ElectróNica AnalogíCa 2
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ElectróNica AnalogíCa 2 Presentation Transcript

  • 1.
    • ELECTRONICA
    • ANALÓGICA
    • DIGITAL
    • Solo
    • 2 valores
    • Cualquier
    • valor
    tiempo Señal tiempo Señal
  • 2. ELECTRÓNICA ANALÓGICA
    • SEMICONDUCTORES
    • COMPONENTES ELECTRONICOS
    • BLOQUES FUNCIONALES
  • 3. SEMICONDUCTORES Unión P-N El átomo Bandas de energía El semiconductor La circulación de corriente
  • 4. El átomo N p = nº protones núcleo N e = nº electrones periferia
    • Última = órbita de valencia
    • Enlaces = f(órbita de valencia)
    • Los electrones están distribuidos en órbitas de distinta energía
    • Para pasar de una a otra un electrón ha de absorber o liberar la siguiente energía:
    • E = hv h= constante de Plank
          • v = frecuencia de radiación
    • Carga del átomo
    • Distribución de electrones
    • N e > N p
    • N e = N p
    • N e < N p
    • positivo
    • neutro
    • negativo
  • 5. BANDAS DE ENERGÍA
    • Cada órbita de electrones constituye una banda energética en la que pueden estar los electrones.
    • Entre las distintas órbitas hay bandas energéticas en las que no pueden estar los electrones.
    B. conducción B. prohibida B. valencia Intervalo energético donde están los electrones de la última órbita
    • Energía que ha de adquirir un electrón de la banda de valencia para poder moverse libremente por el material
    Intervalo energético donde están aquellos electrones que pueden moverse libremente B. conducción B. valencia Aislante Conductor Semiconductor B. conducción
    • B. prohibida
    B. valencia B. conducción
    • B. prohibida
    B. valencia
  • 6.
    • B. prohibida <<
    • 4 de valencia
    • Enlaces covalentes
    CARACTERÍSTICAS El semiconductor I Conductor o aislante Materiales Ge Si AsGa Otros Histórico Principal Algunas aplicaciones específicas Poco usados
  • 7. El semiconductor II
    • Átomo de Si
    • Electrón de valencia
    • Enlace covalente
    Estructura del Si en 2D
  • 8. El semiconductor III + energía
    • Térmica
    • Luminosa
    • Eléctrica
    • Etc.
    • Número electrones
    • =
    • Numero de huecos
    Electrón libre Hueco Par electrón-hueco
    • RUPTURA
    Energía Proceso Ejemplo Ruptura de enlaces
  • 9. El semiconductor IV
    • Arsénico
    • Antimonio
    • Fósforo
    • Etc.
    Átomo con 5 electrones de valencia
    • Aluminio
    • Boro
    • Galio
    • Etc.
    Átomo con 3 electrones de valencia Tipo N Tipo P Dopado Nº de portadores = Nº de impurezas
  • 10. V+ V - Circulación de electrones libres
    • La circulación tiene lugar en la banda de conducción
    • =
    • Los conductores
  • 11.
    • La circulación tiene lugar en la banda de valencia
    V+ V - Circulación de huecos
  • 12. Secuencia en la circulación de huecos V+ V+ V+ V- V- V-
  • 13. Unión P-N Estructura P N mayoritarios minoritarios P N
  • 14. MUCHOS Unión P-N P N P N MUCHOS P N P N Difusión
  • 15. Unión P-N Al juntarse un y un desaparecen ambos, apareciendo la zona despoblada P N P N Zona despo- blada Recombinación
  • 16.
    • Fuerza de la barrera de potencial
    • Fuerza de difusión
    Unión P-N P N
    • La barrera de potencial se opone al paso de y
    • Impureza con 3 electrones
    • Impureza con 5 electrones
    • EQUILIBRIO
    Barrera de potencial
  • 17. Unión P-N Los minoritarios NO circulan P N V
    • Para que circulen los portadores mayoritarios ha de ser V > la tensión de la Barrera de Potencial
    Polarización DIRECTA
  • 18. Unión P-N Los mayoritarios NO circulan, SE REAGRUPAN.
    • Solo hay corriente de minoritarios
    • D = f(V)
    P N V D Polarización INVERSA
  • 19. Unión P-N P N V d El ancho de la zona despoblada se modifica con el valor de V Capacidad de transición C = * S d
    • C es la capacidad
    • es la constante dieléctrica
    • S es la superficie
    • d es la distancia
  • 20. Unión P-N I = I 0 *(exp(V/n*V T ) -1)
    • V T = KT/q
    • I 0 = corriente inversa de saturación
    • q = carga del electrón: 1,6*10 -19 culombios
    • K = constante de Boltzman: 1,36*10 -23 J/ºK
    • T = Temperatura en grados Kelvin
    • n = constante empírica ( 1-germanio; 2-silicio)
    Característica V-I P V N I I V
  • 21. COMPONENTES
    • El diodo ideal
    • Diodos reales
    • El diodo de unión P-N
    • El diodo zener
    • El fotodiodo
    • El LED
    • El Optoacoplador
    • La función transistor
    • El transistor bipolar
    • Transistores de efecto de campo
    • -JFET
    • -MOSFET
    DIODOS TRANSISTORES
  • 22. I V I V Símbolo
    • POLARIZACIÓN DIRECTA
    • R = 0
    • Puede circular cualquier corriente
    • POLARIZACIÓN INVERSA
    • R =
    • No hay corriente
    8 El diodo ideal
  • 23.
    • OTROS DIODOS
    • De Gas
    • De Selenio
    • De Óxido de cobre
    • De Puntas de contacto
    • De Unión P-N
    Diodo de vacío Diodos reales
  • 24. I V V C = 0,7 en el Si V R = Tensión de ruptura Curva real Aproximación Diodo de unión P-N I V Símbolo P V N I V I V R V C
  • 25.
    • El diodo zener está diseñado para trabajar en la zona de ruptura, siempre que no se sobrepase su intensidad máxima.
    • Existen en el mercado diodos zener con diversas tensiones de funcionamiento.
    El diodo zener V I V Z V Z = Tensión de funcionamiento Aproximación I zmáx Zona de funcionamiento I V Símbolo
  • 26. Circuito típico de regulación con zener V Z V R s R L
    • El zener impide que la tensión en la resistencia de carga R L supere el valor de su tensión nominal.
    • El zener no puede impedir que la tensión baje por debajo de su tensión nominal.
    • La regulación la consigue absorbiendo más o menos corriente, en función de las características del circuito. La diferencia de tensión entre la alimentación y la carga se va a R S
    V I V Z I zmáx Circuito con zener
  • 27.
    • En polarización directa se comporta como un diodo normal.
    • En polarización inversa sólo conduce cuando le incide luz.
    • Al incidir la luz se rompen muchos enlaces y por tanto se incrementa el número de minoritarios que son los responsables de la corriente inversa.
    Fotodiodo Símbolo Circuito típico con fotodiodo V R L I I V Luz Luz
  • 28. Display de 7 segmentos Diodo LED Light Emitting Diode Símbolo Circuito típico con LED V R L I
  • 29. V R L I V R L I
    • La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre el circuito de entrada y el de salida.
    • El único contacto que hay es un haz de luz.
    Optoacoplador
  • 30.
    • Actúa como un interruptor
    • Se usa en electrónica digital (ordenadores, etc)
    • Amplifica la señal de entrada
    • Se usa tanto en analógica como en digital
    entrada salida 3 terminales Función TRANSISTOR
  • 31. N N P E B C Símbolo Estructura E B C N P P E B C Símbolo Estructura E B C NPN PNP
    • El transistor bipolar sustituyó con éxito a las válvulas de vacío.
    • Sus principales ventajas son: más pequeño, más barato, más fiable, menos consumo y mayor tiempo de vida.
    • Ha sido desplazado por los FET en la mayor parte de las aplicaciones de electrónica digital, pero sigue siendo competitivo en amplificación y en alta velocidad de conmutación.
    Transistor bipolar
  • 32. Transistor bipolar E B C N P N
    • Al estar polarizada directa-mente la unión B-E, el E inyecta electrones libres en la base.
    • Al llegar los electrones del E a la B son arrastrados, la ma-yoría, al C, debido a la polari-zación inversa de la unión C-B y a que la base es estrecha y está poco dopada. Solo unos pocos forman la corriente de B-E, mucho más pequeña que la de E-C.
    • En definitiva la polarización B-E, gobierna la corriente en-tre E-C.
    • La relación entre las corrien-tes de B y C determinan la ga-nancia del transistor .
    • Existen en el transistor otras corrientes menos importantes que no están reflejadas en este gráfico .
    Funcionamiento aislante aislante aislante
  • 33. Transistor bipolar Relación de corrientes E B C I C I B I E
      • Aplicando la 1ª ley de Kirchoff al transistor obtenemos:
      • I E = I B + I C
      • El transistor tiene un comportamiento no lineal. Existen varios modelos para describir la relación entre las tensiones y corrientes que circulan por él. El más usado es el de Everst-Mole:
      • I C = ßI B + (1 + ß)I C0
      • Normalmente I C0 es despreciable con lo que la ecuación anterior se simplifica:
      • I C ßI B
      • Por otra parte como ß siempre es mayor de 10 se deduce que I B es despreciable frente a I C , por lo que:
      • I E I C
  • 34. Transistor bipolar CURVAS DE SALIDA Circuito típico de amplificación con un transistor I C V CE I B7 I B6 I B5 I B4 I B3 I B2 I B1 V CC
  • 35. Transistor bipolar
    • El transistor bipolar es un dispositivo no lineal. Pero cuando trabaja en pequeña señal su comportamiento es aproximadamente lineal.
    • Existen diversos circuitos que representan bien el comportamiento lineal del transistor, los cuales permiten resolver los circuitos con transistores mediante la Teoría de Circuitos.
    • Uno de los más usados es el modelo simplificado de parámetros H en emisor común, que se representa a continuación:
    Modelo lineal E B C I C I B I E E B C
  • 36. FET: Field Effect Transistor FET JFET MOSFET Canal n Canal n Canal n Canal p Canal p Canal p
    • El FET es un dispositivo controlado en V
    • Se denominan transistores unipolares porque tienen un solo portador de carga
    • Tienen una gran impedancia de entrada
    • Producen poco ruido
    • Ocupan poco espacio
    • Tienen problemas a altas frecuencias
    acumulación despoblamiento Transistores de Efecto de Campo
  • 37. S G D Canal N G D S P N N S G D Canal P G D S
    • El JFET, al contrario que el bipolar, tiene la unión G-S polarizada en inverso. Esto determina que la corriente de entrada sea mucho más pequeña. Es tanto como decir que es un dispositivo con una gran impedancia de entrada.
    • El surtidor emite los portadores de carga y el drenador los recibe.
    • La polarización inversa de puerta permite hacer el canal más ancho o más estrecho.
    JFET (Junction Field Effect Transistor) G D S N P P
  • 38. Acumulación S D G N N P aislante conductor S S D D G G Canal N Canal P
    • En el Mosfet de acumulación no existe inicialmente canal. Este se crea mediante la polarización de puerta surtidor. En el de canal N esta polarización es positiva y en el de canal P es negativa .
    MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
  • 39. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Despoblamiento S D G N N P aislante conductor S S D D G G Canal N Canal P
    • En el Mosfet de despoblamiento existe canal inicial. Esto permite dos tipos de polarización en puerta (+ y - ). Con polarización positiva se incrementa el canal. Con polarización negativa se disminuye.
  • 40.
    • Rectificadores
    • Filtros
    • Amplificadores
    • Realimentación
    • Operacional
    • Generadores de señal
    BLOQUES FUNCIONALES
  • 41. V t variación ¿Cómo? C.A. C.C. Red Transformador Rectificador Filtro Regulador Circuitos analógicos Rectificación I ¿Por qué? V 125/220 t V t V t V t variación Alimentación de red Es preciso convertir C.A./C.C. Circuitos electrónicos
  • 42. Circuitos analógicos Media Onda Onda Completa Son los que se usan en la práctica Poco interés práctico Rectificación II Rectificador v t v t v t v t
  • 43. En el semiciclo positivo si hay corriente En el semiciclo negativo no hay corriente Rectificador de media onda + - + - 125/220 125/220 Circuitos analógicos Rectificación III V 125/220 t V t V t
  • 44. El puente de diodos está constituido por cuatro diodos encapsulados juntos. El transformador deberá tener la relación de transformación adecuada a la tensión continua que se desee. Rectificador de onda completa Circuitos analógicos Rectificación IV V 125/220 t V t V t 125/220 Puente de diodos ~ ~ + -
  • 45. Filtros Circuitos analógicos Son circuitos electrónicos que permiten seleccionar, atenuar o eliminar señales de una determinada frecuencia. = Filtros I Esto se consigue usando componentes cuya respuesta sea función de la frecuencia Z C = 1 j  C Z L =j  L Ejemplos
  • 46. Tipos Básicos de Filtros Circuitos analógicos Filtros II 1 t R f C2 f C1 1 t R f C2 f C1 Filtro Paso Banda 1 t R f C 1 t R f C Filtro Paso Alto 1 t R f C 1 t R f C Filtro Paso Bajo
  • 47. Filtros III CUESTIÓN PREVIA Circuitos analógicos Cuando una señal pasa por un circuito, la señal de salida se obtiene multiplicando la señal de entrada por la función de transferencia o respuesta del circuito. R S e S S = S e * R
  • 48. Filtros IV ¿Cómo actúa un filtro? Circuitos analógicos Paso Banda 1 t R f C2 f C1 Paso Alto 1 t R f C Paso Bajo 1 t R f C S a ( f < f C1 ) S b (f C1 < f < f C2 ) S c ( f > f C2 ) S a ( f < f C ) S b ( f > f C ) S a ( f < f C ) S b ( f > f C ) S a ( f < f C1 )* 0 = 0 S b (f C1 < f < f C2 )* 1 = S b (f C1 < f < f C2 ) S c ( f > f C2 ) )* 0 = 0 S a ( f < f C )* 0 = 0 S b ( f > f C )* 1 = S b ( f > f C ) S a ( f < f C )* 1 = S a ( f < f C ) S b ( f > f C )* 0 = 0
  • 49. Filtros V Descomposición de señales Circuitos analógicos Cualquier señal se puede descomponer en la suma de una señal continua y un conjunto de señales senoidales Fourier Series Transformada = V t V t
  • 50. Filtros VI Ejemplo de descomposición de una señal periódica Circuitos analógicos = + + + + V t V t V t V t V t
  • 51. Filtros VII Filtros + Descomposición de Señales Circuitos analógicos Rectificador Extraer una señal de una determinada frecuencia. V t F. Paso-bajo V t Señal Teórica V t Señal Real
  • 52. Filtros + Descomposición de Señales Circuitos analógicos Filtro Paso-Alto Filtro Paso-Bajo Modificar las características de una señal. Filtros VIII t V t V t V
  • 53. S S = A · S e G V Ganancia en tensión G I Ganancia en intensidad Amplificadores I Esquema Básico Circuitos analógicos Señal de Entrada V ó I Señal de Salida V ó I GANANCIA A S e S S A
  • 54. Z e - Impedancia de entrada Z s - Impedancia de salida Amplificadores II Esquema Básico Circuitos analógicos Otros Parámetros Importantes Los amplificadores son circuitos básicos en la transmisión de señales electrónicas, pues permiten elevar el nivel de las mismas, bien para transmitirlas o bien para recuperar señales con unos niveles muy bajos de tensión. Aplicaciones Z e Z S A
  • 55. Amplificadores III Cadena de Amplificación Circuitos analógicos Transductor de entrada Transductor de salida Aunque la señal que manejan los amplificadores es electrónica, las señales inicial y final pueden ser cualquier tipo de señal física (presión, temperatura, humedad, óptica, etc.). Los transductores se encargan de hacer las correspondientes conversiones. Esto permite usar la electrónica en el procesamiento de cualquier magnitud física. Pueden colocarse tantos ampli- ficadores como sea necesario A1 A2
  • 56. Amplificadores IV Adaptación de impedancias Circuitos analógicos Transductor de entrada Transductor de salida Z s1 = Z e2 Máxima Transferencia de potencia A mayor desadaptación más pérdida de potencia se produce A1 A2 Z s1 Z e2
  • 57. Concepto Circuitos analógicos Es un proceso habitual en el mundo de la ingeniería La realimentación existe en el mundo biológico Consiste en combinar una muestra de la señal de salida de un proceso con la entrada, para modificar las características del proceso en la forma deseada Realimentación I
  • 58. Ejemplo de Sistema Realimentado Circuitos analógicos Mando a distancia GRUA Posición de la carretilla 3º piso Realimentación II La señal de salida viene dada por la posición de la carretilla. La señal de entrada está determinada por el piso al que se desea subir la carretilla. El operario, con su vista, compara ambas señales y si no coinciden, actúa sobre el mando a distancia hasta hacerlas coincidir.
  • 59. Circuito Básico Circuitos analógicos Realimentación III B + - A MEZCLADOR DE SEÑALES AMPLIFICADOR RED DE REALIMENTACIÓN
  • 60. Análisis Circuitos analógicos S s = S e’ · A S s = (S e - B·S s ) ·A A 1 + A · B S s S e = Característica de transferencia del sistema Ar = Realimentación IV B + - A S e’ = S e - B * S s B * S s S e S s
  • 61. Tipos de Realimentación Circuitos analógicos NEGATIVA Ar < A Realimentación V Esta Realimentación frena los cambios bruscos del sistema Cuanto más fuerte sea la realimentación más estables será el sistema
  • 62. Tipos de Realimentación Circuitos analógicos POSITIVA Ar > A Realimentación VI Esta Realimentación favorece los cambios bruscos El sistema es muy inestable Interesa cuando se desean obtener transiciones muy bruscas de una señal, como por ejemplo al generar una onda cuadrada: V t
  • 63. Tipos de Realimentación Circuitos analógicos OSCILADORES Ar = A El sistema puede proporcionar una señal de salida sin tener señal de entrada Interesa esta realimentación para los generadores de señal. Se usa en los osciladores. Realimentación VII S s =  S s = 0 = S s S e 
  • 64. Amplificador Operacional Circuitos analógicos OPERACIONAL I -Vcc +Vcc V 1 -V 2 - + +Vcc -Vcc V 1 V 2 V 0 Ref
  • 65. Operacional II Usos del Amplificador Operacional Circuitos analógicos Amplificador Comparador V e V e = - R1·i 1 V s = -R2·i 2 V s V e = -R2 R1 i 1 =i 2 R1 R2 i 1 i 2 V e V s - + R2 V s - + -Vcc +Vcc V e Led luce Led no luce V s
  • 66. Tipos de Generadores Circuitos analógicos Osciladores Multivibradores Otros Señal de entrada Oscilador Señal de salida senoidal GENERADORES DE SEÑAL I V t
  • 67. Multivibradores Circuitos analógicos Aestable El circuito bascula solo del nivel bajo al alto, y viceversa. Pueden regularse los tiempos en ambos estados. No tiene ningún estado estable. GENERADORES DE SEÑAL II V t
  • 68. Multivibradores Circuitos analógicos El circuito sólo cambia de un estado al otro. Para salir del segundo estado precisa una señal externa. Tiene un solo estado estable. Monoestable Señales de Cambio GENERADORES DE SEÑAL III V t
  • 69. Multivibradores Circuitos analógicos Para salir de cualquiera de los dos estados precisa una señal externa. Tiene dos estados estables. Biestable Señales de Cambio GENERADORES DE SEÑAL IV V t