Tecnología electrónica

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1 Tecnología electrónica Marc Bara Iniesta Ana María Escudero Quesada Oriol González Llobet Asier Ibeas Hernández PID_

2 CC-BY-SA PID_ Tecnología electrónica Marc Bara Iniesta Ana María Escudero Quesada Oriol González Llobet Ingeniero de Telecomunicaciones por la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) desde al año 1996, donde desarrolló sus estudios de doctorado y obtuvo la titulación de Doctor Europeo en el año Desde entonces ha desarrollado su carrera profesional en la dirección de proyectos, en concreto en el área de diseño y fabricación de equipos electrónicos para satélites, sector aeroespacial. Desde el año 2008 ejerce responsabilidades de gestión de programas (PMO, manager) en este entorno. Certificado como project management professional, PMP, por el PMI. Ingeniera de Telecomunicaciones por la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) desde el año 1999, y DEA en Informática y Comunicación Digital por la Universidad Pompeu Fabra desde el año Ha desarrollado su carrera profesional en el campo de las radiocomunicaciones y de las redes de comunicaciones. Actualmente compagina su labor profesional con diversas tareas docentes. Ingeniero técnico de Telecomunicaciones por la Universidad Politécnica de Cataluña desde el año Ha desarrollado su carrera profesional en el ámbito de la informática de sistemas, compaginándolo con la docencia de teoría de circuitos en la Universitat Oberta de Catalunya (UOC). También ha participado en varios proyectos del ámbito del software libre. Asier Ibeas Hernández Doctor en Ciencias Físicas por la Universidad del País Vasco con la especialidad de Electrónica y Automática. Desde el año 2005 colabora como profesor ayudante y profesor ayudante doctor en el Departamento de Telecomunicaciones e Ingeniería de Sistemas de la Universidad Autónoma de Barcelona. Sus líneas de investigación se centran en el diseño de controladores para sistemas con retardo, aplicación de la inteligencia artificial al control, control adaptable y robusto y su implementación física en dispositivos electrónicos. El encargo y la creación de este material docente han sido coordinados por el profesor: Germán Cobo Rodríguez (2012) Primera edición: febrero 2012 c Marc Bara Iniesta, Ana María Escudero Quesada, Oriol González Llobet, Asier Ibeas Hernández Todos los derechos resevados c de esta edición, FUOC, 2012 Av. Tibidabo, 39-43, Barcelona Diseño: Manel Andreu Realización editorial: Eureca Media, SL Depósito legal: B Los textos e imágenes publicados en esta obra están sujetas excepto que se indique lo contrario a una licencia de Reconocimiento-Compartir igual (BY-SA) v.3.0 España de Creative Commons. Podéis modificar la obra, reproducirla, distribuirla o comunicarla públicamente siempre que citéis el autor y la fuente (FUOC. Fundació per a la Universitat Oberta de Catalunya), y siempre que la obra derivada quede sujeta a la misma licencia que el material original. La licencia completa se puede consultar en

3 CC-BY-SA PID_ Tecnología electrónica Introducción Tecnología electrónica es la segunda asignatura dedicada al estudio de la electrónica analógica en el grado de Tecnologías de Telecomunicación de la Universitat Oberta de Catalunya (UOC). Se trata de la continuación natural de la asignatura Teoría de circuitos y resulta ser a su vez el paso previo natural a la asignatura Electrónica de comunicaciones. Adquiridos ya, pues, los fundamentos de la electrónica analógica (Teoría de circuitos) y con la vista puestas en el análisis y el diseño de circuitos electrónicos de radiofrecuencia y aplicados al mundo de las comunicaciones (Electrónica de comunicaciones), en la asignatura Tecnología electrónica se profundiza en el estudio de los componentes electrónicos fundamentales basados en semiconductores (diodos y transistores) y se analizan circuitos aplicados de orden más avanzado, basados en el uso de estos componentes (circuitos con realimentación, osciladores, amplificadores, monoestables, puertas lógicas, etc.). A tal efecto, los apuntes de esta asignatura han sido estructurados en cuatro módulos diferentes. Los contenidos de cada uno de ellos son resumidos a continuación. En el módulo El diodo. Funcionamiento y aplicaciones se estudia a fondo el comportamiento del diodo con el objeto de poder analizar los circuitos electrónicos en los que se encuentra presente. El análisis de sus características físicas precede al estudio de cómo modelar su comportamiento eléctrico y cómo aplicar dichos modelos en la resolución de circuitos. El módulo incluye el estudio de ciertos tipos de diodos con características especiales, tales como el fotodiodo o el diodo LED. En el módulo Realimentación y osciladores. Funcionamiento y aplicaciones se estudia en detalle en qué consiste el concepto de realimentación y qué aplicaciones tiene en el campo de la electrónica. Las características concretas de los dos tipos fundamentales de realimentación (la positiva y la negativa) son analizadas, así como los beneficios y posibles aplicaciones de cada una de ellas. Finalmente, una aplicación especialmente importante del concepto de realimentación se estudia más en detalle: los circuitos osciladores. El módulo El transistor. Estructura física y aplicaciones tiene por objetivo conocer uno de los dispositivos semiconductores de estado sólido más importantes, el transistor. Tras una presentación de sus fundamentos, se profundiza en sus aplicaciones en el diseño de circuitos electrónicos. Los dos tipos básicos de transistor (el BJT y el FET) son modelados y analizados y varias aplicacio-

4 CC-BY-SA PID_ Tecnología electrónica nes típicas (amplificadores lineales y puertas lógicas, fundamentalmente) de cada uno de ellos son estudiadas, así como los procedimientos que permiten analizarlas y diseñarlas. En el módulo El amplificador operacional se explica qué es un amplificador operacional, cuáles son los parámetros que definen su comportamiento y qué uso se puede hacer de él en el ámbito del diseño de circuitos electrónicos. Diferentes tipos de aplicaciones del amplificador operacional son estudiados, diferenciando entre dos grandes familias: aplicaciones lineales (circuitos sumadores, derivadores, filtros, etc.) y no lineales (circuitos comparadores, generadores, rectificadores, etc.) del amplificador operacional. Finalmente, los apuntes de la asignatura incluyen un Anexo, en el que se repasan los elementos circuitales clásicos (resistencias, condensadores y bobinas) y los teoremas (Kirchhoff, Thévenin, Norton, divisores de tensión y corriente, y principio de superposición) y métodos de análisis de circuitos básicos (el método de las corrientes de malla y el de las tensiones de nodo) ya presentados y estudiados en la asignatura Teoría de circuitos. Cómo estudiar los módulos? A lo largo de los diferentes módulos, se van introduciendo paulatinamente los conceptos teóricos que se requieren para avanzar en el estudio de la asignatura, así como las fórmulas, los modelos y los procedimientos tanto conceptuales como matemáticos necesarios para la correcta comprensión del funcionamiento de los componentes y circuitos presentados. Todos estos conceptos y métodos acaban conformando el núcleo fundamental de la asignatura y es del todo necesario estudiarlos detalladamente y comprenderlos en toda su profundidad a fin de alcanzar adecuadamente los objetivos de la asignatura. Paralelamente a la explicación y el desarrollo de los conceptos teóricos, van apareciendo diferentes ejemplos en forma de ejercicios. Estos ejemplos pueden perseguir dos objetivos: ejemplificar la explicación previa o explicar un concepto nuevo, más fácil de exponer a partir de un ejemplo concreto. Tanto en un caso como en otro, al llegar a un ejemplo resulta muy conveniente seguir los cálculos con todo detalle e incluso intentar reproducirlos. Esto puede resultar de gran ayuda a fin de consolidar los nuevos conceptos aprendidos y llegar a comprenderlos completamente. Al final del desarrollo de cada módulo se encuentra un apartado de problemas resueltos. Estos problemas, a diferencia de los ejemplos, están pensados para ser resueltos directamente, sin consultar el proceso completo de su resolución, que se proporciona únicamente para poder verificar la estrategia de resolución adoptada o para descubrir estrategias alternativas de resolución.

5 CC-BY-SA PID_ Tecnología electrónica Finalmente, en el apartado Ejercicios de autoevaluación se plantea un conjunto de preguntas con su solución final (que no su proceso de resolución) adjunta. Estos ejercicios de autoevaluación permiten evaluar el grado de comprensión de los conceptos fundamentales y de adquisición de los objetivos asociados al estudio del módulo, resultando así de gran utilidad, a fin de detectar conceptos que no hayan quedado del todo claros. Es importante tener en cuenta que el estudio de esta asignatura no consiste únicamente en sentarse y leer, sino también en pensar, analizar y reflexionar acerca de los conceptos teóricos, las metodologías de resolución de problemas aplicados y los resultados concretos obtenidos al resolver un problema. Debido a esto, es fundamental saber resolver todos los ejemplos y problemas propuestos y responder correctamente a todas las preguntas planteadas.

6 CC-BY-SA PID_ Tecnología electrónica Objetivos El estudio de los módulos previamente descritos permitirá al estudiante adquirir los conocimientos necesarios a fin de alcanzar los siguientes objetivos generales: 1. Entender qué es y cómo se comporta un diodo. Conocer los diversos modelos simplificados que nos facilitan el análisis de circuitos con diodos. 2. Aprender a analizar circuitos que contienen diodos. Conocer cómo se aplica el diodo en circuitos rectificadores, limitadores y reguladores. 3. Conocer el fotodiodo y su funcionamiento. Entender cómo se comporta un diodo LED. 4. Entender el concepto de realimentación y los beneficios que nos aportan los circuitos con realimentación. 5. Identificar los dos tipos básicos de realimentación: la realimentación positiva y la realimentación negativa. 6. Analizar y diseñar circuitos con realimentación negativa. Entender qué es un oscilador a partir del concepto de realimentación positiva. 7. Estudiar y analizar los osciladores más comunes. Analizar un tipo de oscilador empleado en el mundo real: el oscilador de cristal de cuarzo. 8. Conocer la estructura física de los transistores más utilizados en baja frecuencia. Conocer los modelos eléctricos utilizados para la descripción de su funcionamiento. 9. Saber calcular el punto y región de trabajo de un transistor. Aprender a diseñar redes de polarización de transistores. 10. Conocer configuraciones típicas de circuitos amplificadores. Analizar el funcionamiento de circuitos de amplificación basados en transistores. 11. Conocer cómo sintetizar puertas lógicas utilizando transistores. 12. Entender qué es un amplificador operacional y qué funcionalidades proporciona. Ser capaces de entender las especificaciones de los amplificadores operacionales reales. 13. Saber utilizar el amplificador operacional para construir/diseñar circuitos electrónicos básicos, como amplificadores, sumadores, integradores. 14. Entender qué usos puede tener el amplificador operacional en circuitos no lineales tales como comparadores, temporizadores, rectificadores.

7 CC-BY-SA PID_ Tecnología electrónica 15. Ser capaz de analizar y predecir el comportamiento de circuitos basados en amplificadores operacionales. 16. Ser capaz de, dada una aplicación que requiera de un circuito electrónico que sintetice operaciones de cálculo, proponer y analizar una topología con amplificadores operacionales que sea apta.

8 CC-BY-SA PID_ Tecnología electrónica Contenidos Módulo didáctico 1 El diodo. Funcionamiento y aplicaciones Oriol González Llobet 1. Materiales semiconductores. La unión PN 2. El diodo. Comportamiento y modelización 3. Análisis de circuitos con diodos 4. Aplicaciones de los diodos 5. Otros tipos de diodo 6. Problemas resueltos Módulo didáctico 2 Realimentación y osciladores. Funcionamiento y aplicaciones Ana María Escudero Quesada 1. Circuitos con realimentación 2. Osciladores 3. Problemas resueltos Módulo didáctico 3 El transistor. Estructura física y aplicaciones Asier Ibeas Hernández 1. El transistor bipolar de unión 2. El transistor a frecuencias intermedias y pequeña señal 3. El transistor de efecto de campo 4. Problemas resueltos Módulo didáctico 4 El amplificador operacional Marc Bara Iniesta 1. El amplificador operacional (AO) 2. Aplicaciones lineales del AO 3. Aplicaciones no lineales del AO 4. Problemas resueltos Anexo Teoremas de redes eléctricas Oriol González Llobet y Asier Ibeas Hernández 1. Elementos básicos de análisis de circuitos

9 CC-BY-SA PID_ Tecnología electrónica Bibliografía Boylestad, R.; Nashelsky, R.. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos (8 a. ed.). Pearson / Prentice Hall. Casilari, E; Romero, J. M.; De Trazenies, C. (2003). Transistores de efecto campo. Ediciones de la Universidad de Málaga (sèrie Manuales ). Clayton, G.; Winder, S. (2003). Operational amplifiers (5 a. ed). Newnes. Coughlin, R. F.; Driscoll, F. F. (2001). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (5 a. ed.). Prentice Hall. Franco, S. (2004). Diseño con amplificadores operacionales y circuitos integrados analógicos (3 a. ed.). McGraw-Hill. Hambley, A. R. Electrónica (2 a. ed.). Pearson / Prentice Hall. López, G; García J. M. (1993). Física de los dispositivos electrónicos. Imprenta Fareso. Malik, N. R. (2000). Circuitos electrónicos. Madrid: Prentice Hall. Malvino, A. P. (2000). Principios de electrónica. Madrid: McGraw-Hill. Millman, J.; Halkias, C. C. (1991). Electrónica integrada: circuitos y sistemas analógicos y digitales. Barcelona: Hispano Europea. Pérez Navarro, A.; Martínez Carrascal, J. A.; Muñoz Medina, O. (2006). Fundamentos tecnológicos II. Material didàctic UOC. Prat Viñas, L. (1994). Circuitos y dispositivos electrónicos. Barcelona: Ediciones UPC. Prat, L.; Calderer, J. (2003). Dispositivos electrónicos y fotónicos. Fundamentos. Edicions UPC. Thomas, R. E; Rosa, A. J. (2002). Circuitos y señales: introducción a los circuitos lineales y de acoplamiento. Barcelona: Reverté.

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