Conceptos de Electrónica. Dispositivos electrónicos y Análisis de circuitos (página 3)

Figura 10.4 Amplificador BJT en cascode.

CONEXIÓN DARLINGTON DEL BJT

La conexión Darlington o conexión de "super Beta" mostrada en la figura 10.5, tiene una ganancia de corriente por lo general de miles y está dada por:

Figura 10.5 Conexión Darlington de transistores.

El siguiente ejemplo muestra el análisis de polarización en cd.

CONEXIÓN CMOS COMPLEMENTARIA. INVERSOR LÓGICO CMOS

Un tipo de circuito común en el diseño digital utiliza transistores MOSFET de tipo incremental tanto de canal-n como de canal-p como se muestra en la figura 10.6. Se denomina MOSFET complementario o circuito CMOS puesto que utiliza estos tipos opuestos (o complementarios) de MOSFET. La entrada Vi, se aplica a ambas compuertas y la salida se toma de los drenajes conectados. La conexión CMOS de la figura 10.6 ofrece una operación como la de un inversor lógico donde VO es opuesto a Vi como se muestra en la siguiente tabla.

Circuitos especializados

CIRCUITO FUENTE DE CORRIENTE

Una fuente de corriente ideal proporciona una corriente constante sin importar la carga conectada a ella. Una fuente de corriente ideal tiene una R=(, mientras que una fuente de corriente práctica incorpora una R muy grande. La siguiente tabla muestra fuentes de corriente constante prácticas construidas a partir de distintos tipos de transistor.

CIRCUITO ESPEJO DE CORRIENTE

Un circuito espejo de corriente se forma a partir de una configuración simétrica de transistores, y tiene la particularidad de que la corriente circulante por el colector de un transistor es reflejada en el colector del transistor opuesto. La siguiente tabla muestra algunos circuitos espejos de corriente formados a partir de transistores BJT.

Circuitos espejos de corriente

CIRCUITO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

El circuito mostrado en la figura 10.7 correspondiente al amplificador diferencial básico, que consiste en un arreglo de dos transistores BJT en serie con dos resistores Rc conectados al colector y unidos entre sí por medio del emisor, así mismo dos señales de entrada Vi1 y Vi2 se aplican a la base de cada BJT, obteniéndose dos señales a la salida Vo1 y Vo2, aunque el diseño posee dos fuentes de alimentación +VCC y -VEE el amplificador diferencial puede operar con solo una de ellas.

Figura 10.7 Circuito amplificador diferencial básico

Las posibles combinaciones en las señales de entrada se listan a continuación:

• Terminal simple. Una entrada con señal y la otra entrada conectada a tierra, puesto que ambos transistores se unen en emisor común, la salida será en ambos colectores.

• Terminal doble. Dos señales de entrada de polaridad opuesta. Resultan en salidas distintas en ambos colectores.

• Modo común. La misma señal aplicada a ambas entradas. Las señales de entrada se cancelan obteniéndose a la salida una señal mínima.

La principal característica del amplificador diferencial es la ganancia muy alta que se obtiene cuando se aplican señales opuestas en las entradas (terminal doble), en comparación con la ganancia tan baja que se obtiene de las entradas comunes (modo común).

• POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EN CD.

• POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EN AC

El análisis del amplificador diferencial en ca es muy simple si se tiene en cuenta que el valor numérico de la ganancia en ca es diferente a la ganancia en cd para una misma configuración. La siguiente tabla resume la ganancia en ca para las tres configuraciones del amplificador diferencial estudiadas.

Ganancia de voltaje de ca del amplificador diferencial de terminal simple

• Ejemplo demostrativo. Calcule el voltaje de salida de la terminal simple, VO1, para el circuito de la figura 10.9.

Figura 10.9 Circuito de amplificador diferencial, análisis de ca.

Solución.

Es posible demostrar que la ganancia en ca para la el circuito amplificador diferencial de terminal simple esta dada por:

A manera de comparación se calculará a continuación la ganancia en ca si los BJT del circuito amplificador diferencial de la figura 10.9 se conectan en modo común.

Donde el cociente 87.4/0.54 indica que la ganancia en terminal simple es casi 162 veces mayor que en modo común.

CIRCUITO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL BIFET, BIMOS Y CMOS

Los amplificadores diferenciales comerciales no solamente se construyen mediante transistores bipolares BJT, si no que los hay disponible en CI basados en transistores JFET y MOSFET, también existen combinaciones de ellos como los amplificadores BiFET que poseen transistores BJT y FET así mismo los BiMOS incluyen transistores BJT y transistores CMOS. También es posible construir amplificadores diferenciales mediante transistores MOSFET conocidos como amplificadores diferenciales CMOS. Los transistores pMOS proporcionan las entradas opuestas, mientras que los transistores nMOS operan como fuentes de corriente constante. Las siguientes figuras muestran distintos circuitos amplificadores diferenciales.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

El término amplificador operacional (OP-AMP), fue asignado alrededor de 1940 para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tal como: suma, resta, multiplicación, diferenciación e integración, características relevantes para la computación analógica de aquella época. El primer op-amp fue desarrollado por R. J. Widlar en Fairchild, uno de los op-amp más populares es el 741 que apareció en 1968 y es de propósito general.

PRESENTACIÓN DEL OP-AMP BÁSICO. 741C

Un amplificador operacional (op-amp), es un amplificador diferencial de muy alta ganancia que posee alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Por lo general un amplificador operacional se utiliza para proporcionar cambios en la amplitud del voltaje (amplitud y polaridad), en osciladores, en circuitos de filtro y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. Un op-amp contiene varias etapas de amplificador diferencial para obtener una ganancia de voltaje muy alta.

Los op-amp son alimentados por fuentes de cd +Vcc y -VEE (al igual que el amplificador diferencial); pueden poseer una o dos salidas; pero siempre poseen dos entradas: la entrada no inversora (marcada con +) y la entrada inversora (marcada con -). La figura 11.1 muestra el símbolo representativo del op-amp básico (op-amp 741), mientras que la figura 11.2 muestra su circuito equivalente, el cual se compone de 1 capacitor, 11 resistencias y 27 transistores.

Figura 11.1 Símbolo del op-amp de propósito general. 741C

Figura 11.2 Circuito equivalente del op-amp 741C de Fairchild

ENCAPSULADO

El amplificador operacional se fabrica en un diminuto chip de silicio y se encapsula en una caja adecuada. Alambres finos conectan el chip con las terminales externas que salen de la cápsula de metal, plástico o cerámica. La figura 11.3 muestra los encapsulados más comúnmente empleados para op-amps.

SÍMBOLOS Y TERMINALES

Los fabricantes combinan actualmente en un solo dibujo el símbolo del circuito de un op-amp con el encapsulado. Por ejemplo, los cuatro tipos más comunes de encapsulado que aloja el op-amp 741 se muestran en la figura 11.4. Si se comparan las figuras 11.4 (a) y (d) se puede observar que los esquemas de numeración son idénticos para la caja de ocho patas y para el DIP de 8 patas.

Figura 11.4 Diagrama de conexión para encapsulados típicos de amplificadores operacionales.

NOMENCLATURA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Todos los amplificadores tienen un código de identificación asociado, formado por un conjunto de letras y números. Este código responde a las siguientes 4 preguntas.

• 1. ¿Quién lo fabrica?

• 2. ¿Qué tipo de amplificador es?

• 3. ¿De qué calidad es (por ejemplo, el intervalo de temperatura de operación)?

• 4. ¿Qué tipo de encapsulado tiene el chip?

¿Quién lo fabrica? Es un prefijo de 2 letras que representa el nombre de la compañía que fabrica el CI. En la siguiente lista se presentan los prefijos más comunes:

¿Qué tipo de amplificador es? Se representa por el número de circuito o numero de parte, se identifica por números y letras que identifican el tipo de amplificador.

Ejemplos:

062: Amplificador operacional tipo JFET

741: Amplificador operacional de propósito general

¿De qué calidad es (por ejemplo, el intervalo de temperatura de operación)? La siguiente tabla muestra el código asociado para el rango de temperaturas de operación indicado.

¿Qué tipo de encapsulado tiene el chip? El sufijo de una o dos letras identifica el tipo de encapsulado que contiene al chip. A continuación se dan los sufijos más comunes de los encapsulados.

Ejemplo de especificación completo.

OPERACIÓN DEL OP-AMP BÁSICO

La señal de salida (voltaje) de un op-amp se compone de dos partes: una componente diferencial y una componente común es decir:

CARACTERÍSTICAS DEL OP-AMP IDEAL

El op-amp ideal posee las siguientes características:

• 1. Resistencia de entrada, infinita

• 2. Resistencia de salida, cero

• 3. Ganancia en tensión en modo diferencial, infinita

• 4. Ganancia en tensión en modo común, cero (CMRR = infinito)

• 5. Corrientes de entrada, nulas

• 6. Ancho de banda, infinito

• 7. Variación con la temperatura, ninguna.

CIRCUITOS PRÁCTICOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES

En la tabla R2 se muestra un conjunto de circuitos prácticos construidos con amplificadores operacionales, así como las ecuaciones que los caracterizan.

Nota. En los circuitos mostrados no debe confundir la impedancia de entrada del circuito con la impedancia de entrada del amplificador operacional.

PARÁMETROS DE DESVÍO DEL OP-AMP REAL

Un amplificador operacional tiene un voltaje de salida cero cuando el voltaje de entrada vale cero, sin embargo esto no sucede en un op-amp real, el cual tiene un voltaje de desvío a su salida, este voltaje puede calcularse a partir del voltaje de desvío a la entrada (VIO) y la corriente de desvío a la entrada (IIO) es decir:

PARÁMETROS DE FRECUENCIA

Los parámetros de frecuencia más importantes son:

• Frecuencia de ganancia unidad o ganancia ancho de banda

• Rapidez de respuesta

• Frecuencia máxima de señal

• FRECUENCIA DE GANANCIA UNIDAD O GANANCIA ANCHO DE BANDA

La ganancia de un op-amp está en función de la frecuencia de operación, esto se muestra en la grafica de la figura 11.8, el punto especificado como AOL es la ganancia de voltaje diferencial. La frecuencia de corte superior fC y la frecuencia de ganancia unidad (o ancho de banda de ganancia unidad) f1, se relacionan por:

• RAPIDEZ DE RESPUESTA

Es la rapidez con la que puede cambiar la salida del op-amp, se mide en microsegundos y se define por:

• FRECUENCIA MÁXIMA DE SEÑAL

La frecuencia máxima a la cual debe operar el op-amp, depende tanto de la amplitud (K) de la señal senoidal, como de la rapidez de respuesta (SR), es decir:

OTROS PARÁMETROS

En la hoja de características de un op-amp se numeran un conjunto amplio de parámetros, algunos de ellos son comunes a todos los dispositivos; tales como: voltaje de aplicación, disipación interna de potencia, voltaje de entrada diferencial etc., estos parámetros puesto que son conocidos no serán discutidos y solo se presentaran aquellos que no son comunes a otros dispositivos.

Amplificadores de potencia

Los amplificadores de potencia o de gran señal están diseñados para trabajar con niveles de voltaje alto y con niveles moderados y altos de corriente, sus principales características son la eficiencia de potencia del circuito, la máxima cantidad de potencia que es capaz de manejar el circuito y el acoplamiento de impedancia con el dispositivo de salida.

CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA

Los amplificadores de potencia se clasifican en clases, de acuerdo al grado con el que varía la señal de salida durante un ciclo de operación, para un ciclo completo de la señal de entrada, las clases son: A, B, AB, C y D. La eficiencia de un op-amp de potencia (definida como la razón de la potencia de salida a la potencia de entrada) se mejora de la clase A hacia la clase D. En la siguiente tabla se resumen los distintos tipos de clases.

ANÁLISIS DE AMPLIFICADORES DE POTENCIA

CONSIDERACIONES DE ANÁLISIS

La potencia de entrada de un amplificador operacional, se calcula al considerar las fuentes de alimentación y la corriente consumida por el amplificador, la señal senoidal de entrada no tiene efecto sobre la potencia de entrada. Esto significa que la potencia de entrada es potencia de cd y se calcula con las corrientes y voltajes obtenidos del análisis de cd, es decir:

La potencia de salida es el resultado de la amplificación de la señal entrada por medio de la transferencia de energía de las fuentes de voltaje de cd a esta. La potencia de salida se calcula al considerar la resistencia de carga y el voltaje en la carga o la resistencia de carga y la corriente de carga. Por lo tanto es una potencia de ca PO(ca), téngase en cuenta que las señales de ca pueden expresarse como valores rms, valores pico o bien valores pico a pico, con la condición de ser uniformes en su uso.

La eficiencia es la razón de la potencia de salida a la potencia de entrada.

AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE CLASE A ALIMENTADO EN SERIE

En la figura 12.1 se muestra el amplificador de potencia clase A alimentado en serie, el circuito básicamente consiste en un BJT que alimenta una resistencia de colector RC, la cual funge como resistencia de carga RL. Los resultados del análisis se resumen la siguiente tabla.

Basado en los resultados presentados en la tabla anterior, se presentará un ejemplo demostrativo de análisis del amplificador operacional de potencia clase A alimentado en serie.

Figura 12.2 Circuito de amplificador operacional de potencia clase A alimentado en serie.

Solución.

Empleando las ecuaciones presentadas en la tabla para el análisis de cd se tiene que:

Con el valor de la corriente de colector, el cálculo de las potencias y la eficiencia se obtiene al sustituir los valores de la resistencia de carga (para esta configuración es Rc) en las ecuaciones mostradas en la tabla, es decir:

AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE CLASE A ACOPLADO POR TRANSFORMADOR

Un tipo de amplificador de potencia de clase A que cuenta con una eficiencia de 50%, emplea un transformador para acoplar la señal de salida con la carga véase la figura 12.3. El punto de operación Q, en la gráfica de características (del BJT , queda definido por la intersección de dos rectas con la curva característica. La primer recta es una recta vertical cuyo valor es VCEq=VCC, y representa la resistencia del devanado del trasformador en el caso ideal, para el cual R=0O. La segunda recta representa la resistencia de carga vista desde las terminales del primario del transformador (véase la sección del transformador en el capítulo 2), por lo que es un recta cuya pendiente es -1/R"L. El siguiente ejemplo demostrativo ilustra el método de análisis.

Figura 12.3 Rectas de carga para el amplificador operacional de potencia clase A, acoplado por transformador.

Solución.

Figura 12.5 Características del transistor BJT para el amplificador de potencia clase A, acoplado por transformador.

Con estos puntos se grafica la recta tal como se muestra en la figura 12.5 y se hallan las intersecciones máximas y mínimas de la recta con las curvas características, resultando:

• EFICIENCIA TEÓRICA MÁXIMA

Para un amplificador clase A acoplado por transformador, la eficiencia teórica máxima llega hasta un 50%. Con base en las señales de salida (VO pico) obtenidas mediante el amplificador, la eficiencia se puede expresar como:

Circuitos integrados lineales digitales

Hasta el momento se ha dado énfasis al estudio de circuitos analógicos o circuitos lineales que son circuitos que manejan señales analógicas también llamadas señales continuas. Sin embargo también se ha presentado la forma de diseñar compuertas lógicas, que son la base para el diseño de circuitos digitales, que manejan señales discretas o señales discontinuas, en el presente capítulo se estudia la operación de circuitos integrados que operan tanto con señales analógicas como con señales digitales.

COMPARADORES DE VOLTAJE

Un circuito comparador es aquel en el que un voltaje lineal de entrada se compara con otro voltaje de referencia, la salida es un nivel lógico que representa si el voltaje de entrada excede al de referencia.

COMPARADOR DE VOLTAJE DE OP-AMP. EL 741

El amplificador operacional 741C se puede emplear como comparador de voltaje. Cuando se conecta el op-amp como se observa en la figura 13.1(a), con la entrada no inversora como Vi, entonces el voltaje de referencia esta dado por:

Obsérvese también que VEE puede estar conectado a tierra, en cuyo caso el nivel bajo para la figura 16.3(a) será cercano a cero volts.

COMPARADOR DE VOLTAJE DE CI. EL LM311

En la figura 13.2 se muestra el comparador de voltaje CI 311, el cual puede operar tanto con fuentes de alimentación dobles +/-15V así como también con fuentes de alimentación sencillas. La salida puede proporcionar un voltaje en uno de dos niveles distintos o se puede emplear para accionar una lámpara o un relevador. La salida (7) se toma de un transistor bipolar con el objeto de permitir el manejo de una variedad de cargas. La unidad también cuenta con entradas balance y estroboscópicas, lo que permite la activación periódica de la salida.

Figura 13.2 Comparador de voltaje CI 311 (encapsulado DIP de ocho terminales)

COMPARADOR DE VOLTAJE DE CI. EL LM339

La serie 339 de Nacional Semiconductor es otra familia de comparadores, cada encapsulado de CI contiene varios comparadores (véase la figura 13.3). La tensión de alimentación es común y todos los comparadores disipan potencia aunque solo uno de ellos este en uso.

Convertidores digitales-analógicos y analógicos-digitales

Un convertidor analógico-digital (ADC Analog-Digital Converter) obtiene un valor digital que representa un voltaje analógico de entrada, mientras que un convertidor digital-analógico (DAC) convierte un valor digital a un voltaje analógico.

CONVERTIDOR DIGITAL-ANALÓGICO

La conversión digital-analógica puede llevarse a cabo por diferentes métodos. Un esquema comúnmente empleado utiliza una red de resistores y se denomina red de escalera. Una red de escalera, acepta valores binarios en la entrada (0v y Vref) y proporciona un voltaje de salida proporcional al valor binario de entrada. Por ejemplo, la figura 13.4 (a) muestra una red de escalera de 4 bits (D0 a D3), para la cual, el voltaje analógico a la salida (Vo) está dado por:

• DAC DE CI. AD7524

El AD7524 mostrado en la figura 13.5(a) es un convertidor D/A de ocho bits de la lógica CMOS. Posee un entrada de 8 bits que se puede cerrar de manera interna bajo el control de las entradas al seleccionar chip (CS) y WRITE (WR). Cuando estas dos entradas de control están en bajo, las entradas digitales de datos D7 -D0 producen la corriente analógica de salida OUT 1 (la terminal OUT 2, por lo regular esta a tierra). Cuando cualquier entrada de control pasa a ALTO, los datos digitales de entrada se enclavan y la salida analógica permanece en el nivel correspondiente a esos datos digitales fijos. En este estado, los cambios subsecuentes en las entradas digitales no tendrán efecto en OUT 1.

El tiempo máximo de establecimiento para el AD7524 por lo general, es de 100 nS. El voltaje de referencia, VREF puede variar sobre voltajes negativos y positivos de 0 a 25V, de modo que se pueden producir corrientes de salida de ambas polaridades. La corriente de salida se puede convertir a un voltaje usando un amplificador operacional conectado, como se muestra en la figura 13.5(b). Note que la resistencia de retroalimentación del amplificador operacional ya es parte del chip DAC.

Figura 13.5 (a) DAC AD7524 de ocho bits con entradas enclavadas; (b) AD7524 conectado para producir un voltaje de salida analógico variando de 0V a aproximadamente -10V.

• DAC DE CI. DAC0830

El convertidor D/A DAC0830 de Nacional Semiconductor es un ejemplo representativo de un CI fabricado para ser empleado con un microprocesador. Este CI es un CMOS y puede tener un VCC máximo de 17 V; pero todas las entradas son compatibles con TTL. Se recomienda que VREF < 5V y que VCC=VREF + 9V. La figura 13.6 presenta la circuitería interna del DAC0830 y las conexiones a un amplificador operacional pequeño que sirve para aislar y amplificar el voltaje de salida, el cual es generado por la red de escalera 2R que está dentro del CI.

Figura 13.6 Circuitería interna del DAC0830.

CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL

Un convertidor analógico-digital toma un voltaje analógico de entrada y después de cierto tiempo produce un código digital de salida que representa la entrada analógica. El proceso de conversión A/D es por lo general más tardado y complejo que el proceso D/A.

• ADC DE RAMPA DIGITAL

En la figura 13.7 se muestra el diagrama de un ADC de rampa digital. Contiene un contador, un DAC, un comparador analógico y una compuerta AND de control. La salida del contador sirve como señal activa en BAJO de fin de conversión FDC.

Figura 13.7 ADC de rampa digital.

• ADC DE APROXIMACIONES SUCESIVAS. CI ADC0804

La figura 13.8 muestra la configuración del ADC0804, el cual es un CI CMOS que realiza la conversión A/D usando el método de aproximaciones sucesivas. Algunas de sus características más importantes son:

EL TEMPORIZADOR. CI NE555, TLC555

La figura 13.9 muestra el diagrama de bloques del temporizador CI 555, como se observa de la figura, este CI combina un oscilador de relajación, dos comparadores, un flip-flop RS y un transistor que actúa como elemento de conmutación. Las resistencias de valor R definen los voltajes de referencia 2Vcc/3 y Vcc/3.

Figura 13.9 Detalle del temporizador 555.

USO DEL CI 555 COMO MULTIVIBRADOR ASTABLE

Un reloj es un oscilador o, como se conoce en ocasiones, un multivibrador astable. La figura 13.10 muestra la forma de conectar el CI 555 cuando se utiliza como multivibrador astable, construido mediante el empleo de dos resistores RA y RB y de un capacitor C externos para fijar el intervalo de temporización de la señal de salida.

Figura 13.10 Multivibrador astable (reloj) que utiliza un CI 555.

Operación del multivibrador astable. Los amplificadores 1 y 2 conectados a las entradas del flip-flop se utilizan como comparadores de voltaje para iniciar (S) y reinicializar (R) el flip-flop, el voltaje de referencia para los comparadores está dado por un divisor de voltaje formado por tres resistores. Este divisor de voltaje aplica 1/3 del voltaje de la fuente (1/3Vcc) a la entrada positiva del comparador inferior, y 2/3 Vcc a la entrada negativa del comparador superior. La entrada negativa del comparador inferior se denomina disipador, mientras que la entrada positiva del comparador superior es el umbral.

Cuando el flip-flop es reinicializado al estado 0, la terminal de descarga (7) se encuentra en estado de alta impedancia, lo que permite que el capacitor se cargue a través de RA y RB. Cuando el voltaje del capacitor alcanza un valor un poco mayor que 2/3 Vcc (este es el voltaje de umbral en la terminal 6) el flip-flop cambia del estado 0 a un 1 lógico. Lo anterior hace que el transistor de descarga se active, con lo que el capacitor comienza a descargarse a través de RB y el transistor de descarga, hasta que el voltaje alcance un valor un poco menor que 1/3 Vcc. En ese momento, el flip-flop es reinicializado y todo el ciclo comienza otra vez

Frecuencia de oscilación del temporizador 555 como multivibrador astable (reloj)

Resolviendo la ecuación en términos del periodo de oscilación se tiene que:

La figura 13.11 muestra la conexión típica del temporizador 555 como oscilador astable así como las formas de onda tanto a la salida del capacitor como a la salida del transistor de salida.

El 555 producirá una salida con frecuencia muy estable desde periodos muy grandes hasta muy pequeños, alrededor de 0.5 MHz (T = 2*10-6 s). El circuito funciona con voltajes de alimentación de entre 5 V y 1.8 V, y consume entre 3 mA y 10 mA de corriente cuando no hay carga alguna conectada a él. Una buena característica del 55 es su capacidad en corriente, ya que el dispositivo puede consumir o proporcionar hasta 200 mA, lo que significa que puede excitar cargas muy grandes.

EL OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE. CI LM566

Un oscilador controlado por voltaje (VCO, Voltaje-Controlled Oscillator) es un circuito que proporciona una señal variable de salida (por lo general forma de onda cuadrada o triangular) cuya frecuencia puede ajustarse a lo largo de un rango controlado por un voltaje de cd.

Un ejemplo de VCO es la unidad de CI 566, la cual contiene los circuitos necesarios para generar tanto señales con formas de onda cuadrada, como triangular y cuya frecuencia se establece mediante un resistor y un capacitor externos, y que luego es modificada por medio de un voltaje de cd aplicado.

La frecuencia de operación libre o de operación central fo, se puede calcular por:

Uso del 566 como generador de onda de salida fija

La figura 13.12 muestra un ejemplo en el que se utiliza el generador de funciones 566 para proporcionar tanto señales de onda cuadrada como triangular a una frecuencia fija establecida por R1, C1 y Vc. Un divisor de voltaje, resistores R2 y R3, proporcionan un voltaje cd de modulación de un valor fijo.

En esta configuración, el voltaje de control, Vc, esta dado por:

Uso del 566 como generador de onda de salida variable

El circuito de la figura 13.13 muestra la forma en la que puede ajustarse la frecuencia de salida de la onda cuadrada, mediante el empleo del voltaje de entrada Vc, para variar la frecuencia de la señal. El potenciómetro R3 permite la variación de Vc desde cerca de 9 V hasta aproximadamente 12 V. sobre un rango completo de frecuencias de alrededor de 10:1

En esta configuración, el voltaje de control, Vc, esta dado por:

GENERADORES DE SEÑAL. CI ICL8038, XR8038

Un generador de señal proporciona una señal de ca de amplitud ajustable y frecuencia variable para ser utilizada al operar algún amplificador u otro dispositivo lineal. La frecuencia por lo general se ajusta desde hertz hasta kiloHertz y la amplitud de la señal puede ajustarse desde milivolts hasta algunos volts.

CIRCUITO INTEGRADO GENERADOR DE FORMAS DE ONDAS. 8038

El CI 8038 mostrado en la figura 13.14 es un generador de formas de onda de precisión.

Características del CI 8038

• Consta de 14 terminales

• Produce ondas senoidales, triangulares y rectangulares

• La frecuencia de la onda de salida es ajustable desde 1 Hz hasta 300 kHz

Figura 13.14 CI 8038 generador de formas de onda

Salida con frecuencia ajustable

La figura 13.15 muestra la conexión del CI cuando se emplea para proporcionar una salida con frecuencia ajustable. En esta configuración la frecuencia de salida queda determinada por:

Figura 13.15 Conexión del 8038 como generador de frecuencia variable y amplitud constante.

Salida con frecuencia y amplitud ajustables

Si se desea ajustar la amplitud a la salida del CI 8038, simplemente se utiliza un amplificador de acoplamiento tal como el 310, el cual tiene una ganancia de voltaje prácticamente unitaria, con una impedancia de salida de cerca de 1 Ohm. La salida ajustable se logra al alimentar la patilla 7 del op-amp 310 con el voltaje de amplitud deseado en el rango 0(V7(9. Por ejemplo la figura 13.16 muestra un generador de onda senoidal con amplitud ajustable, mientras que en la figura 13.17 se muestra un generador de onda cuadrada con amplitud de +5 V, ideal para utilizarse con circuitos digitales TTL. En ambos circuitos la frecuencia puede variar desde 30Hz hasta 30 kHz mediante la regulación adecuada del potenciómetro de 10kO.

El osciloscopio

El Osciloscopio es un instrumento electrónico que registra los cambios de tensión producidos en circuitos eléctricos y electrónicos y los muestra en forma gráfica en la pantalla de un tubo de rayos catódicos. Unos conversores especiales conectados al osciloscopio pueden transformar vibraciones mecánicas, ondas sonoras y otras formas de movimiento oscilatorio en impulsos eléctricos observables en la pantalla del tubo de rayos catódicos.

COMPONENTES DEL OSCILOSCOPIO

El tubo de rayos catódicos

El osciloscopio de rayos catódicos (CRO, Cathode Ray Oscilloscope) es un dispositivo que permite visualizar cualquier tipo de onda aplicada en sus terminales.

El tubo de rayos catódicos (CRT, Cathode Ray Tube) mostrado en la figura 14.1, es la parte fundamental del CRO, ya que permite la visualización de la forma de onda de una señal aplicada. El CRT está formado por cuatro partes básicas:

• 1. Un cañón de electrones que produce una corriente de electrones

• 2. Elementos de enfoque y aceleración para generar un haz de electrones bien definidos

• 3. Placas deflectoras horizontales y verticales para controlar la trayectoria del haz de electrones

• 4. Una cubierta de vidrio al vacío con una pantalla fosforescente, la cual brilla de forma visible cuando incide en ella el haz de electrones.

Figura 14.1 Tubo de rayos catódicos: construcción básica

Circuito de barrido horizontal o base de tiempos

Es un circuito encargado de generar una señal que aplicada a las placas horizontales produce un barrido del haz en la dirección del eje x de la pantalla (eje de tiempos)

Amplificador de señales de entrada

Permiten visualizar en la pantalla señales de amplitud muy pequeña.

La pantalla de un osciloscopio

Se divide en 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo tamaño (cercano al cm). Algunos osciloscopios poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% para facilitar la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mide entre el 10% y el 90% de la amplitud de pico a pico).

Figura 14.2 Pantalla del osciloscopio

MEDICIÓN DE UNA SEÑAL DE VOLTAJE CON EL OSCILOSCOPIO

El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otros medidas se pueden realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad ó la potencia). Los cálculos para señales CA pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir otras magnitudes es empezar por el voltaje.

Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fácil, simplemente se trata de contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en la pantalla. Ajustando la señal con el mando de posicionamiento horizontal podemos utilizar las subdivisiones de la rejilla para realizar una medida más precisa (recordar que una subdivisión equivale generalmente a 1/5 de lo que represente una división completa). Es importante que la señal ocupe el máximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para ello actuaremos sobre el conmutador del amplificador vertical.

Apéndices

TABLAS DE RESISTORES Y CAPACITORES COMERCIALES

Autor:

IE Arcenio Brito Hernández

Agosto de 2011

UAEM

Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería

Universidad Autónoma del Estado de Morelos

Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería

Ingeniería Eléctrica

Revisó: IE. Profesor Raymundo García

Febrero de 2005

[1] CONTINENTAL AUTOMOTIVE SYSTEMS http://www.conti-online.com

[2] Los electrones de valencia son aquellos ubicados en la capa o nivel de energía más externo con respecto al núcleo atómico. Estos electrones son los responsables de las fuerzas electromagnéticas (enlaces) entre átomos.

[3] El término ideal se refiere a dispositivos o sistemas que presentan características ideales, es decir perfectas en todo sentido.

[4] La palabra FEM significa Fuerza Electromotriz, y en este contexto se emplea para indicar las fuentes de voltaje independientes existentes en el circuito y que proporcionan el potencial necesario para polarizar los dispositivos o producir corriente eléctrica en las cargas (resistencias, impedancias, etc.)

[5] TTL es una familia de CI digitales que emplea la Lógica Transistor-Transistor en el diseño de los circuitos lógicos.

[6] CMOS. Es una familia de CI digitales que emplea el transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor complementario para el diseño de circuitos lógicos.

[7] Existen más formas posibles de configuración correctas que serán mostradas más adelante en este capítulo, la mostrada en la figura 3.2 se denomina configuración base común.