Electrónica análoga

Diseño de circuitos

Alfredo José, Constain Aragón, Efraín, Bernal Alzate

• Publisher: Ediciones Unisalle
• Year: 2009
• eBook ISBN: 9789588939551
• Topic: Technology & Engineering
• Subtopic: Electrical Engineering & Telecommunications
• Index: Technology & Engineering

Este texto se orienta fundamentalmente, al diseño, pero haciendo énfasis en la presencia de la realimentación (retroalimentación) negativa como concepto básico de estabilización de la operación de los circuitos. Interesa simultáneamente: entender cómo operan los circuitos analógicos completos a partir de las características operativas de sus unidades aisladas, aprender a colocar las configuraciones óptimas con los valores correctos de los componentes, cualquiera que sea el objetivo del circuito (Diseño), aprender a establecer las relaciones mutuas entre los valores de esos componentes para que el diseño sea repetible (Diseño con retroalimentación negativa), presentar modelos físicos de los dispositivos activos mejor que modelos circuitales convencionales. Esta variante permite trabajar con facilidad ensambles multi-etapa y presentar diversos ejemplos resueltos para indicar detalladamente los procesos de diseño.

1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA ELECTRÓNICA

1.1 Fundamentos

1.1.1 Concepto de sistema electrónico

Físicamente un equipo (sistema) electrónico es un conjunto de subsistemas interconectados (Figura 1.1).

Estos sub-sistemas son:

• Caja metálica (plástica)
• Tarjetas y buses (que incluyen entradas y salidas)
• Potencia y alimentación (transformador,fusible y toma)
• Controles y despliegues frontales

1.1.2 El diseño electrónico y la tarea del ingeniero

Un diseño electrónico es el ejercicio de análisis y selección de componentes que un ingeniero realiza para obtener un equipo acorde con unas especificaciones previas (Figura 1.2).

En las especificaciones el diseñador deberá tener en cuenta:

• Aspectos de alimentación (voltajes)
• Aspectos de potencia (disipación)
• Aspectos de frecuencia (frecuencias límite)
• Aspectos de efectos indeseados (distorsión y ruido)

Las especificaciones de diseño son un procedimiento obligado que todo ingeniero de la industria debe seguir para la fabricación de un dispositivo. Las especificaciones son normas precisas de lo que hace un equipo, puesto normalmente en límites numéricos. Refleja el trabajo de diseño que hacen los ingenieros que lo construyeron.

El diseño electrónico como ejercicio de implantar un conjunto de componentes para que cumplan una determinada función, exige un buen conocimiento de los dispositivos mismos y de las técnicas de cómo ponerlos a funcionar en conjunto. Así mismo, un conocimiento de los límites reales en los cuales el equipo podrá funcionar. El diseño de circuitos consiste en realizar este objetivo de manera práctica.

El ingeniero usará como unidad básica de diseño el concepto de tarjeta, o sea, el agrupamiento funcional de componentes electrónicos soldados sobre una tableta de baquelita con pistas de cobre grabadas sobre su superficie para interconectar apropiadamente esos componentes. Una tarjeta diseñada se presenta en la Figura 1.3a, la ubicación de los componentes se observa en la Figura 1.3b.

El diseño de cada tarjeta corresponderá al grado de densidad (las hay de baja y de alta), que tiene que ver con la cantidad de elementos por cm{1} requeridos (su tecnología dependerá de ese factor). La vista de las pistas se muestra en la Figura 1.41.

Las tarjetas electrónicas tienen tanto componentes pasivos, o sea que no amplifican, como son las resistencias (resistores), las capacitancias (capacitores) y las inductancias (inductores), entre otros. Además, tiene componentes activos, es decir, que amplifican transformando la energía de la fuente en señal útil2, como, por ejemplo, los transistores y los circuitos integrados.

Los transistores BJT (bipolar) y JFET (efecto de campo) son dispositivos activos de tres pines (patas) por los que se introducen, sacan y se refieren las señales. Tanto el transistor BJT como el JFET amplifican voltaje y orriente. El diseñador deberá conocer los principios operativos de estos efectos útiles para poder utilizar estos componentes en sus diseños (Figura 1.5).

La unidad básica de circuito electrónico analógico es un amplificador, o sea, un conjunto de componentes alimentados por una fuente de potencia que magnificará una señal de entrada a la salida. Los componentes activos (que se encargan de partes de la amplificación) realizan una variación de las condiciones de la fuente para producir este efecto, lo que significa que que la amplificación como tal se hace a expensas de la energía de la fuente.

También habrá pérdidas por esta operación, por lo que se puede decir que un amplificador es un elemento real de conversión de energía en la cual la eficiencia es menor al 100% (Figura 1.6).

Ligados al funcionamiento de un amplificador están relacionados su distorsión y su límite de frecuencias, mostrados en la Figura 1.7.

1.1.3 Procedimientos orientados al dispositivo y procedimientos orientados al circuito

El nacimiento e infancia de los métodos de análisis de circuitos electrónicos estuvo muy ligado al concepto de modelo circuital cuadripolar (Figura 1.8) en el que se le dio gran énfasis a los detalles de la operación de los dispositivos en sí mismos, tratando de reflejarlos en conjuntos lineales de componentes ideales, tratados a priori como sistemas de Kirchhoff, descritos mediante ecuaciones de malla y nodo que relacionan entre sí un voltaje y una corriente de entrada (vs, is) y un voltaje y una corriente de salida (vRL, iL)

En este caso, por ejemplo, mediante parámetros “h”{2} se relacionan estas funciones así:

De esta forma, con hi, hr, hf y ho se quiere brindar información completa sobre la operación de un determinado dispositivo, modelado como cuadripolo. Tradicionalmente para los transistores, que se pueden seleccionar en tres tipos de montajes{3}, se plantean tres tipos de cuadripolo, lo que indica que se tendrán 12 parámetros cuadripolares para poder trabajar diseños complejos que comprendan las diferentes posibilidades{4} (Figura 1.9).

A esta dificultad nemotécnica se agrega un problema de fondo como es el de la dificultad de ciertos circuitos (aun muy simples) para ser modelados matemáticamente mediante ecuaciones simultáneas de malla o nodo. En las Figuras 1.10 a y b se muestran las dos configuraciones de transistor Bipolar (BJT): colector común y base común, modeladas con los elementos cuadripolares de emisor común, en las cuales se puede observar la presencia de nodos sobre los cuales se deben aplicar ecuaciones simultaneas de Kirchhoff, lo que de entrada impone trabajo analítico.

Este tipo de aproximaciones, en las que priman los detalles de los disp...

Table of contents

• Portada
• Portadilla
• Créditos
• Prólogo
• Metodología
• 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA ELECTRÓNICA
• 2. MONTAJES BÁSICOS DE DIDDDS Y TRANSISTOR
• 3. DISEÑOS ESPECIALES
• 4 DISEÑO DE PROYECTOS MULTIETAPA
• 5. DISEÑO DE POTENCIA
• 6. AMPLIFICADORES OPERACIDNALES
• 7. RESPUESTA DE FRECUENCIA
• 8. FILTRDS ACTIVOS
• 9. CIRCUITOS ESPECIALES
• ANEXO GUÍA DE CÁLCULO DE DISIPADORES TÉRMICOS*
• BIBLIOGRAFÍA