Electrónica Apuntes 2012-13

APUNTES DE LA ASIGNATURA

ELECTRÓNICA GENERAL

Juan García Ortega

Francisco Pérez Ridao

Federico Barrero García

Sergio Toral Marín

Departamento de Ingeniería Electrónica

Sección de Publicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Título: Apuntes de la asignatura Electrónica General Autores: Juan García Ortega, Francisco Pérez Ridao, Federico Barrero García y Sergio Toral Marín Edita: Sección de Publicaciones

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla

© El contenido de este documento es responsabilidad de los autores. Prohibida la reproducción total o parcial de este documento por cualquier medio sin la autorización expresa de los autores

23/01/2013

1

Electrónica General2º curso

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

Juan GarcíaFrancisco Pérez

Federico BarreroSergio Toral

www.dinel.us.es

- Introducción a la electrónica- 1ª parte: Dispositivos electrónicos básicos- 2ª parte: Electrónica analógica- 3ª parte: Sistemas electrónicos digitales

Electró

nica

Gen

eral –1ª P

arte

Introduccióna la Electrónica

Electró

nica

Gen

eral –1ª P

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Índice

1. ¿Qué es la Electrónica?

2. Ámbitos de aplicación y utilidad

3. Historia y evolución de la Electrónica

4. Áreas de la Electrónica

2Introducción

Electró

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Gen

eral –1ª P

arte

Electricidad Electrónica

¿Qué es la Electrónica?

“Electrónica es la ciencia y tecnología

relativas al paso de partículas cargadas

eléctricamente a través de un gas, del vacío

o de un semiconductor”

3Introducción

Electró

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4

¿Como afecta a los diversos campos de la ingeniería?

Ámbitos de aplicación y utilidad

Introducción

Electró

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5


Introducción

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6


Introducción

Electró

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7


Introducción

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8


Introducción

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9


Introducción

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10

Esquema básico de un encendido electrónico


Introducción

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Encendido electrónico con microprocesador

11


Introducción

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Gen

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Comparación entre diversos tipos de encendido

12


Introducción

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13

Sistema Nº ss

DTR Distronic 3

ECT Transmisión elctr. 9

RCU Ctrl. techo solar 7

ABS Antibloqueo frenos 4

ZV Cierre centralizado 3

LWR Ajuste dinam. faros 6

CDI Ctrl. inyección 11

AAC Climatizador 13

ABC Ctrl. activo cuerpo 12

TPM Press. neumaticos 11

ESP Ctrl. estabilidad 14

PTS Paridronic 12


Sistemas electrónicos en un automóvil

Introducción

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14

Sistema de gestión de flujo de energía en un vehículo híbrido


Introducción

Electró

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15


Introducción

Sistema de control

Sistema microprocesador encargado de

gestionar el flujo de energía, activando

los distintos elementos del sistema.

La información la obtiene de una serie

de sensores electrónicos.

Electró

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16


Introducción

Inversor

Es el encargado de convertir la corrientecontinua de la batería en corriente alterna, usadapara accionar los motores eléctricos.

Electró

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17


Introducción

Sistemas aviónicos, sensores aviación, sistemas de guerra

electrónica

Control de sistemas de energía renovable,

conversión de energía.

Sistemas de tracción, control de flujo de

energía, conversión de energía.

Sensoresindustriales y

control de procesos.

Comunicaciones y redes de servicios.

Gestión del tráfico terrestre, marítimo y

aéreo.

Electrónica de consumo.

Computación.

Etc…

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18

1888 Generación de radiación electromagnética (Hertz)

1895 Transmisión de radio a 3 Km (Marconi)

1897 Tubo de rayos catódicos (Braun)

1904 1º diodo o válvula de vacio (Fleming)

1906 Triodo o dispositivo de 3 terminales (De Forest)

1920 1ª emisora de radio (Westinghouse Electric Corp.)

Historia y evolución de la Electrónica

Introducción

Electró

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Gen

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19

1946 1ª computadora (ENIAC)

• 17468 válvulas de vacio

• 32 toneladas

• 2,4 x 30 metros cuadrados

• 5000 sumas

• 300 multiplicaciones

por segundo


Introducción

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20

1948 Se inventa el 1º transistor (Bell Lab)


Introducción

Electró

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21

1951 Transistores discretos

1959 Jack Kilby inventa

el primer circuito integrado (premio Nobel en 2000)

1960 Integración a pequeña

escala (SSI, 100 cmp/chip)


Introducción

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22

Desarrollo de la microelectrónica


Introducción

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23

10mm10km

500m 500 m

70mm

¿Escala de integración?


Introducción

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24

¿Coste de la electrónica?


Introducción

Electró

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25

Áreas de la Electrónica

Introducción

Medida analógica de temperatura

Medida digital de temperatura

Según la tecnología usada

Electró

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26


Introducción

- Electrónica industrial

• Control de procesos

• Automatización de

procesos

- Electrónica de potencia

• Conversión de energía

• Flujos de energía

Según el área de aplicación

Electró

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Gen

eral –1ª P

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- Instrumentación electrónica

• Sensores

• Instrumentos de

medida

- Telecomunicación

• Procesamiento de información

- Microelectrónica

• Circuitos integrados

27


Introducción

Según el área de aplicación

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eral –1ª P

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28

Estructura de un sistema microelectrónico

Dispositivoelectrónico

Circuitoelectrónico

Sistemaelectrónico


Introducción

Según la complejidad

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29

ElectrónicaAnalógica

Trayectoriade estudio de la

asignatura


Introducción

ElectrónicaDigital

DispositivosElectrónicos

Básicos- Complejidad ascendente

- De Analógica a Digital

- Área genérica

ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

Parte 1. Dispositivos electrónicos

básicos

ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

2 Dispositivos electrónicos básicos

Índice

1. Dispositivos elementales2. La unión PN y el diodo3. Transistores BJT y MOSFET4. El amplificador operacional

ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

- Dispositivos elementales

Resistencia

Condensador

Inductancia

3

Dispositivos elementales

Potenciometro

LDR

Dispositivos electrónicos básicos

ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

4

- Materiales semiconductores

Si, Ge

AsGa, SCd…

AlGaAs…

InGaAsP…

- Portadores de carga

(electrones y huecos)

La unión PN y el diodo


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

5

- Materiales semiconductores

- Semiconductor intrínseco (p = n)

- Semiconductor tipo N; dopaje tipo N (p < n)

- Semiconductor tipo P; dopaje tipo P (p > n)



ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

6

- Unión de un semiconductor N y otro P



ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

7

- Unión PN polarizada directamente



ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

8


- Unión PN polarizada inversamente


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

9

P N


- El diodo de unión PN


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

10

Parámetros básicos

V ~ 0,7 V

VBR ~ 100s V

Pmax ~ miliwatios - watios


- El diodo rectificador (modelo ideal)


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

11

Parámetros básicos

V ~ 0,7 V

VBR ~ 1,5 - 300 V

Pmax ~ watios


- El diodo Zener (modelo ideal)


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

12


-LED y PIN


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

13

Característica estática Modelo simplificado

Parámetros característicos

etc…


- Otros diodos (Schottky, Varicap, Tunel, Gunn, láser, etc…)


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

14

Caso 1: Vcc = 12 V, R = 1K , V = 0,7 V

Caso 2: Vcc = -10 V, R = 1K , V = 0,7 V

Caso 3: R = 1K , V = 0,7 V, Vz = 5 V

limitador

rectificador


- Ejemplos de uso


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

15


- Ejemplos de uso

Detector de paso


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

16

Transistores BJT y MOSFET

- El transistor Bipolar de Unión (BJT)

El transistor bipolar BJT se comporta como una fuente de

corriente controlada por otra corriente (Efecto Transistor)


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

17



Sin Efecto Transistor: comportamiento como dos diodos enfrentados


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

18



Con Efecto Transistor: comportamiento como fuente de corriente


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

19



Parámetros básicos: Ganancia , Potencia máxima Pmax

Tensiones típicas (VBE, VCE), Frecuencia de corte fc


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

20



Modelo aproximado del BJT


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

21



BJT en ACTIVA

UE PD, UC PI

VBE = 0,7 V

VCE > 0,2 V

IC = · IB


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

22



BJT en SATURACIÓN

UE PD, UC PD

VBE = 0,7 V

VCE = 0,2 V

IC < · IB


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

23



BJT en CORTE

UE PI, UC PI

VBE < 0,7 V

IB = 0

IC = 0


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

24


- Ejemplos de usoCaso 1: Vs = 0 V (corte)

Caso 2: Vs = 1,2 V (activa)

Caso 3: Vs = 2,4 V (saturación)

Caso 4: Vs = 1,2 + 0,1 sen(wt)

Caso 5: Vs = 1,2 1,2 V


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

25


- El transistor de efecto de campo (MOSFET)

- El transistor MOSFET se comporta como una fuente de corriente controlada

por una tensión

- Existen 16 símbolos diferentes para 8 transistores MOSFET posibles


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

26



pMOS

VSG

GD

S

VSD

IG=0

IS

ID

Parámetros básicos: Tensión umbral VT , Kn ( Cox·W/L), Potencia

máxima Pmax , Frecuencia de corte fc


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

27



Modelo aproximado del MOSFET


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

MOSFET en CORTEVGS VT

IG = 0

ID = 0

28




ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

29



MOSFET en

CONDUCCIÓN

VGS > VT

IG = 0

ID = f (VGS, VDS)


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

30

El amplificador operacional (OP AM)

- El amplificador operacional real

- Circuito amplificador hecho con transistores (ej. RC741)


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

31


- El amplificador operacional real

- Circuito amplificador hecho con transistores (ej. RC741)

- Vo proporcional a la diferencia de tensiones de entrada (Vin+ - Vin

-)

- Saturación. Ganancia (A) finita


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

32


- El amplificador operacional ideal

- Vo proporcional a la diferencia de tensiones de entrada (Vin+ - Vin

-)

- NO HAY Saturación. Ganancia (A) infinita

- Corrientes nulas por los terminales de entrada (Iin = 0)


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

33

El amplificador operacional (OP AMP)

- Circuito equivalente y comparación entre ideal-realCaracterísti

caA.O. Ideal A.O. Real

A Infinita Finita (decrece con f)

Vo A • (V(+)-V(-)) A • (V(+)-V(-)) +

½ A•(V(+)+V(-))

Zi Infinita < 100 K

Zo 0 > 100

Saturación Imposible Satura en +/-Vcc

Circuito No (concepto) Circuito Integrado

Potencia No limitada Señal (mW)


ElectrónicaG

eneral –1ª Parte

Vin+

Vin-VO

VREFV(Pop)

R

34

El amplificador operacional (OP AMP)

- Ejemplos de uso

Caso 1: Avisador óptico de

umbral de luminosidad

Caso 2: Amplificador de audio

Vo = Vin+·(R1+R2)/R1


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

Parte 2. Electrónica analógica

Clase 1: Rectificadores y Filtros Básicos.

Clase 2: Amplificadores, Interruptores y Drivers.

Clase 3: Sistemas Electrónicos Analógicos.

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

2

Clase 1:

Rectificadores y Filtros Básicos 1.1 Circuitos rectificadores.

1.2 Rectificador con filtrado.

1.3 Regulador zener.

1.4 Filtros pasivos RC.

1.5 Filtros activos con A.O.

1.6 Rectificadores y Filtros comerciales.

2 Electrónica analógica

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

3

1.1 Circuitos rectificadores.

Rectificar: obtener tensión (corriente) continua a partir de tensión (corriente) alterna.

Tipos de rectificadores:

Baja f : 50Hz, red, audio, etc.

Alta f : fuentes conmutadas, circuitos RF, etc.

Media Onda: rectifica semionda positiva o negativa.

Onda Completa: rectifica todo.

(a) Objetivos

Electrónica analógica

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

4


(b) Rectificador de media onda


Electró

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eneral

2ª Parte

5


(b) Rectificador de media onda

Rectificador con modelo ideal de diodos


Electró

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2ª Parte

6


Características:

Rectificador activo.

Compensa Vf de diodos.

Inconvenientes:

Requiere A.O. y fuente (+/-Vcc)

Rectifica sólo en señal (poca potencia).

Funciona mal en alta f (A.O...)

(d) Rectificador de media onda con A.O.


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

7


Mejora el rendimiento de rectificación.

Eleva tensión (corriente) media/eficaz de salida.

Con/sin aislamiento (galvánico) de red.

Requiere 4 diodos y/o transformador especial.

(e) Rectificador de onda completa


Electró

nica G

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2ª Parte

8


(e) Rectificador de onda completa


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

9


(f) Comparación de rectificadores


Electró

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eneral

2ª Parte

10


- Filtrar: eliminar componentes indeseadas: tensiones o intensidades.

- Filtrado de rectificador: suprimir toda variación de tensión en la salida (AC), dejando sólo continua (DC).

- Tipos: Pasivos (R, L, C) y Activos.

(a) Filtrado

Condensadores e inductancias de filtrado


Electró

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2ª Parte

11


Basados en el uso de condensadores e inductancias.

C paralelo reduce dV/dt ... C infinito V=cte (no real)

L serie reduce di/dt ... L infinito I=cte. (no real).

Problema: C y L voluminosos, pesados y caros en baja f.

Diferentes topologías posibles de filtrado paso bajo.

(b) Filtros pasivos

¿Qué hay que saber siempre de L y C?

Idealmente:

i= C dV/dt e=L di/dt

Pero NO EXISTEN ...idealmente.


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

12


(c) Filtrado simple capacitivo.

Filtrado simple R-C, con R pequeña parásita (D, trafo, etc.) y C alta (electrolíticos).

Elegir C para reducir rizado de tensión ( Vo).

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

13


(a) Diodo zener.

Diodo Zener: diodo de unión especialmente diseñado para trabajar en ruptura no destructiva en P.I. (ruptura zener).

Especificar: Vz, Pmax.

Electró

nica G

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2ª Parte

14


Regular: Mantener constante la tensión de salida (variando Vi, Io, T, etc.)

Regulador zener: - Red Rs - Z - Ro. - Rs limita Izmax. - Ro representa la carga - Zener P.I. en ruptura: Vo = Vz. Limites: - Reducida potencia de salida - Mal rendimiento: Pz = Vz RS=(Vi- - Vz varía con Iz Vo varía con Io

(b) Regulador zener básico


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

15


Fuente con Regulador zener: red Rs-Z (regulador zener básico) añadido a rectificador con filtrado.

Aplicación: regulador de tensión en circuitos de poca potencia.

(c) Regulador zener completo


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

16


- Filtro P/B

Vi = Vc +R

= Vo + RC dVo/dt

(sin carga de salida)

- Filtro P/A

Vi = Vc + R

= Vc + RC dVc/dt

(sin carga de salida)

Circuitos eléctricos básicos ...

(a) Filtros básicos sin carga


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

17


(b) Comportamiento en frecuencia

Diagrama de Bode


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

18


(c) Filtros básicos con carga

La carga altera mucho el filtrado.

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

19


- F.A. : utilizan circuitos electrónicos activos (con transistores o amplificadores operacionales).

- F.A. con A.O. : Basados en el uso de A.O., con resistencias y condensadores, pero evitando inductancias.

- Ventajas: Soportan carga. Diseño fácil (programas en red).

- Limitaciones: límites propios del A.O. (poca potencia, baja f, saturables, alimentados +/-Vcc, etc.)

- Clasificación:

- Ideales (no existen) / reales.

- Filtros P/B, P/A, PasoBanda...

- Filtros 1º orden, 2º orden...

- Topologías (circuitos) diferentes

(a) Características

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

20


(b) Filtros de 1º orden P/B y P/A

Filtrado pasivo + amplificador (A.O. seguidor, tema 4): Vo = V+.

Frecuencias de corte (-3dB): fc1=1/(2 R1C1) , fc2=1/(2 R2C2)

Pendiente 20dB/dec = 6dB/oct

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

21


(c) Filtro de 1º orden Pasobanda

Filtro P/B seguido de filtro P/A.

Ubicar adecuadamente fc1 y fc2.

En audio corresponde a sonidos

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

22


(d) Filtros de 2º orden P/B y P/A

Topología: Sallen-Key.

fc=1/2 RC (R=R1=R2 , C=C1=C2)

Pendiente: 40 dB/dec=12dB/oct

Simulado con A.O. RC5532

Electró

nica G

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2ª Parte

23


(e) Aplicaciones para Diseño de Filtros

Programas de diseño de filtros en red.

Ejemplo: FilterPro (www.ti.com)

Diseño fácil de numerosos filtros.


Electró

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2ª Parte

24

1.6 Rectificadores y filtros comerciales.

Diodos zener de señal y potencia (20W)

Puente rectificador filtrado

Puente rectificador simple y trifásico

(a) Rectificadores comerciales


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

25


Filtro para audio de 3 vías

(b) Filtros pasivos comerciales

Ejemplo de aplicación:

Filtro divisor de frecuencias (bafles). filtro pasivo de 3 vías.

P/B f bajas P/banda P/A f altas

Inductores y condensadores especiales: Alta potencia Bajas pérdidas Voluminosos (caros)


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

26


Ejemplo de aplicación:

Crossover RANE AC23.

filtro activo de 3 vías estéreo.

P/B activo

P/banda activo

P/A activo f altas

Múltiples opciones para fc1 (11) y fc2 (12).

(c) Filtros activos comerciales

Filtro activo RANE AC23


Electró

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2ª Parte

27

Clase 2:

Amplificadores, Interruptores y Drivers. 2.1 Amplificadores básicos con A.O.

2.2 Interruptores con BJT y MOSFET.

2.3 Drivers de led y motores.

2.4 Amplificadores y drivers comerciales.


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

28

2.1 Amplificadores básicos con A.O.

El A.O. Ideal es un concepto, NO es un circuito, no requiere alimentarse.

Componentes eléctricos ideales (R, L, C, etc.) también son conceptos: los componentes reales son complejos.

¿Qué se pretende?: facilitar ciertos diseños electrónicos.

(a) A.O. Ideal

Símbolo de un A.O. (Ideal o real)


Electró

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2ª Parte

29


El A.O. real es un circuito integrado (CI) complejo.

Miles de A.O. diferentes:

RC741, OP27, RC5534...

Ninguno es perfecto.

Consultar hojas características de fabricante.

¡No es necesario conocer circuito interno para diseñar aplicaciones¡

(b) A.O. Real

RC741: Circuito interno equivalente.


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

30


Característica A.O. Ideal A.O. Real

Av Infinita (Avd) Finita

(decrece con f)

Vo Avd (V(+)-V(-)) Avd (V(+)-V(-)) +Avc (V(+)+V(-))

Zi Infinita <100.000

Zo 0 >100

Saturación Imposible Satura en +/-Vcc

Circuito No (concepto) Circuito Integrado

Potencia No limitada reducida

(c) Comparación de A.O. ideal y real


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

31


(c) Comparación de A.O. ideal y real

Comportamiento en frecuencia de un A.O. real (LM741)


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

32


(A) Amplificador inversor: Vo = - (R2/R1) Vi

(B) Sumador tensión: Vo = - (R3/R1) Vi1 - (R3/R2) Vi2

Si Vi > 0

Supuesto básico: A.O. Ideal V(+) = V(-) V(-) = 0V (tierra virtual) A.O. Ideal I(+) = I(-) = 0

(d) Inversores


Electró

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2ª Parte

33


(C) Amplificador NO inversor: Vo = (1+R2/R1) Vi (Vo > Vi)

(D) Seguidor Tensión: Vo = Vi (Io >> Ii)

Supuesto básico: A.O. Ideal V (+) = V(-) = Vi (corto virtual) A.O. Ideal I(+) = I(-) = 0

(e) No inversores


Electró

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2ª Parte

34


Vo = (R2/R1) Vi = (R2/R1) (Vi+ - Vi-)

Vi: Entrada flotante.

Si Vi+ = 0 Amp. Inversor ,, Vi- = 0 Amp. No inversor

(f) Amplificador diferencial


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

35

2.2 Interruptores con BJT y MOSFET

Característica INT. IDEAL INT. REAL

Int. Abierto (OFF)

__/ __

I = 0

V de circuito

I << 1mA

(V<Vmax)

Int. Cerrado (ON)

__---__

V = 0

I de circuito

V > 1 mV

(I<Imax)

Potencia No limitada P<Pmax

Tecnología No real Eléctrico /

Electrónico

(a) Interruptores Ideales y reales


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

36


Característica INT. con BJT

Int. Abierto (OFF)

__/ __

CORTE

Vbe)c < 0.5V

Ico > 1mA

Vce < Vce)max

Int. Cerrado (ON)

__---__

SATURA

Vbe)s > 0.8V

Vce)s > 0.2V

Ic < Ic)max

Potencia P = Vce Ic

P < Pmax

Tecnología Electrónico

(b) interruptor BJT


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

37


(c) BJT en circuitos de conmutación

Numerosos circuitos de conmutación diferentes.

Los circuitos TTL digitales son de conmutación.

La Electrónica de potencia se basa en conmutación.


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

38


Característica INT. con MOSFET

Int. Abierto (OFF)

__/ __

CORTE

Vgs < V

V < Vds)max

Int. Cerrado (ON)

__---__

LINEAL

Vgs > V

Vds < Vgs-V

Vds)lin > 0V

I < Id)max

Potencia P= Vds Id

P < Pmax

Tecnología Electrónico

(d) Interruptor MOSFET


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

39


(e) MOSFET en circuitos de conmutación

MOSFET es más fácil de atacar que BJT (Ig=0).

MOSFET permite frecuencias mayores.

Lógica CMOS basada en MOSFET conmutando.


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

40

2.3 Drivers de led y motores

- Driver (excitador): circuito capaz de gobernar (atacar) adecuadamente una carga, dando la tensión y corriente requeridas.

- Carga: circuito pasivo o activo conectado a la salida del driver.

- Ejemplos de cargas: resistencias, relés, luces, motores (AC o DC), altavoces, etc.

- Diseño: cada circuito excitador (driver) se diseña para la carga conectada. Cambio de carga requiere cambio de driver.

(a) Drivers

Driver para motor Driver para reles

Electró

nica G

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2ª Parte

41


- LED: Diodo Emisor de Luz (emite luz en P.D.)

- Valores típicos: Vf = 2V , Id = 10mA , P = 2mW

- Alto rendimiento lumínico.

(b) Driver para leds

Electró

nica G

eneral

2ª Parte

42


(c) Driver de motor


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

43

2.4 Amplificadores y drivers comerciales

NE5532

A.O. de

señal

LM1875

A.O. de

Potencia

Amplificador de audio realizado

con NE5532 y LM1875

(a) Amplificadores operacionales comerciales


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

44

2.4 Amplificadores y drivers comerciales

LMD18245

(3A, 55V, Motor driver)

LM3915

(10 leds driver)

Aplicación de LM3915

Aplicación de driver de motor

(b) Drivers comerciales


Electró

nica G

eneral

2ª Parte

45

Clase 3:

Sistemas Electrónicos Analógicos. 3.1 Sistemas Electrónicos lineales.

3.2 Amplificador de audio.

3.3 Circuitos Electrónicos no lineales.

3.4 Regulador serie.

3.5 Electrónica de Potencia.


Electró

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2ª Parte

46

3.1 Sistemas Electrónicos Lineales

Función lineal (matemáticas):

f(x+y) = f(x) + f(y) (propiedad de superposición)

f(ax) = af(x) (propiedad homogénea)

¿Es lineal? ¿f(ax+by)=af(x)+bf(y) ?

Circuito (electrónico) lineal :

Circuito cuya salida (Vo, Io) es función lineal de la entrada (Vi, Ii). Ejemplo: un seguidor de tensión.

Sistema (electrónico) lineal:

Sistema complejo formado por varios circuitos más simples, que realiza una función definida con comportamiento lineal. Ejemplo: Un amplificador de audio.

(a) Sistema Electrónicos Lineales

Previo mezclador


Electró

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2ª Parte

47

3.1 Sistemas Electrónicos Lineales

No linealidad (matemáticas):

f(ax+by) af(x)+bf(y) No es lineal

Circuito (electrónico) NO lineal :

Circuito cuya salida (Vo, Io) NO es función lineal de la entrada (Vi, Ii). Ejemplo: un comparador de tensión.

Sistema (electrónico) NO lineal:

Sistema complejo formado por varios circuitos más simples, que realiza una función definida con comportamiento NO lineal. Ejemplo: Una fuente de alimentación conmutada.

(b) Sistema Electrónico no lineal

Reproductor de CD


Electró

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2ª Parte

48

3.2 Amplificador de audio

Característica Tipos de Amplificadores

Amplificación

básica

Tensión Vo = k Vi

Corriente Io = k Ii

Otros (Vo = k i ; Io = k Vi)

Potencia Señal (mW) / Potencia (W)

Tecnología Transistores / válvulas / C.I.

Transistor BJT, MOSFET, JFET...

Saturación Lineales / Conmutados

Frecuencia Baja f (audio), Alta f (RF)

Aplicaciones Audio, Video, Instrum., etc.

(a) Tipos de amplificadores


Electró

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2ª Parte

49

3.2 Amplificador de audio

(a) Tipos de amplificadores

Electró

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2ª Parte

50

3.2 Amplificador de Audio

Frecuencias (fmin, fmax)

Audiofrecuencias Básico: 20Hz - 20kHz

Mejor: DC - 100kHz

Tipo de Amplificador Tensión(Vi) / Tensión(Vo)

Tensión(Vi) / Corriente(Io)

(Pre)amplificadores

Etapas potencia

Impedancia de entrada (Zi)

Alta 1K - 100K

Impedancia de Salida (Zo)

Baja (previos)

Muy Baja (etapas potencia)

100 - 1k

4 -

Distorsión (THD)

Muy reducida << 1%

Potencia (P)

Baja (previos)

Alta (etapas potencia)

<10 W

10 - 1000W

(b) Características audioamplificadores.


Electró

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2ª Parte

51


Vi: fuente de señal de audio ,, R6, R11: modelo de carga ideal

Primer requisito: polarizar adecuadamente. Después, amplificar.

No se utilizan en potencia.

(c) Circuitos amplificadores básicos: EC y CC


Electró

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2ª Parte

52


Amplifica tensión e intensidad.

Inversor de fase.

Zi alta y Zo baja.

(d) Emisor Común


Electró

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2ª Parte

53


Sólo amplifica intensidad.

Seguidor de tensión (Av=1).

Zi alta y Zo baja.

(e) Colector Común


Electró

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2ª Parte

54


CI simplifica mucho el diseño.

Muy pocos componentes externos.

Potencia limitada por CI.

Ejemplo: TDA2030 (14W sobre 4

Amplificador estéreo con TDA 2030

Esquema simplificado de

amplificador con TDA2030

(f) Amplificador integrado


Electró

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2ª Parte

55


Circuitos muy complejos.

Multietapa.

Multitransistor.

Electrónica de potencia analógica.

(g) Sistemas amplificadores reales

Amplificador integrado CYRUS I

Electró

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2ª Parte

56

3.3 Circuitos Electrónicos No Lineales

La salida NO es amplificación lineal de la entrada: Vo(t) k Vi(t)

Circuito Diferenciador: Vo = - RC dVi/dt (OJO con RF)

Circuito Integrador: Vo =Voi - (1/RC) (OJO con DC)

(a) Circuitos Diferenciador e integrador


Electró

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2ª Parte

57


(b) Comparador simple

Trabaja en saturación.

Si V+ > V- Vo = +Vcc

Si V+ < V- Vo = -Vcc


Electró

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2ª Parte

58


(c) Comparador con histéresis

Utiliza comparador simple. Si V+ > V- Vo = +Vcc Si V+ < V- Vo = -Vcc Umbrales de cambio: ViL, ViH

Curva de histéresis

Electró

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2ª Parte

59


Generan señales periódicas. No hay entradas, ! sólo salidas !. Pueden ajustar amplitud, f, forma onda... Ejemplo: Generador de onda triangular

(Vt) y cuadrada (Vc). IC1: Integrador ; IC2: Comparador con

histéresis ; IC3: Seguidor de tensión.

(d) Osciladores


Electró

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2ª Parte

60


(a) Regulador serie básico

Q1 en serie permite aumentar la potencia regulada. Q1 activa, Vbe ~ 0.7V, Vb = Vz = cte , Vo = 0.7 - Vz Límites: Vz y Vbe no son constantes Vo no es

constante. Pérdidas en Q1.


Electró

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2ª Parte

61


(b) Regulador serie mejorado

Requiere uso de A.O. (IC1, debe ser alimentado). IC1 amplifica linealmente error:

VD1= VR3 (R2+R3)/R3.

Mejora regulación de carga y línea (Vo muy constante).


Electró

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2ª Parte

62


(c) Comparación de reguladores

Comparación de regulación de línea en

regulador serie básico y mejorado.

Electró

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2ª Parte

63


(d) Reguladores integrados

Integran diferentes funciones: regulación y protección.

Reguladores positivos y negativos: +5, +9, +12, -5, -9, -12... etc.

Requieren condensadores y radiador térmico externos.


Electró

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2ª Parte

64

3.5 Electrónica de Potencia

Campo de trabajo específico del Ingeniero Industrial.

Caracteristicas:

BJT, MOSFET, IGBT, etc. en conmutación.

Alto rendimiento (... 95%).

Tipos de Convertidores de Potencia:

AC/DC , DC/DC , DC/AC y AC/AC.

(a) Convertidores de Potencia

doble IGBT 50A 1200V


Electró

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2ª Parte

65


Incluyen convertidores AC/DC y DC/DC conmutando en alta frecuencia.

Uso extenso en alimentación de circuitos electrónicos: ordenadores, TV, audio, etc.

Diversos circuitos característicos (topologías).

Ventajas: alto rendimiento y reducido tamaño.

Inconvenientes: Diseño complejo, tensiones peligrosas, alto EMI (interferencias).

(b) Fuentes Conmutadas


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2ª Parte

66


Convertidor DC/DC básico de amplio uso.

Vd circuito de control (CI, controlador integrado).

Vo = (Ton/T) V1 ,, T = Ton + Toff (T<<1s) ,, Vo < Vi

(c) Convertidor Reductor


Electró

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2ª Parte

67


Ejemplo de convertidor reductor:

V1 = 10V ,, Ton = 0.5T Vo = 5V

f = 10kHz (T= 100 s)

0.000m 0.200m 0.400m 0.600m 0.800m 1.000m-1.000

0.000

4.000

8.000

12.000

v (1)T

v (2)

CIRCUIT1.CIR

(d) Ejemplo de convertidor


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

Parte 3. Sistemas electrónicos

digitales

ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

2

Electrónica analógica y digital: ¿Qué es un SED?

Sistemas electrónicos digitales

ANALÓGICO ANALÓGICODIGITAL

Introducción

ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

3

Sistemas que procesan una señal codificada en binario

Introducción


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

4

Pero también….

Introducción


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

5

Introducción


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

6

Introducción


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

7

Introducción


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

8

PC-104Estándar de ordenador empotrado para aplicaciones industriales

Define las dimensiones y el factor de forma de la placa base y el bus del sistema (ISA o PCI según la especificación)

Es un estándar para módulos compatibles con los PCs que pueden

ser apilados uno sobre otro para crear un sistema de cómputo

empotrado

Introducción


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

9

Introducción

@rtAC


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

10

¿Por qué la Electrónica Digital?

Lo mismo que ahora se hace con electrónica digital, hace unos pocos años

se hacía con elementos analógicos pero:

Poco flexible, nada portable, fiabilidad baja, elevado coste de

mantenimiento

¿Y dónde queda la Electrónica Analógica? SENSORES

Introducción


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

11

Wikipedia

ENIAC vs Z3

Transistor: Laboratorios BELL (J. Bardeen, W. Houser y W. Bradford)

Jack S. Kilby (Texas Instruments): circuito integrado

Intel 4004: Primer microprocesador

Introducción


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

12

1. Estructura general de un Sistema Electrónico Digital

2. Elementos de control de proceso

3. Periféricos

4. Otros elementos y componentes más básicos

5. Algún SED de aplicación industrial

Índice


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

13

SEDSistema abierto basado en componentes electrónicos con capacidad de

procesar datos digitalizados

Componentes de un SEDComponente (o componentes) de control: µP, µC, DSP, DSC, FPGA, PSoC

Elementos auxiliares o Periféricos

Almacenamiento de información

Comunicaciones

Integración con sensores (CAD/CDA)

Otros elementos más simples: puertas lógicas…

Estructura general de un SED


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

14

BUSES

MASTER

SLAVES



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

15

Bus de Direcciones: selecciona origen o destino (unidireccional): M líneas: capacidad de direccionar 2M posiciones/direcciones

Bus de Datos: transferencia de datos (bidireccional)N líneas: bits transmitidos en paralelo (tamaño de los datos)

Bus de Control: heterogéneo, depende del microprocesador



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

16

Características principales del SED

1 sólo componente de control: MASTER

Muchos periféricos accedidos por líneas eléctricas (BUSES): SLAVES

MASTER gestiona los BUSES

Mapa de memoria

Temporización del acceso

Elementos simples para garantizar el acceso coherente del MASTER a los

SLAVES: puertas lógicas, multiplexores (mapa de memoria), contadores

(tiempo de acceso)



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

17

Microprocesador

Microcontrolador

DSP – Digital Signal Processor

DSC – Digital Signal Controller

FPGA (CPLD)

PSoC – Programable System on Chip

Elementos de control de proceso


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

18

DSP: TMS320DM643

PSoC FPGA

µPs



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

19

Características principales del MAESTRO - IIntérprete de comandos, con capacidad de ejecutar instrucciones y programas

creados por los usuarios (acceso a MEMORIA DE PROGRAMA) y de operar

internamente con datos (acceso a MEMORIA DE DATOS).

Sistema síncrono en la ejecución (CICLO DE EJECUCIÓN): necesita un

RELOJ.

http://www.eastaughs.fsnet.co.uk/cpu/execution-fetch.htm



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

20

Características principales del MAESTRO - II

Diagramas de tiempos

Sistema asíncrono o síncrono en el acceso a la información (datos oinstrucciones): CICLO DE ACCESO. En todo caso, necesita del RELOJControlador interno para la gestión del acceso



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

21

PERIFÉRICOS

Dispositivos electrónicos más o menos complejos que

ayudan al µP en el procesamiento que realiza y que es

accedido en lectura/escritura

Almacenamiento: MemoriasConvertidores

ComunicacionesOtros

INFO

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

22

ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN (PROGRAMAS Y DATOS)La información manejada por el SED debe conservarse

ADAPTACIÓN DIGITAL-ANALÓGICA: CONVERSIÓNEl SED procesa datos digitales generados a partir de sensores (CAD) y genera actuación mediante actuadores que se controlan de forma analógica (CDA)

TRANSFERENCIA DE INFORMACIÓN: COMUNICACIÓNEl SED necesita habitualmente transferir información a otros SEDs

Principales tipos de Periféricos

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

23

¿Qué es una memoria?Es un dispositivo que es capaz de proporcionar un medio físicopara almacenar la información procesada por un sistema digitalSED: memorias de semiconductoras

¿Para qué se emplean? Para almacenar programas y datos en Sistemas Microprocesadores

¿Qué es una palabra?Es un grupo de bits a los que se puede acceder de manera simultáneaMemorias x8, x16, x32

¿Qué es una dirección?Es la posición de identificación de una palabra en memoria

Almacenamiento: Memorias

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

24

Matriz de Celdasde

Memoria

Dec

odif

icad

orde

dir

ecci

ones

Circuito de E/S

(Ai) Líneas deDirecciones

(Di) Líneas de Datos

ControlCE

OE


Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

25

Almacenamiento: MemoriasClasificación

Tecnología de almacenamiento

Tipo de accesoAsíncrono - Síncrono

No volátil VolátilROM

PROMEPROM

EEPROMFLASH

SRAMFIFO

ROMsASRAM

SDRAMSBSRAMEstática - Dinámica

DRAM

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

26

Almacenamiento: MemoriasROM, PROM, EPROM

¿Electrónica Digital?

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

27

Almacenamiento: MemoriasEEPROM y FLASH


Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

28


“Biestables”


DRAMASRAM

1 transistor (C parásita)

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

29

Almacenamiento: MemoriasDispositivos especiales

FIFO DPRAM

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

30

ADC – Analog to Digital Converter, Circuito encargado de convertir una señalanalógica en digital

DAC – Digital to Analog Converter, Circuito encargado de convertir una señal digital en analógica

Sample & hold – Obtención de muestras periódicas de la amplitud de la señalanalógica

Frecuencia de muestreo – Número de muestras por segundo

Codificación – Traduce los valores obtenidos durante la cuantización a valoresbinarios según la resolución (no. de bits) del convertidor

Convertidores

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

31

Convertidores

Sample & Hold

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

32

Señal Analógica

Señal Digital

Convertidores

Resolución

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

33

ConvertidoresClasificación

CDA

DACOUTVOUT

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

34

ConvertidoresCDA


Red de resistencias ponderadas

Red de resistencias R-2R

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

35

ConvertidoresCAD

AproximacionesSucesivas

Bucle Abierto Bucle CerradoFlash

RampaV/f

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

36

ConvertidoresCAD

FlashR2

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

37

ConvertidoresCAD

Aproximaciones sucesivasVIN

VDAC

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

38

Comunicación serie

Síncrona

clk

dataB0 B1 B2 B3 B4 B5

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

39

Comunicación serie

Asíncrona

Startbit B0 B1B2 B3 B4 B5 B6

ParityStop bits

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

40

Ejemplos de comunicación SERIE

Baudios: Bits transmitidos/segundo

Periféricos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

41

Puertas lógicas¿Para qué sirven? base de la electrónica digital

Álgebra de BOOLE

Otros elementos y componentes más básicos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

42

Puertas lógicasDefinición y familias lógicas

Base de la lógica combinacional: la salida depende sólo de la entradaPuerta lógica ideal:

Familia lógica: misma tecnología de fabricación(presentan características similares en susentradas, salidas y circuitos internos).

2000



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

43

Puertas lógicasCaracterísticas de la puerta real

Niveles de corrienteIOH, IOL, IIH, IIL

FAN-OUTPuertas posibles a la salida de

la considerada

IOH

IOL

IIL

IIH

Niveles de tensiónVOH, VIH, VOL, VIL

Márgenes de ruido

Tiempos

HAY FAMILIAS QUE NO SON COMPATIBLES ENTRE SÍ



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

44

Puertas lógicasEjemplo “Interior de la puerta lógica” de tecnología TTL tipo NOT

OTRAS TECNOLOGÍAS FIJAN EL “1” Y EL “0” (SALIDA TOTEM-POLE) O GENERAN

SALIDA TRIESTADO (“1”, “0”, “Z”)

Fija un estado de salida: “0”Rpull-up para fijar el “1”

Puerta lógica de tecnología

CMOS tipo NOT



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

45

Puertas lógicasAlgún dispositivo comercial



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

46

BiestablesBase de la lógica secuencial: ALMACENAMIENTO. Tienen realimentación y la salida depende no sólo de la entrada sino también de la salida/estado anterior

Biestable RSAsíncrono

Síncrono(nivel/flanco)

Biestable T

Biestable JKJ K Qk+10 0 Qk0 1 01 0 11 1 NOT(Qk)

T Qk+10 Qk1 NOT(Qk)



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

47

BiestablesBiestable D (REGISTRO: Almecenamiento de BIT)

D Qk+10 01 1

Dispositivos comerciales con señales externas de inicialización asíncrona CLEAR/PRESET

LATCH vs FLIP-FLOP



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

48

BiestablesEjemplo de registro de desplazamiento con biestables D

74HC595 – 8 bits



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

49

Codificadores, decodificadores



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

50

Multiplexores y demultiplexores

X

X0 X1 X2 X3

AB

74LS151



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

51

Contadores



ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

Ejemplo de diseño de SEDPLANTEAMIENTO

Ejemplos


ElectrónicaG

eneral –3ª Parte

Ejemplo de diseño de SEDSOLUCIÓN

Ejemplos


Electrónica Apuntes 2012-13

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