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7/23/2019 Tema 1 Conocimientos Previos Introducción a la electrónica Digital
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Tema 1Conocimientos previos
Dpto. Ing.Electrónica y Comunicaciones – Universidad de Zaragoza 2
Indice
1.1 - Tipos de sistemas electrónicos y Nomenclatura
1.2 - Necesidad de los sistemas electrónicos
1.3 - Tipos de componentes
1.4 - Amplificadores
1.5 - Respuesta en frecuencia
1.6 - Modelos y convenios
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1.1 - Tipos de sistemas electrónicos y Nomenclatura
1.1.1 – Tipos de sistemas electrónicos
1.1.2 - Nomenclatura
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• Sistemas de monitorización, medición, visualización…
Sistemaelectrónico
Sensor
Actuador
• Sistemas de control y regulación
Sistema
electrónicoReferencia
Sensor
Actuador
1.1.1 - Tipos de Sistemas Electrónicos - I
Partes de un sistema general y modos de actuación:
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1.1.1 - Tipos de Sistemas Electrónicos - II
Dos procesamientos:
• Transforman la energía en trabajo o acciones útiles.
• Procesan la información de las entradas y actúan con sus salidas.
• Tanto las entradas como las salidas son magnitudes físicas concretas.• Pueden cambiar de forma continua o discontinua (discreta).
• Son analógicas las magnitudes que cambian de forma continua.
• Son digitales las magnitudes que cambian en dos valores de forma discontinua.
Amplitud
Tiempo
Analógica Discreta
Amplitud
Tiempo
Digital (binario)
Amplitud
Tiempo
Tipos de señales temporales:
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Corriente Corriente de “a” a “b”
i>0
Corriente de “b” a “a”
i<0
2 1bv v v
1 2av v v
Tensión
va vb
v1
v2
+
– +
–
2
1
0
a
v V
v v
Referencia
v1
va
v2
+
–
Orden de magnitud
10-15 f = femto
10-12 p = pico
10-9 n = nano
10-6 = micro
10-3 m = mili
100 unidad
10+3 K = kilo
10+6 M = mega
10+9
G = giga10+12 T = tera
1.1.2 - Nomenclatura - I: escala de unidades
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1.1.2 - Nomenclatura - II: tipos de señales
0,000u 0,500u 1,000u 1,500u 2,000u
Time(s)
( V )
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000net5vpos_1
CONTINUA
0,000m 0,500m 1,000m 1,500m 2,000m
Time(s)
( V )
-2,000
-1,000
0,000
1,000
2,000net1khz_1
ALTERNA
CUADRADA
0,000m 0,500m 1,000m 1,500m 2,000m
Time(s)
( V )
-1,000
-0,750
-0,500
-0,250
0,000
0,250
0,500
0,750
1,000net1khz_1
ALTERNA SENOIDAL
Amplitud (V p)
Periodo = 1/frecuencia
v(t): valor instantáneo de la señal
valor medio valor eficaz
dt t vT
V T
0
)(1 T
eff dt t vT
V 0
2 )(1
Ejemplo sinusoidal
0V
2
p
eff
V V
V
1.2 - Necesidad de los sistemas electrónicos
1.2.1 - Necesidad del tratamiento de información o señal
1.2.2 - Necesidad del tratamiento de la energía eléctrica
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1.2.1 - Necesidad del tratamiento de información o señal
Tipos de tratamiento de señal:
• Convertir variaciones del fenómenofísico a variaciones de señal eléctrica:transductor
• Mantener la forma de la señal perodarle más energía: amplificar
• Convertir señal eléctrica en unamagnitud física: efector
• Cambiar la forma de la señal: modular
• Operar con la señal (comparar, filtrar,sumar, integrar, derivar, etc…)
vout
vin
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1.2.2 - Necesidad del t ratamiento de la energía eléctrica
Por ejemplo: La compañía eléctrica proporciona energía en forma de una tensiónalterna sinusoidal de 230V eficaces, pero se quiere alimentar un elemento quefunciona con corriente continua. Diséñese el dispositivo.
“fuente de
alimentación”v i vo
0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7
Acondicionamiento:
Generación:
Conversión de energía de unamagnitud física a la forma deenergía eléctrica.
Paneles de
células
fotovoltaicas
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1.3 - Tipos de componentes
1.3.1 - Componentes pasivos
1.3.2 - Componentes activos
1.3.3 - Componentes No Lineales
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1.3.1 - Componentes pasivos - I
vi
Resistencia
Disipa energía
P=RI 2 (sin inercia)
Tipos: pirolíticas,
película metálica,
bobinadas, sensores,
variables...
Unidades: k
LDR
NTC
PTC
POTENCIA
R
i+
v _
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Código de Color
Múltiplos devalores determinados:
1.0 – 1.2 – 1.5
1.8 – 2.2 – 2.73.3 – 3.9 – 4.7
5.6 – 6.8 – 8.2
1.3.1 - Componentes pasivos - II
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Resistencias Variables
Denominados
Potenciómetros
Tipos: mando, ajuste,
lineales, logarítmicos...
AJUSTEMANDO
Divisor de Tensión
+
-
V 1
+
- V’ = V
Resistencia Variable
P
1
R = P
1.3.1 - Componentes pasivos - III
P
i
P
i
Divisor Ajuste
+
v _
+
v _
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Qv
C
1 1dv dQi
dt C dt C
Condensador
0i
0v
baja
frecuencia
altafrecuencia
Almacenan energía en campo eléctrico
Tipos: cerámicos, poliéster, papel, mica,variables, electrolíticos (con polaridad)...
Unidades: pF, nF, F, mF
2
2
1CV E (Inercia en tensión)
VARIABLE
CERAMICOSPOLIESTER
ELECTROLITICOS
1.3.1 - Componentes pasivos - IV
C
i
Sin polaridad
C
i
+
Con polaridad
+
v _
+
v _
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d v
dt
Li
div L
dt
Inductancias
0i
0v
baja
frecuencia
alta
frecuencia
Almacenan energía en campo magnético
Tipos: aire, hierro, chapas, ferrita...
Unidades: H, mH
2
2
1 LI E (Inercia en intensidad)
BOBINAS
TRANSFORMADOR
1.3.1 - Componentes pasivos - V
L
i+
v _
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Transformadores Proporcionan aislamiento inductivo(acoplo inductivo).
Relación de transformación: conversión
en tensión eficaz (Tensión nominal)
Tipos: alimentación, aislamiento...
1.3.1 - Componentes pasivos - VI
n : N
i1 i2
+v1
_
+v2
_
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Comportamiento gráfico de corriente frente a tensión en un componente
Curvas Características I/V
1.3.1 - Componentes pasivos - VII
+
- V
I I
V
Resistencia
I
+
- V
V
Inducción / Capacidad
I
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+
- V
I I
V
FuenteTensión
I
+
- V
V
FuenteCorriente
I
a) Dependientes / Independientes
b) Continuas / Alternas
Suministran energía a un circuito
Generadores de Tensión y de Corriente
1.3.2 - Componentes activos - I
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Fuentesde
Tensión
Fuentesde
Corriente
PARALELO
+
-
I1+
-
I2
SERIE
+
- V1
+
- V2
Interconexión de Generadores Ideales
+
- V1
+
- V2
I1
I2
+
- +
-
1.3.2 - Componentes activos - II
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FuenteTensión
Real
Incorporan una impedancia asociada
Generadores Reales
FuenteCorriente
Real
+
-v
i
Z
FuenteTensiónReal
Anulada
Anular el generador deja su impedancia asociada
+
-v = 0V
i’Z
FuenteCorrienteReal
Anulada
+
-v’
i = 0A
Z
1.3.2 - Componentes activos - III
+
-v
iZ
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Modifican o amplifican tensiones y/o intensidades eléctricas
DIODOS:
Permiten el paso de la corrienteeléctrica en un solo sentido
TRANSISTORES:
Amplifican tensiones y/o intensidades
1.3.3 - Componentes No Lineales
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1.4 – Amplificadores
1.4.1 - Generalidades
1.4.2 - Amplificadores de tensión y corriente. Modelos
1.4.3 - Fuentes y cargas
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1.4.1 - Generalidades - I
• La ganancia AS del amplificador es la relación entre las señales s o(t) y si(t), que
pueden ser de cualquier magnitud eléctrica.
• Idealmente, la ganancia del amplificador debe ser constante ante cualquiervariación de la señal (amplitud y/o frecuencia).
so(t) = AS si(t)
so = Señal de salida
si = Señal de entrada
AS = Ganancia Amplificador Carga
Fuente
de señal
Terminales de entrada (input ) Terminales de salida ( output )
si(t)
+
- so(t)
+
-
• Un amplificador es un circuito que produce una señal de salida de la misma
forma, pero de mayor potencia que la de entrada:
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AMPLIFICAR: ¿de donde viene la potencia?
La potencia entregada a la carga proviene de una fuente de alimentación
• La fuente de alimentación produce una tensión continua.
• La fuente de alimentación muchas veces no se representa.• Desde el punto de vista de potencia, el amplificador es un convertidor de
potencia Convierte la potencia de la fuente de alimentación en una
potencia de salida con amplitud proporcional a la señal de entrada.
Pi
P alim
P o
P d
Potencia de entradade la fuente de señal
Potencia de entradade la fuente de alim.
Potencia de salidade señal en la carga
Potencia de salidadisipada en el
amplificador
1.4.1 - Generalidades - II
Flujo de potencias:
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• Los amplificadores suelen tener un nodo común o de tierra.
• Este terminal es común a entrada y salida, y constituye la referencia de las tensiones.
Amplificador CargaFuente
de señal si(t)+
-
so(t)+
-
Símbolo de tierra
A s
CargaFuente
de señal si(t)
+
- so(t)
+
-
AS
• Como símbolo del Amplificador se suele utilizar un triángulo.
1.4.1 - Generalidades - III
TIERRA MASA
¿Son lo mismo?
No siempre
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1.4.2 - Amplifi cadores de tensión y corriente. Modelos
Zi = Impedancia de Entrada Z o = Impedancia de Salida
Av = Ganancia de tensión con salida enabierto. Sólo depende de parámetrosinternos del amplificador
AV = Ganancia de tensión con carga
Amplificador de tensión
L L Z i
oV
Z i
ov
v
v A
v
v A
Ai = Ganancia de corriente con salidaen cerrado. Sólo depende de
parámetros internos del amplificador
A I = Ganancia de corriente con carga
Amplificador de corriente
00
L L Z i
l I
Z i
l i
i
i A
i
i A
vi
+
-v
o
+
-
Avvi
Z o Z i Z L Aiii Z o Z i
il ii
Z L
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1.4.3 - Fuentes y cargas - I
La conexión de una fuente y una carga reales al amplificador modifica su ganancia.Por ejemplo:
vi
+
-
vo
+
-
Avvi
Z o Z iv s
Z s
Z L
Fuente (Source) Carga ( Load )
Lo
Lv
i
oV
Lo
Livo
Z Z
Z A
v
v A
Z Z
Z v Av
i s
i
Lo
Lv
s
oVs
i s
i si
Z Z
Z
Z Z
Z A
v
v A
Z Z
Z vv
Caso ideal para amplificador de tensión: vV Vsi s L A A A Z Z y Z Z 0
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v v Z
Z Z v
Z Z vi s
i
i s s
s i s
1
10
Aplicaciones que requieren Z i (ECG)
Aplicaciones que requieren Z i (Fotodiodos)
vi
+
-
+
- Avvi
Z o Z i
v s
Z s
Z L sV o v Av
1.4.3 - Fuentes y cargas - II
+
-
Ai·ii Z o
Z i Z Li s Z s
ii
vo ≈ Z L A I i s
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i G v Z
Z Z G v
Z Z G vl m i
o
o Lm i
L om i
1
10
v A vo v i
Aplicaciones que requieren Z o (diodo láser)
Aplicaciones que requieren Z o (hilo musical)
vi
+
- vo
+
- Avvi
Z o
Z i Z L1 Z L3 Z L2
Z Lvi
+
-Gmvi Z o Z i
iml vGi
1.4.3 - Fuentes y cargas - III
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Aquí hay adaptación en potencia si Z o = Z L* ;
v s
Z o
Z L
Aplicaciones que requieren una impedancia determinada:
Máxima transferencia de potencia
1.4.3 - Fuentes y cargas - IV
vi
+
- Avvi
Z o Z i1 Z i2
Antena
Línea de Transmisión
ZLT
Amplificador de antenaCable de antena
EntradaTV
Z L
1.5 - Respuesta en frecuencia. Filtros
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1.5.1 – Respuesta en frecuencia - I
Cualquier señal se puede descomponer en
una suma de senos y cosenos de amplitud,
fase y frecuencia determinadas
FOURIER u(t) = u0 +
u1 sen( ωt) +
u2 sen(2ωt) +
u3 sen(3ωt) +
...
0 2 4 6 8 10 12 14-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Señal
Armónicos
n•
Componentes de la Señal
0 2 4 6 8 10 12 14-1
0
1
0 2 4 6 8 10 12 14-1
0
1
0 2 4 6 8 10 12 14-1
0
1
0 2 4 6 8 10 12 14-1
0
1
u(t)
u0
u2
u3
DesarrolloFourier
u1 Frecuencia
Fundamental
Valor medio
Valor de Continua
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f vin vout
La respuesta del sistema a
la señal se puede obtener
sumando las respuestas a
las senoides.
SUPERPOSICIÓN
Si se conoce el tratamiento que se le da a una señal de tipo sinusoidal, y si
el sistema es lineal, se conoce el tratamiento que se da a cualquier señal
1 2 3 1 2 3... ...out in in in in in in inv f v f v v v f v f v f v
Si el sistema A es l ineal f
vin
vin1 + vin2 + vin3 + ...
vout = f(vin )
vout
vout1 + vout2 + vout3 + ...
1.5.1 - Respuesta en frecuencia - II
0 2 4 6 8 10 1 2 1 4-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 2 4 6 8 10 1 2 1 4-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
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0 2 4 6 8 10 12 14-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 2 4 6 8 10 12 14-1
0
1
0 2 4 6 8 10 12 14-1
0
1
0 2 4 6 8 10 12 14-1
0
1
0 2 4 6 8 10 12 14-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
alta “ fidelidad”
0 2 4 6 8 10 12 14-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
baja “ fidelidad”
A1
A2
A3
u y
+
u1
u2
u3
y1
y2
y3
Sistema de
procesamiento de la señal
1.5.1 - Respuesta en frecuencia - III
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• Respuesta en frecuencia de un sistema es la respuesta que presentadicho sistema en régimen permanente, ante una entrada senoidal pura,cuando la frecuencia de la señal de entrada varía en todo el rango defrecuencias a estudiar.
1.5.1 - Respuesta en frecuencia - IV
vin( ) Amplificador
G (j )
v out( )
Ganancia en laBanda de paso
log
|G (j)|dB
Gm
H (cs)L (ci)
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f
A
fc
Filtro PASO BAJO (LP)
f
A
fc
Filtro PASO ALTO (HP)
f
A
f1 f2
Filtro PASO BANDA (BP)
f
A
f1 f2
Filtro BANDA ATENUADA
No es posible realizar filtros ideales, sólo aproximaciones:
1.5.2 - Filtros ideales
1.6 - Modelos y convenios
1.6.1 - Modelos
1.6.2 - Análisis en continua
1.6.3 - Análisis en señales
1.6.4 - AC - DC
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t
v
vA
va
VA
vA: valor de tensión totalVA: valor de tensión continuava: valor de tensión de señal
1.6.1 - Modelos y convenios: modelos
• Cualquier Valor• Ecuaciones matemáticas características• Análisis general exacto ( simulación)
METODO EXACTO
Valores pequeños
• Amplificadores de pequeña señal• Modelo de pequeña señal para dispositivos
METODO APROXIMADO
Valores grandes
• Amplificadores de potencia• Modelo de gran señal para dispositivos
Valores grandes
• Polarización, conmutación• Modelo de gran señal para dispositivos
vA = VA + va
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i
v I +
– vOUT
C
L
V
METODO APROXIMADO: Análisis por superposición de señales y niveles decontinua (Equivalente en corriente continua)
vOUT: Valor de tensión totalVOUT: Valor de tensión continuavout: Valor de tensión de señal
vOUT = VOUT + vout
Análisis en el equivalente en continua:
1- Anular fuentes de señal
2- Abrir condensadores
3- Cortocircuitar autoinducciones
4- Sustituir equiv. de dispositivos
vOUT = VOUT´
+
–
vOUT´
I
V
i=0
C
L
v=0
V
r d
1.6.2 - Modelos y convenios: análisis en continua
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+
–
vOUT
i
v I
C
L
V
+
–
vOUT´́
i
v
METODO APROXIMADO: Análisis por superposición de señales y niveles decontinua (Equivalente en corriente alterna)
vOUT: Valor de tensión totalVOUT: Valor de tensión continua
vout: Valor de tensión de señal
vOUT = VOUT + vout
vOUT = vout´́V=0
I=0
Análisis en el equivalente en señales:
1- Anular fuentes de continua
2- Cortocircuitar condensadores
3- Abrir autoinducciones
4- Sustituir equiv. de dispositivos
L
C
r d
1.6.3 - Modelos y convenios: análisis en señales
Dpto. Ing.Electrónica y Comunicaciones – Universidad de Zaragoza 42
v A
Valor medio (V A )Valor de Continua
Medición en DC (“Direct Current”) oCC (Corriente Continua):
DC
vA: Valor de tensión totalVA: Valor de tensión continua
va: Valor de tensión de señal
vA = VA + va
Medición en AC (“Altern Current”) oCA (Corriente Alterna):
AC
vA: Valor de tensión totalv
a
: Valor de tensión de señal
vA = va
v A
Valor medio nulo
1.6.4 - Modelos y convenios: AC - DC
7/23/2019 Tema 1 Conocimientos Previos Introducción a la electrónica Digital
http://slidepdf.com/reader/full/tema-1-conocimientos-previos-introduccion-a-la-electronica-digital 22/22
Dpto. Ing.Electrónica y Comunicaciones – Universidad de Zaragoza 43
Dudas y Preguntas