyacencias de órdenes creciente se marcan. Con esto se consigue que al final del procesa se obtenga la lista de implicado primos compuesta por todas las adyacencias de mayor orden posible. Una vez hecho esto se llga a la tabla de implicantes y con ellas se eliminan de la intersección de la matriz que se señale una marca. Dicha tabla de implicantes primos se marcan la intersecciones. y se pasa a ser reducida Para hallar la tabla de implicantes primos reducida hay que considerar los conceptos de equivalencia y dominancia. Dos primos son equivalentes si cubren los mismo término. Una fila i domina a otra j si la fila i cubre todos los términos canónicos de la fila j y alguno más. Página 50
  • 51. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Una vez obtenidos todos los implicantes primos que minimizan la función, se procede a obtener la expresión de de la función mínima Un caso particular en el que no se pueden aplicar los criterios de implicado primo esencial, equivalencia y dominancia es en las tablas cíclicas. En la siguiente figura se muestra una tabla de implicantes cíclica, en la que se aprecia que ninguno de los implicantes primos es esencial, ni equivalente, ni dominante. Para determinar en este caso el menor número de implicantes primos, de menor coste y que cubran a todos los términos canónicos se utiliza el método de Petrick Página 51
  • 52. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Este método se deduce de la tabla anterior en la que el minterm 0 puede ser cubierto por lo implicantes a ó b y el minterm 2 por lo implicantes aó c. Para ello se llega a la función Operando hasta llegar a expresarlo en suma de productos, se obtiene: Cada uno de los cuatro términos de la expresión anterior son soluciones, para cubrir a todos los términos canónicos de la tabla de implicantes cíclica. Los términos cba y dcb se descartan por ser de mayor coste que los términos da o cb, siendo uno cualquier de estos últimos la solución. Una vez simplificada la función, se debe expresar el circuito resultante mediante puertas AND, NAD, OR, NOR y NOT. es muy común la transformación de los niveles utilizando los teoremas de Morgan y la subsiguiente transformación de puertas AND en NOR y or en NAD. Par la realización de dichas conversiones se suelen utilizar las tablas siguientes. Página 52
  • 53. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL A continuación se han recogido algunos ejemplos de simplificación e implementación de los circuitos resultantes, siempre intentando que el número de puertas lógicas sea el mínimo, así como el número de niveles. Página 53
  • 54. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Para finalizar con los contenidos conceptuales, hay que añadir que los circuitos lógicos se materializan mediante circuitos integrados que pertenecen a diversas tecnología que desarrollaremos a continuación. Se explicaran los aspectos principales que se deben considerar a la hora de fabricar los diferentes circuitos integrados. La exposición del tema se encuentra dividida en tres partes en la primera se estudiaran aquellos aspectos generales que atañen a la tecnología de los circuitos integrados. En la segunda se estudiaran las diferentes familias lógicas y finalmente se realizará un estudio comparativo de los diferentes aspectos a considerar en cada caso. Se denomina circuito integrado (C.I.) a un componente electrónico constituido por un soporte físico (pastilla de silicio) sobre el que están integrados componentes interconectados entre sí, formando un circuito más o menos complejo. Desde que en 1961 la empresa Fairchild fabricase el primer circuito integrado hasta ahora se han mejorado muchos aspectos de los mismos, haciéndolos más pequeños, de menos coste y con menores pérdidas de potencia. Entre otros, uno de los parámetros de mayor importancia utilizados en la caracterización de circuitos lógicos, es el denominado escala de integración, que indica la cantidad de puertas lógicas que contiene un circuito integrado. En la siguiente tabla se recogen las distintas escalas de integración que cronológicamente se han ido desarrollando. ESCALAS DE INTEGRACIÓN NÚM. PUERTAS FUNCIONES SSI Pequeña escala de integración 1 a 10 Puertas lógicas y biestables MSI Mediana escala de integración 10 a 100 Sumadores, registros y contadores LSI Gran escala de integración 100 a 1.000 Memorias, microprocesadores y periféricos. VLSI Muy alta escala de integración 1.000 a 10.000 Memorias, microprocesadores y periféricos. ULSI Ultra alta escala de integración 10.000 a 100.000 Microcomputadores, memorias y periféricos Página 54
  • 55. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL periféricos GLSI Giga alta escala de integración. > 100.000 Microcomputadoras, memorias y periféricos. Con los modernos integrados, el diseño de un determinado sistema digital queda reducido al acoplamiento entre distintas pastillas de circuitos integrados que como bloques funcionales se adapten a las necesidades del sistema objeto de diseño. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES. Desde el punto de vista de funcionamiento y comportamiento, los circuitos integrados digitales se caracterizan por los siguientes parámetros: 1.- Características estáticas. Características de transferencia y niveles lógicos. Características de entrada y salida Inmunidad frente al ruido. Consumo y disipación de potencia 2.- Características dinámicas. Retardos de propagación. Frecuencia máxima de funcionamiento Producto consumo por tiempo de propagación. 3.- Otras características. Flexibilidad lógica Margen de temperatura Coste A continuación se describirán los aspectos esenciales de cada una de las características anteriormente mencionadas. 1.- Características estáticas. Características de transferencia de niveles lógicos. La característica de transferencia de una puerta lógica representa la señal de salida en función de la señal de entrada. Estos márgenes de entrada y sus Página 55
  • 56. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL salida en función de la señal de entrada. Estos márgenes de entrada y sus correspondientes valores de salida definen los niveles lógicos H y L. Las curvas de transferencia de los circuitos digitales no son únicas pues se ven afectadas por la temperatura, la tolerancia, la tensión de fabricación, etc. Por ello, es más útil considerar envolventes de familias de curvas. Ahora ya no se habla de tensión de entrada, sino de intervalo de entrada e intervalo de salida. Es muy común que la salida de una puerta lógica excite la entrada de otra, a lo que se denomina características de transferencia de una puerta conectada a otra. Dicha situación se ve recogida en la siguiente figura. Las zonas de intersección A y C definen el funcionamiento normal del circuito a nivel bajo, limitado por los puntos de tensión mínima. También se establece el funcionamiento normal a nivel alto. La zona B define el funcionamiento indeseado y corresponde a los valores que no tienen definido un nivel lógico. También se fabrican puertas con función de transferencia particular como las denominadas Trigger-Schmitt, como la mostrada en la figura. Características de entrada y salida. Las características se refieren a las relaciones tensión-intensidad tanto para la entrada como la salida. Existiran 4 características 2 para nivel bajo y 2 para nivel alto. Otra forma práctica de definir las características de entrada y salida, es mediante los perfiles de entrada y salida dados por los fabricantes. Esta representación gráfica establece las formas de funcionamiento mediante rectángulos, llamados ventanas. Estas ventanas quedan definidas por sus valores límites de corriente y tensión en su entrada y su salida. Al interconexionar varias puertas o circuitos entre sí se debe garantizar su compatibilidad eléctrica, tanto desde el punto de vista de sus tensiones como de sus corrientes. Esto supone cumplir las siguientes condiciones: 1.- Compatibilidad de tensiones: Las tensiones de salida del circuito con respecto Página 56
  • 57. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL a la entrada del siguiente deben cumplir que VoLmax≤ViLmax, VoHmin≥ViHmin. 2.- Compatibilidad de corrientes: Al conectar las salida de un circuito con la entrada de otro se debe cumplir y Se define fan-in o abanico de entrada, como el valor absoluto de la corriente máxima que circula por una entrada de un circuito lógico expresado en unidades de carga. Siendo la unidad de carga el máximo valor absoluto de la corriente que circula por la entrada de una puerta estándar. El fan-in se calcula en H y en L y se toma el valor más desfavorable. Se define fan-out o abanico de salida, al valor absoluto de la corriente máxima que circula por una salida de un circuito lógico y que asegura los valores de tensión, de los niveles lógicos expresados en unidades de carga. Inmunidad frente al ruido. El ruido es una perturbación libre, no voluntaria, que puede modificar los niveles lógicos de los sistemas digitales, originando un mal funcionamiento del sistema. Las fuentes de ruido más comunes suelen ser radiaciones, ruidos provocados por elementos externos y debidos a reflexiones y oscilaciones. Los tipos de acoplo suelen ser magnético, por impedancia común. La manifestación del ruido puede ser en continua analogico. Se define inmunidad al ruido o margen de ruido en continua al máximo valor de la tensión que puede sumarse algebraicamente al nivel de salida. d) Consumo o disipación de potencia. Los circuitos lógicos requieren ser alimentados mediante una tensión continua suministrada por una fuente de alimentación, lo cual implica un consumo o disipación de potencia. El consumo o disipación de potencia es una característica importante al evaluar la bondad de una determinada tecnología, buscando siempre minibar este parámetro para utilizar fuentes de menor tamaño y menor número de puertas por unidad de superficie. Para el cálculo del consumo o disipación de potencia se debe distinguir y tener en cuenta las diferencias entre consumo o condiciones estáticas en aquellos circuitos digitales con transiciones entre niveles lógicos poco frecuentes y consumo en condiciones dinámicas en aquellos circuitos con continuas transiciones en sus niveles lógicos. 2.- Características dinámicas de los circuitos integrados digitales. Retardos de propagación Los cambios se producen en las salidas de las puertas lógicas, al cambiar los niveles lógicos de entrada, no son instantáneos, por las variaciones en los semiconductores que dan lugar a retardos de propagación. Así se definen Página 57
  • 58. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL definen 1.- Tiempos de propagación Puesta en On o tiempo de propagación en el flanco de subida Puesta en Off o tiempo de propagación en el flanco de bajada Tiempo de propagación medio que es la media aritmética de los otros dos. 2.- Tiempos de transición: Tiempo de subida de la señal de entrada (desde 10 a 90%) Tiempo de bajada de la señal de entrada (desde 90 hasta 10%) Tiempo de subida de la señal de salida Tiempo de bajada de la señal de salida 3.- Tiempos de retraso Tiempo de retraso en el flanco de subida de la señal de salida Tiempo de retraso en el flanco de bajada de la señal de salida. Frecuencia máxima de funcionamiento. La frecuencia máxima de una puerta es la mayor frecuencia que asegura que la conmutación de la puerta alcanza los niveles lógicos necesarios. Dicho valor se calcula a partir del tiempo de propagación medio Página 58
  • 59. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL calcula a partir del tiempo de propagación medio Producto consumo por tiempo de propagación. Dicho producto es un factor de calidad para comparar familias lógicas entre sí. 3.- Otras características de los circuitos integrados digitales Flexibilidad lógica. Es una medida de la versatilidad, capacidad o posibilidad de implementación de sistemas digitales con una determinada tecnología. Los factores que caracterizan la flexibilidad de una determinada familia lógica son 1.- Cableado lógico 2.- Capacidad de excitación. 3.- Variedad en las salidas 4.- Variedad de bloques funcionales 5.- Compatibilidad con otras tecnologías. Margen de temperatura. Especifica el rango dentro del cual el circuito trabaja bien sin deterioro. Los rangos de temperatura de trabajo dependen de las aplicaciones y de las resistencias. 4.- Características ideales de una puerta lógica 1.- Alimentación única. 2.- Curva de transferencia con niveles lógicos de salida iguales a los potenciales de alimentación. 3.- Impedancia de entrada infinita para presentar una carga despreciable a las fuentes de excitación. 4.- Impedancia de salida nula para suministrar en la salida elevadas corrientes sin reducción de su tensión por la caída de potencial en la impedancia de salida 5.- Tiempo de propagación nulo, pudiendo trabajar con cualquier frecuencia por muy alta que sea ésta. Página 59
  • 60. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL alta que sea ésta. FAMILIAS LÓGICAS. Una familia lógica está constituida por un conjunto de dispositivos lógicos construidos con la misma tecnología y que por lo tanto tienen las mismas características, además de ser compatibles al poder conectarse entre sí. Las familias lógicas evolucionan dando origen a subfamilias lógicas que conservan las características generales de las primeras, potenciando algunas de ellas lo que permite que cada subfamilia se adapta mejor en determinadas aplicaciones. Entre otras, las principales familias lógicas son: 1.- Tecnología bipolar. Su principal ventaja es la velocidad y su principal desventaja su consumo. En este grupo se incluyen algunos grupos de subfamilias, algunas de las cuales ya están en desuso. Familia RDL: (Lógica Diodo-resistencias). Fue la primera y la más sencilla y cono es de suponer, hoy en desuso. Familia DCTL-RTL: Los circuitos lógicos saturantes más sencillos son los de acoplo directo, aunque poco utilizados en la actualidad. Constan de un transistor para cada entrada y una sola resistencia de colector. Las ventajas de esta familia son su alta densidad de integración, su baja disipación y su bajo costo. Entre sus desventajas está su bajo Fan-out, margen de ruido y velocidad de conmutación. Familia DTL (lógica diodo-transistor). Sus principales ventajas son su buena flexibilidad lógica, su compatibilidad con la familia TTL, su baja generación de ruido y su buen Fan-out. Entre sus desventajas destaca su baja velocidad por su alta impedancia de salida a nivel bajo y su alta impedancia de salida a nivel alta y baja inmunidad al ruido. Familia TTL (lógica transistor- transistor) surgió como derivada de la DTL al tratar de minimizar las capacidades parásitas, siendo la más popular de todas. Es una familia de lógica saturable construida con tecnología bipolar, en la que sus transistores trabajan en corte y saturación. Una puerta TTL-estándar esta constituida por 3 etapas Página 60
  • 61. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Una puerta TTL-estándar esta constituida por 3 etapas 1.- Etapa de entrada. Constituida por un transistor Q1 de tipo multiemisor que realiza la función AND. Los diodos D1 y D2 denominados CAMP, protegen las entradas ante tensiones negativas que a nivel bajo producen un incremento de Intensidad a nivel bajo que pueden destruir la puerta. Estos diodos CAMP empiezan a conducir cuando la tensión de entrada supera una tensión negativa correspondiente a su tensión de codo evitando que esta corriente circule internamente por la puerta. 2.- Etapa de conmutación. Constituidas por el transistor Q2 y las resistencias R2 y R3 de colector y emisor respectivamente 3.- Etapa de salida: Constituida por los transistores Q3, denominado transistor de salida pull-up que pone a nivel alto la salida y Q4 denominado transistor de salida pull-down que pone a nivel bajo la salida, y que junto con el diodo D3 forman la configuración denominada etapa de salida. La puerta puede trabajar con todas las entradas a nivel alto, a nivel bajo o sin conexión en alguna de las entradas. Cuando una entrada no se conecta se interpreta como si estuviera a nivel alto. Un aspecto importante es el cálculo de las resistencias que son precisas en las puertas. Cada una de ellas tiene una función. De esta forma R1 limita la corriente de entrada a nivel bajo y limita su consumo. R2 asegura la saturación de Q4. R3 elimina la carga de la base de Q4 en saturación, mejorando la velocidad de la puerta y limitando su consumo. Finalmente R4 limita la disipación de potencia en las transiciones positivas de entrada. Una de las características que los fabricantes deben suministrar es la denominada característica de entrada, las características de salida, tanto a nivel alto como a nivel bajo; y la denominada característica de transferencia. Entre las características dinámicas de la familia TTL-estándar, se pueden destacar las siguientes: 1.- Retardos de propagación y de transición. Página 61
  • 62. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 2.- Frecuencia máxima de funcionamiento 3.- Producto potencia disipada-retardo de propagación. La familia TTL, consta a su vez de otras subfamilias de importancia, que se describiran a continuación: 1.- Puerta tipo Schottky: Cuando un transistor pasa de saturación a corte se produce un retardo debido a la necesidad de evacuar el exceso de carga almacenada en la región de base durante la saturación. Una solución utilizada para aumentar la velocidad es evitar que los transistores trabajen en la zona de saturación, impidiendo que su unión base colector se polarice directamente. Para ello, se utilizan diodos tipo Schottky conectados durante el proceso de fabricación, llamándose al conjunto transistor Schottky. De esta forma, se consiguen disminuir el valor de las resistencias para obtener mayores corrientes de carga de las capacidades. A su vez la subfamilia anterior (STTL) puede tener diferentes variaciones entre las que destacamos la subfamilia LSTTL o de baja potencia. Su consumo típico por puerta es de unos 2 mW, su tiempo de propagación 8ns y frecuencia opertiva 33 MHz. Existe también una familia Schottky de bajo consumo mejorada (ALSTTL) y una mejorada (ASTTL). Además de las subfamilias Schottky, también hay una familia TTL de alta velocidad, familia FTTL, desarrollada por la compañía Fairchaild, que permite modificar las dimensiones de los circuitos integrados. Se caracteriza por tener una elevada impedancia de entrada, lo que hace que tenga una elevada velocidad de conmutación y la reducción a la cuarta parte de la potencia disipada. En la etapa de entrada se incluye un diodo cluster y en la de salida un par Darlinton. Otra familia con tecnología bipolar es la familia ECL (lógica de emisores acoplados) es no saturable por diseño, pudiendo alcanzar frecuencias de reloj superiores a 50 MHz y desde que surgieron han ido apareciendo mejoras y variaciones que han dado lugar a otras subfamilias. El fan-out de dicha puerta es alto dada la alta impedancia de entrada del par diferencial y la baja impedancia de salida del seguidor de emisor. Entre las ventajas más importantes de esta familia destaca un fan-out alto, la inmunidad al ruido, la flexibilidad lógica, la alta velocidad y la baja generación de ruido. La última de las familias que se estudiaran con tecnología bipolar es la familia I2L (lógica de inyección integrada) que presenta la más alta densidad de integración bipolar, con mucho menor consumo que la familia TTl pero más lenta que ésta. Un nivel alto de entrada lleva al transistor multicolector a un nivel de salida bajo. La flexibilidad lógica permite tener en la salida superior el producto equivalente a la suma negada. En la salida inferior mediante el transistor inversos obtendremos la suma de a*b es una puerta NOR. 2.- Familia lógica CMOS (tecnología MOS). La familia CMOS, constituida por transistores unipolares MOS de canal N y canal P, se caracteriza, principalmente, por tener un consumo más bajo y como contrapartida es más lenta. La puerta más elemental de esta familia es el inversor, que ha sido representado en la figura. En este caso sólo existen 2 transistores y ninguna resistencia. Página 62
  • 63. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL La característica de transferencia del inversor CMOS se aproxima a la de una puerta ideal ya que presenta una transición entre niveles con una pendiente elevada, con una tensión de entrada igual a la mitad de la alimentación y con envolventes muy cercanas. La familia CMOS se caracteriza por tener un valor reducido de la corriente de entrada siendo inferior a 1 mA y corrientes de salida de valores absolutos entre 10 y 50 mA, dependientes en función directa de la tensión de alimentación. Además los niveles lógicos dependen de la alimentación. Su inmunidad al ruido es de un 30% la tensión de alimentación. En la tecnología de circuitos integrados digitales CMOS el consumo dinámico de potencia Pt que se produce en las transiciones entre niveles lógicos puede ser incluso más elevado que los consumos estáticos. Según el margen que permitan de temperatura de trabajo se distinguen dos tipos, uno, cuyo nombre comienza por 74, con rango entre -40 y 85ºC, de uso comercial y otro cuyo nombre comienza por 54, con rango entre -55 y 125ºC que es de uso militar. Además también existen subfamilias de CMOS avanzadas, puertas triestado y diferentes tipos de tecnologías. En el siguiente cuadro se ha realizado una comparación entre los diferentes tipos de familias y puertas lógicas, evaluando las diferencias. Cuando hay que interconectar entre sí circuitos de distintas familias lógicas se presentan problemas de acoplo debido a las diferentes tensiones de alimentación y por tanto distintos niveles lógicos y corrientes de entrada y salida. La solución a este problema es específica de cada caso. Página 63
  • 64. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL problema es específica de cada caso. Para la conversión TTL-ECL además de la inserción de un determinado circuito eléctrico para adaptar los distintos niveles de tensión, son necesarios dos fuentes de alimentación diferentes una de +5V para TTL y otra de -5,2V para ECL. Sin embargo si queremos excitar TTL con ECL, además de lo anteriormente mencionado se necesitan amplificadores. Otro caso de adaptación típico, viene dado entre TTL-CMOS. En este caso cuando CMOS esté alimentado a +5V, la conexión entre ellos es simplemente a través de una resistencia. Sin embargo si queremos convertir una señal dada por un circuito CMOS para que sea entendible por un TTL, debido a que los CMOS no tienen potencia para excitar directamente a los TTL ya que su corriente de salida es excesivamente débil, es necesaria la utilización de un amplificador entre ambos. FAMILIAS LÓGICAS. La lógica digital debe ser materializada, mediante circuitos integrados denominados puertas lógicas. Una puerta lógica se caracteriza por la denominada característica de transferencia, en la que se distingue nivel ato, nivel bajo y zona de transición. Además dichos circuitos constituidos físicamente por transistores, resistencias y diodos deben cumplir una serie de propiedades que les hagan aptas para su utilización como puertas lógicas, y que se recogen a continuación: 1.- Alimentación única. 2.- Curva de transferencia con niveles lógicos de salida iguales a los potenciales de alimentación. 3.- Impedancia de entrada infinita para presentar una carga despreciable a las fuentes de excitación. 4.- Impedancia de salida nula para suministrar en la salida elevadas corrientes sin reducción de su tensión por la caída de potencial en la impedancia de salida 5.- Tiempo de propagación nulo, pudiendo trabajar con cualquier frecuencia por muy alta que sea ésta. Para ello existen principalmente dos tecnologías utilizadas la bipolar con sus diferentes subfamilias entre la que destaca la TTL y la unipolar con sus puertas inversoras. Para caso se escogerá una tecnología u otra, considerando las normas de compatibilidad de deben existir entre ambas. B.- PROCEDIMENTALES Desde el punto de vista procedimental, la unidad didáctica resulta bastante menos compleja. Se trata de concebir el correcto funcionamiento de los transistores y de los diodos. Para ello, se ha Página 64
  • 65. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL trata de concebir el correcto funcionamiento de los transistores y de los diodos. Para ello, se ha decido comenzar realizando simulaciones de circuitos sencillos que consten de estos dos elementos y que se puedan incluir con posterioridad en el proyecto de nuestro robot como circuitos de control. Por ello los procedimientos que se trabajen en esta unidad didáctica serán parte de los que se deban trabajar en la unidad didáctica 14 y estarán enlazados con los tratados en la unidad didáctica 3. En la unidad didáctica 3 además de aprender a utilizar el polímetro se recomendó la construcción de una llave de cruce como inversor de un motor eléctrico. Dicho relé se puede utilizar como la resistencia de colector de un transistor, en cuya base exista una resistencia variable con algún parametro físico (un potenciómetro, LDR, NTP, PTC,) que en esencia sería el transductor de un circuito de control que comentaremos en la unidad didáctica 14. Los diodos se pueden utilizar como elementos señalizadores (si son LED) del sentido de giro del motor. Como es preciso determinar el transistor cuyo punto de trabajo sea óptimo, se recomienda realizar una búsqueda en internet de las hojas de fabricante tanto para diodos como para transistores y por supuesto la simulación del circuito con algún programa que lo permita como por ejemplo el EDISON 4 antes de su montaje en el taller. Así pues una de las posibles soluciones al problema propuesto, no la da el circuito simulado con el progrma EDISON 4 utilizando un relé de 4 circuitos, un transistor BC 337 y un diodo LED naranja. Cuando la resistencia de la base es muy alta, el transistor está en corte y el relé se encuentra en posición 1 haciendo que el diodo se encienda y el motor gire en un determinado sentido Cuando la resistencia de la base es pequeña menor de 10 K el transistor comienza a estar en conducción, lo que hace que el relé conmute a la posición 2 y el motor invierta su sentido de giro Página 65
  • 66. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL conducción, lo que hace que el relé conmute a la posición 2 y el motor invierta su sentido de giro Como ya se ha dicho al comienzo, para variar la resistencia de la base se puede utilizar una LDR, NTC, PTC o un potenciómetro. En concordancia con muestro proyecto se recomienda el uso de una LDR y de un potenciómetro. Aunque tambien se podría colocar algún final de carrera en la base que permitiese el pasa de corte a saturación/conducción cuando choque con él, o lo que es lo mismo cuando se llegue a una determinada posición. También se propone como alternativa, cambiar la fuente de alimentación del circuito primario del relé, sustituyéndole por la salida paralelo de la impresora. En este caso la resistencia de la base es 10K, el transistor un BC 337. El grave problema de esta opción es configurar adecuadamente el puerto paralelo para conseguir programar en Q-Basic. Aunque teóricamente esta opción es posible, el montaje y su realización puede dar lugar a problemas que excedan el curso de 3º de ESO. Por ello se propone como alternativa sustituir la controladora por el equipo LEGO mucho más fácil de programar ya que no es preciso la configuración del puerto paralelo ni adquirir conocimientos de Q-BASIC para programar a través del puerto paralelo. C.- ACTITUDINALES. La adquisición de hábitos de trabajo concordantes con la forma de actuación, utilizando los programas de simulación y la forma de trabajo metódica y adecuada es importante. Además hay que potenciar la valoración del desarrollo tecnológico, sobre todo en lo referente a los contenidos electrónicos. Página 66
  • 67. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL 3.- ACTIVIDADES DE ENSEÑANZA APRENDIZAJE. ORDEN ACTIVIDAD LUGAR TEMPORALIZA METODOLOGIA EVA % DE CIÓN LUA CALIFI CIÓN 1 Exposición de Aula 2 Debate Cuestionario contenidos 2 Estudio de los Talller 1 Debate Cuestionario 10 diodos y transistores bipolares 3 Diseño del Tecnologia 2 Realización Observación 10 circuito (edison -2 Directa 4) 4 Montaje del Taller 1 Realización Obser- 10 circuito vación directa 5 Prueba de Taller 1 Manipulación Obser- 10 funcionamiento del circuito Vación diseñado y montado directa 6 Soldadura del Aula 1 Debate Revi- 10 circuito sión 7 Evaluación Aula 1 Cuestionario 40 4.- EVALUACIÓN. Para la presente unidad didáctica se han seleccionado los siguientes criterios de evaluación. 1.- Describir el funcionamiento de componentes electrónicos básicos (diodo y transistor bipolar) 2.- Diseñar un circuito con componentes electrónicos básicos que permita la realización del control del movimiento del robot 3.- Montar dicho circuito y utilizarlo para la realización del control del robot Página 67
  • 68. VOLVER A PAGINA PRINCIPAL Página 68