TEMA 1. Introducción al procesado analógico de señales

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1 1 ELECTRÓNICA ANALÓGICA 1.1. Introducción Los sistemas electrónicos procesan señales de entrada para obtener a la salida la señal deseada. Nosotros plantearemos el problema según la metodología top-down : Se plantea el problema analógico como un diagrama de bloques para ir analizando a continuación progresivamente cada bloque Conceptos generales Según la filosofía de diseño top-down el diseño de un sistema analógico comienza por el análisis de los aspectos más generales, para adentrarse poco a poco en el diseño más concreto de cada subsistema. Los pasos a seguir para el diseño de un sistema analógico según dicha filosofía son: Fase 1: Análisis de la señal a procesar identificando el tipo de señal: - Diferencial. - De ancho de banda grande o estrecho. - De pequeño o gran nivel. - De pequeña o gran amplitud. - De tensión o corriente. - De pequeña o gran impedancia de salida. Fase 2: Definir las características estáticas del sistema a diseñar: - Función de transferencia. - Impedancia de entrada. - Impedancia de salida. - Ancho de banda. - Slew rate Fase 3: Definir los bloques funcionales: Se hace uso de los amplificadores operacionales. Fase 4: Diseño interno de los bloques:

2 2 El diseño interno de los bloques se hace fundamentalmente a partir de A.O. Fase 5: Calculo del consumo total del sistema y de la tensión de alimentación. Fase 6: Cálculo de errores: Se hace teniendo en cuenta que los componentes son reales. Fase 7: Montaje y test del sistema diseñado: Se construye un prototipo y se testea su funcionamiento Ejemplos Se dispone de un micrófono de impedancia 1000 que genera una señal sinusoidal de 50 mv eficaces. Se debe diseñar un sistema de procesado analógico que sea capaz de actuar sobre un altavoz de 8 de impedancia con una potencia de 10 W. El análisis del diseño debe ser según la filosofía topdown. Fase 1: análisis de la señal a procesar Es una señal sinusoidal de 50 mv de valor eficaz e impedancia de salida de 1K. El equivalente de Thevenin es: El ancho de banda debe estar comprendido entre los 20 Hz y los 20 KHz por ser una aplicación para audio. El punto de referencia de la señal coincide con el punto de referencia del sistema. No es una señal diferencial.

3 3 Fase 2: Definición de las características del sistema a diseñar Ganancia del sistema: G = Vs / Ve La tensión eficaz en la entrada es Ve = 50 mv La tensión eficaz de salida se calcula a partir de la potencia: P Vef Ief Vef Vef R Vef R 2 siendo R la impedancia del altavoz. Despejando se obtiene el valor de la tensión eficaz en la salida correspondiente a la máxima potencia en el altavoz: Vef P R V Vs = 8.94 V La ganancia del sistema es: En decibelios: G Vs Ve G(dB) = 20 log (1788) = 65 db La impedancia de entrada es: Para que la tensión del generador equivalente de thevenin sea prácticamente la entrada al sistema, este debe tener una impedancia mayor de forma que sea despreciable la caida de tensión en la resistencia de thevenin. Se toma un valor superior, por ejemplo 10 veces la impedancia de thevenin: Ze 10 Zth Siendo la impedancia de Thevenin la impedancia de salida del generador. En nuestro caso la impedancia de entrada al sistema debe ser: Ze 10 Zth Ze 10 1K 10K La impedancia de entrada del amplificador debe ser 10 K

4 4 La impedancia de salida: Debe de ser la que permita la máxima transferencia de energía al altavoz. Se puede demostrar que esto ocurre cuando la impedancia de salida del amplificador es la misma que la del altavoz. Zs = 8 Característica dinámicas: El ancho de banda por ser una aplicación para audio debe estar comprendido entre los 20 Hz y los 20KHz. Fase 3: Definición de los bloques funcionales La ganancia del amplificador debe ser de Por consideraciones que se verán posteriormente es necesario realizar la amplificación en varias etapas. Si decidimos que sean dos etapas iguales, resulta: G = G1 * G2 G = G1 2 G 1 G La amplificación se puede realizar con dos etapas de ganancia 42. En decibelios, dos etapas de G1(dB) = G2(dB) = 20 log (42) G1 (db) = G2(dB) = 32.5 db

5 5 Fase 4: Diseño interno de los bloques Se deben diseñar los bloques. Para el diseño del primer bloque se tiene que tener en cuenta que debe cumplir las siguientes especificaciones: Nivel de entrada: 50 mv eficaces. Impedancia de entrada: 10 K. Ganancia: 42 Ancho de banda: de 20 Hz a 20 Khz. Se puede implementar con un transistor BJT en emisor común. La segunda etapa debe ser amplificadora de tensión y de corriente. Puede realizarse con un amplificador operacional y un amplificador en clase AB con transistores formando una configuración Darlington. Todo ello realimentado negativamente para dar estabilidad al sistema. Fase 5:Cálculo del consumo total del sistema y tensiones requeridas. Con los datos de consumo total de corriente y tensión se puede pasar al diseño de la fuente de alimentación. En este caso la tensión de alimentación la va a imponer la etapa de potencia según la configuración de la misma. La corriente en gran parte, también. Fase 6: Cálculo de errores El cálculo de errores debido a los componentes reales se soluciona en la práctica intercalando elementos de ajuste. Es necesario un proceso de ajuste del sistema con la instrumentación adecuada y para ello es necesario saber donde deben intercalarse esos elementos de ajuste. Fase 7: Montaje del prototipo y test del sistema Se monta un prototipo y retocando los elementos de ajuste se testea todo el amplificador, incluyendo la fuente de alimentación.