OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA

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1 DATOS GENERALES Asignatura Curso académico Titulación/Especialidad CIRCUITOS ANALÓGICOS APLICADOS Definitivo INGENIERO TECNICO INDUSTRIAL EN ELECTRONICA INDUSTRIAL Departamento Ingeniería de Sistemas y A., Tecnología Electrónica y Electrónica Área de Conocimiento ELECTRONICA Nivel/Curso 1/2 Tipo/Temporización Obligatotia/2ºcuatrimestre Créditos (Teóricos/Prácticos) 6(3+3) Horas semanales (1º ct / 2º ct) 4 Prácticas de Horas 30 Laboratorio Sesiones 15 Período Cuat. Prerrequisitos Conocimiento del funcionamiento de los dispositivos electrónicos analógicos fundamentales. Esto se traduce en haber cursado las asignaturas Fundamentos de Dispositivos Electrónicos Semiconductores y Electrónica Analógica. Empleo básico de los instrumentos de medida de laboratorio. Asignaturas posteriores Recomendaciones como CLE (Titulaciones/Especialidades) Profesor responsable Otros profesores Instrumentación Electrónica Otras especialidades de I.T.I. para cursar el 2ºCiclo I.T.I. en Electricidad (3º curso) Profesorado Dr. Juan José González de la Rosa OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA Estudiar los circuitos electrónicos analógicos aplicados al ámbito industrial. Formar en el diseño analógico de circuitos multietapa. Utilizar el microordenador como herramienta de asistencia al diseño analógico y como recurso didáctico/formativo propio. Emplear la instrumentación electrónica como medio de detección de fallos de funcionamiento en circuitos electrónicos (diagnóstico electrónico). Dar a conocer el carácter interdisciplinar de la asignatura. Realzar las necesidades de aprendizaje con vistas a asignaturas de tercer curso y dar importancia a los conocimientos adquiridos en las asignaturas que sirven de apoyo. Interpretar correctamente la información técnica de libros de características de componentes con el fin de la adecuada selección en el diseño. METODOLOGIA La asignatura consta de 4 horas semanales (2T+2P). Las horas prácticas se reparten en prácticas de laboratorio con montajes reales, y prácticas de análisis y diseño con el microordenador en el aula de informática. Los problemas se imbrican en el desarrollo teórico con el fin de facilitar la asimilación práctica de los conceptos. El alumno dispone de programas de simulación electrónica para completar el estudio de la asignatura: PSPICE y Electronics Workbench. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 1 de 13

2 PRESENTACIÓN EN TRANSPARENCIAS 1 2 Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 2 de 13

3 PROGRAMA TEÓRICO Y PRÁCTICO PROGRAMA DE TEORÍA UNIDAD DIDÁCTICA 1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL. CIRCUITOS Y SISTEMAS PARA APLICACIONES INDUSTRIALES TEMA 1. El amplificador operacional de propósito general: Características y Configuraciones a) Distinguir entre los modelos lineales del AO y el comportamiento real. b) Comprender el concepto de realimentación negativa en el contexto de la estabilidad del sistema. c) Comprobar la saturación de un amplificador operacional. d) Distinguir entre el comportamiento de los sistemas que poseen realimentación negativa y los que no la incorporan. e) Familiarizarse con las primeras aplicaciones mediante montajes sencillos. f) Emplear técnicas de análisis de circuitos elementales pasivos para analizar los sistemas con amplificadores operacionales. g) Conocer el comportamiento del amplificador diferencial de un AO. 1. Amplificador diferencial. Curvas y parámetros característicos. 2. El AO. ideal Modelo de Thêvenin Ganancia de voltaje en lazo abierto. Saturación. Concepto de "cortocircuito virtual". Realimentaciones negativa y positiva. 3. El amplificador operacional de propósito general Símbolo, encapsulado, terminales y esquema del circuito. 4. Primeras experiencias con un amplificador operacional Aplicaciones básicas con realimentación negativa Amplificadores inversor y no inversor. Convertidor corriente-tensión. Sumadores. Integrador. Derivador Aplicaciones elementales sin realimentación, en lazo abierto Detectores de nivel de voltaje positivo y negativo. 5. Estudio de las desviaciones más importantes de la idealidad. Limitaciones prácticas. Temporización: 3 horas de teoría y problemas. Bibiografía básica: [Malik 1995] [Schilling y Belove 1993] [Coughlin y Driscoll 1993] [Savant et al 1992] [Millman 1995] [Malvino 1993] TEMA 2. Circuitos comparadores electrónicos regenerativos. Aplicaciones de control on-off. a) Comprender el funcionamiento de un comparador electrónico. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 3 de 13

4 b) Identificar los comparadores con los amplificadores operacionales trabajando en saturación, es decir, que carecen de realimentación negativa. c) Relacionar la realimentación positiva con la rapidez de respuesta del sistema y con su inmunidad a señales de ruido superpuestas a las de interés. d) Distinguir entre comparadores inversores y no inversores. e) Identificar todos los parámetros de un ciclo de histéresis. f) A partir de una característica de transferencia tipo ciclo de histéresis inferir el circuito asociado a ella. g) Conocer el interés de los circuitos comparadores en el ámbito del control de procesos. 1. Introducción. 2. Efectos del ruido sobre los circuitos comparadores. 3. Realimentación positiva Objetivos. Umbrales superior e inferior de voltaje. 4. Detector de cruce por cero con histéresis Definición de histéresis. Inmunización contra el ruido. 5. Detectores de nivel de voltaje con histéresis Introducción Detector no inversor de nivel de voltaje con histéresis Detector inversor de nivel de voltaje con histéresis. 6. Regulación independiente del voltaje central y del voltaje de histéresis Introducción Circuito de control de un cargador de batería. 7. Principios del control de procesos El control todo-nada El termostato como comparador. 8. Detectores de ventana Introducción Posibles configuraciones. Temporización: 4 horas de teoría y problemas. Bibliografía básica: [Coughlin y Driscoll 1993] [Malik 1995] [Millman 1995] TEMA 3. Amplificadores diferenciales, de instrumentación y de puente. a) Comprender la utilidad de amplificar una pequeña diferencia de tensiones. b) Comprender las mejoras de unas configuraciones respecto a otras. c) Conectar amplificadores de instrumentación a terminales sensoras. d) Adquirir un conocimiento básico acerca de las técnicas de eliminación de interferencias debidas a bucles de masa. e) Identificar los terminales de un amplificador diferencial integrado. 1. Introducción. 2. El amplificador diferencial básico Función, análisis del circuito e inconvenientes. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 4 de 13

5 2.2. Tensión de modo común Comparación con el amplificador de una sola entrada. 3. Mejoras al amplificador diferencial básico Aumento de las resistencias de entrada Amplificador con ganancia ajustable El problema de las cargas flotantes. 4. El amplificador de instrumentación Funcionamiento del circuito Configuración para salida acoplada en continua. 5. Medición con el amplificador de instrumentación Conexión con la terminal sensora Medidas de tensión diferencial. 6. Amplificadores básicos de puente Conexión directa a puente de medida con transductor. 7. Amplificador de puente práctico con el AO El aumento del margen de linealidad Conexión del transductor a tierra. 8. Detector de deformaciones El sensor de deformaciones Conexión de puente básica Circuito con el amplificador de instrumentación AD521. Temporización: 4 horas de teoría y problemas. Bibliografía básica: [Coughlin y Driscoll 1993] [Millman 1995] [Malvino 1993] [Savant et al 1992]. TEMA 4. Filtros activos. a) Distinguir entre filtros activos y pasivos. b) Distinguir las principales diferencias entre filtro ideal y filtro real. c) Comprender la utilidad de los filtros de orden superior. d) Relacionar las relaciones entre magnitudes y parámetros del sistema con "compromisos de diseño". e) Diseñar filtros activos mediante procedimientos de diseño sencillos. f) Relacionar la función de filtrado con el acondicionamiento de señales. 1. Introducción Filtros pasivos, tipos de filtros según la banda de paso Filtros activos ideales. 2. Filtros de primer orden Funciones de transferencia Realizaciones prácticas y procedimiento de diseño. 3. Filtros de segundo orden Funciones de transferencia. Filtro de Butterworth Realizaciones prácticas. Células de Sallen-Key y Rauch Circuito con realimentación múltiple Circuito con fuente de tensión controlada por tensión. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 5 de 13

6 3.3. Procedimiento de diseño Optimización de la respuesta temporal. 4. Filtros de orden superior Realizaciones prácticas Procedimiento de diseño. Temporización: 5 horas de teoría y problemas. Bibliografía: Básica: [Faulkenberry, 1990] [Coughlin y Driscoll 1993] [Malik 1995] Complementaria: [Millman 1995] TEMA 5. Circuitos con amplificadores operacionales y diodos. a) Distinguir entre circuitos limitadores y recortadores. b) Identificar la "zona muerta" de un limitador con la no transmisión de señal. c) Establecer las características que debe poseer un sistema de precisión. d) Relacionar cada optimización en los sistemas básicos con mejoras tecnológicas introducidas en las configuraciones. e) Agrupar bloques funcionales para implementar funciones derivadas de las primarias. f) Asignar responsabilidades de la falta de precisión en determinados sistemas. g) Analizar sistemas con diodos de funcionalidad no definida. h) Comprender la utilidad de estos circuitos como bloques auxiliares de la Electrónica de control. 1. Introducción: Limitadores, recortadores y rectificadores de precisión. 2. Limitador paralelo básico. 3. Limitador serie básico. 4. Problemas a resolver para obtener circuitos de precisión. 5. Dos mejoras al recortador básico Limitador paralelo o recortador con fuentes fijas Mejora de la pendiente en la zona de recorte. 6. Limitador serie o circuito con "zona muerta" de precisión Bloques con salida positiva y negativa Bloque con salida bipolar. 7. Circuito limitador de precisión base perfeccionado, de limitación unilateral. 8. Aplicaciones de los limitadores serie Rectificadores lineales de precisión Rectificadores de media onda Generadores de valor absoluto y generador de valor medio Generadores de función a tramos Detectores de pico. 9. Amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos. Aplicaciones: divisores y multiplicadores analógicos. Temporización: 4 horas de teoría y problemas. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 6 de 13

7 Bibliografía básica: [Savant et al 1992] [Malik 1995] [Coughlin y Driscoll 1993] [Millman 1995] TEMA 6. Generadores de señal. a) Relacionar la generación de una señal con la ausencia de entrada en los sistemas. b) Comprender el funcionamiento en modo de saturación. c) Combinar los procesos de carga y descarga de los condensadores con los cambios de estado de los amplificadores operacionales. d) Conectar bloques funcionales para generar distintos tipos de señal. e) Identificar los terminales y la estructura interna del temporizador integrado 555. f) Conocer los modos de funcionamiento del 555. g) Relacionar los generadores de señal con bloques funcionales de los instrumentos electrónicos. 1. Circuito astable o multivibrador libre Basados en amplificador operacional Funcionamiento del circuito y cálculo de la frecuencia de oscilación Basados en circuitos integrados comparadores Funcionamiento del circuito y cálculo de la frecuencia de oscilación. 2. Temporizador con disparo único retardado Estado estable y estado temporizado Ejemplo de alimentación a carga resistiva. 3. Circuito monoestable basado en amplificador operacional. 4. El temporizador integrado Esquema interno Modos de operación Astable Monoestable y circuitos de disparo. 5. Generador de ondas cuadradas y triangulares. 6. Generador de diente de sierra. Temporización: 3 horas de teoría y problemas. Bibliografía básica: [Savant et al 1992] [Schilling y Belove 1993] [Malik 1995] [Coughlin y Driscoll 1993] [Millman 1995] Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 7 de 13

8 UNIDAD DIDÁCTICA 2. CIRCUITOS AMPLIFICADORES REALIMENTADOS TEMA 7. Características de los amplificadores electrónicos realimentados. a) Discernir bajo qué condiciones es necesario el diseño de circuitos realimentados. b) Evaluar los inconvenientes y las ventajas de la realimentación. c) Relacionar cada técnica de realimentación con la optimización de una magnitud del circuito. 1. Concepto de realimentación. 2. Clasificación de los amplificadores realimentados Amplificador de tensión Amplificador de corriente Amplificador de transconductancia Amplificador de transrresistencia. 3. Elementos del circuito. Función de transferencia en lazo cerrado. 4. Características generales de los amplificadores con realimentación negativa Estabilidad de la función de transferencia Distorsión de frecuencia Reducción del ruido. 5. Resistencias de entrada y de salida. 6. Ejemplos de análisis. Temporización: 5 horas de teoría y problemas. Bibliografía básica: [Savant et al 1992] [Malik 1995] [Schilling y Belove 1993] [Millman 1995] [Gray y Meyer 1991] TEMA 8. Respuesta en frecuencia y estabilidad de los amplificadores realimentados. a) Trasladar al diagrama de Bode las limitaciones prácticas del amplificador operacional. b) Separar los bloques funcionales de un sistema aplicando el Principio de Inversión. c) Distinguir entre sistemas estables, inestables y en el margen de la inestabilidad. d) Comprender que la realimentación no puede aumentarse arbitrariamente sin que un sistema oscile. e) Conocer técnicas de estudio de estabilidad de sistemas. f) Establecer compromisos de diseño en el dominio de la frecuencia para sistemas con riesgos de inestabilidad. g) Distinguir los criterios de aplicación de las técnicas de compensación. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 8 de 13

9 h) Establecer gráficamente los márgenes de aplicabilidad de las técnicas de compensación. 1. Introducción, Características de un sistema realimentado con amplificadores operacionales. 2. Ganancia y ancho de banda de un amplificador realimentado. 3. El Principio de Inversión. 4. Concepto de estabilidad. Técnicas de estudio de la estabilidad Criterio de Routh El lugar de las raíces Criterio de Bode. 5. Compensación. Técnicas Compensación por avance de fase Compensación por retardo de fase. Temporización: 5 horas de teoría y problemas. Bibliografía: Básica: [Malik 1995] [Millman 1995] [González 2001] Complementaria: [Gray y Meyer 1991] TEMA 9. Osciladores senoidales con transistores y amplificadores operacionales. a) Considerar el oscilador senoidal como un sistema lineal. b) Considerar el oscilador senoidal como un sistema en la frontera de la inestabilidad. c) Comprender los procesos de recuperación energética de un oscilador. d) Distinguir los distintos osciladores según sus aplicaciones. 1. Concepto de oscilación sinusoidal. 2. Criterio de Barkhausen. 3. Osciladores RC Puente de Wien Oscilador de cambio de fase Estabilidad en frecuencia. 4. Osciladores LC. 5. Osciladores a cristal. Temporización: 2 horas de teoría y problemas. Bibliografía Básica: [Malik 1995] [González 2001] [Millman 1995] Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 9 de 13

10 PROGRAMA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO Práctica 1. El amplificador operacional de propósito general. Configuraciones básicas. En primer lugar se identifican los terminales del A.O.741. Las primeras configuraciones, amplificadores inversor y no inversor permiten observar: Funcionamiento lineal de los sistemas. Concepto de cortocircuito virtual. Elementos de control de ganancia. Resistencias de entrada y salida. Constancia del producto ganancia/ancho de banda. Las configuraciones integrador y derivador permiten estudiar la realización práctica de estas funciones. Práctica 3. Comparadores regenerativos. En primer lugar se emplea un A.O. de propósito general (741) con el fin de comprobar el funcionamiento de un detector de cruce por cero en sus versiones inversora y no inversora. Se observa la presencia de un pequeño ciclo de histéresis asociado al proceso de fabricación del circuito integrado, ya que el sistema no posee realimentación positiva. Ésta aparece en el siguiente montaje, comparador detector de nivel no inversor con histéresis, donde se mide el voltaje de histéresis en el dominio temporal (entrada triangular capaz de provocar las transiciones) y se obtiene la característica de transferencia (ciclo de histéresis) empleando el modo X-Y del osciloscopio. Finalmente se montan circuitos con comparadores de propósito específico (311 y 339) para verificar las mejoras introducidas. Práctica 4. El amplificador diferencial. Se utiliza un amplificador diferencial construido con amplificadores operacionales discretos con el fin de observar su comportamiento en CC y CA. Práctica 5. Rectificadores de precisión. Rectificadores de media onda y onda completa basados en circuitos con amplificadores operacionales y diodos. Modificación de las configuraciones para obtener medidores de valor medio y detectores de nivel. Práctica 6. Filtros activos. Filtros paso banda, alta y baja según las configuraciones inversora y no inversora. Análisis de su respuesta en frecuencia. Práctica 7. Osciladores senoidales. Oscilador de desplazamiento de fase: Captura se la salida en arranque y situación estacionaria, recorte de la salida por aumento de ganancia, cese de la oscilación por disminución de ganancia, obtención del espectro del oscilador con y sin saturación mediante el uso de osciloscopio digital y transferencia de datos RS232 al PC. Práctica 8. Osciladores a cristal. Se emplearán montajes realizados con osciladores de cuarzo de alta frecuencia para medir su frecuencia con frecuencímetros y con osciloscopios. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 10 de 13

11 Se recomienda el empleo de las herramientas de simulación electrónica EWB y PSPICE, en el Laboratorio de Electrónica, para ampliar sus conocimientos y verificar sus progresos académicos. INSTRUMENTACIÓN DE LABORATORIO MÉTODO DE EVALUACIÓN En uno de los dos llamamientos de junio o de septiembre el alumno deberá cumplir con los objetivos de al menos la mitad + 1 de los problemas propuestos, preguntas objetivas y de razonamiento cualitativo. Las prácticas repercutirán en la calificación final, pudiéndose realizar una prueba al final del curso. Cada alumno entregará una memoria de prácticas. Bibliografía básica BIBLIOGRAFÍA COUGHLIN, R. F. y DRISCOLL, F.F. (1993). Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. 4ª edición. Prentice-Hall hispanoamericana. México. TEORÍA Y PROBLEMAS, AMPLIFICADORES OPERACIONALES FAULKENBERRY, L.M. (1990). Introducción a los amplificadores operacionales con aplicaciones lineales. Limusa-Noriega. TEORÍA Y PROBLEMAS, AMPLIFICADORES OPERACIONALES GONZÁLEZ, J.J. (2001). Circuitos Electrónicos con Amplificadores Operacionales. Problemas, fundamentos teóricos y técnicas de identificación y análisis. Marcombo, Boixareu Editores. Barcelona. 30 PROBLEMAS DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES MALIK, N. R. (1995). Electronic Circuit: Analysis, Simulation and Design. Prentice Hall International Editions. TEORÍA Y PROBLEMAS, GENERAL MALVINO, A. P. (1993). Principios de Electrónica. 5ª edición. McGraw-Hill. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 11 de 13

12 CONCEPTOS FUNDAMENTALES, GENERAL MILLMAN, J. (1989). Microelectrónica. Circuitos y Sistemas Analógicos y Digitales. 5ª edición. Editorial Hispano Europea. Barcelona. TEORÍA Y PROBLEMAS, GENERAL SAVANT, C. J., RODEN, M. S. y CARPENTER, G. L. (1992). Diseño electrónico. Circuitos y sistemas. 2ª edición. Addison-Wesley Iberoamericana. TEORÍA Y PROBLEMAS, GENERAL SCHILLING, D. L., BELOVE, C., APELEWITZ, T. y SACCARDI, R. J. (1993). Circuitos Electrónicos: Discretos e Integrados. 3ª edición. MacGraw-Hill. TEORÍA Y PROBLEMAS, GENERAL Bibliografía complementaria GHAUSI, M. S. (1987). Circuitos electrónicos: discretos e integrados. Nueva editorial interamericana. México, D. F. TEORÍA Y PROBLEMAS, GENERAL GRAY, P.R. y MEYER, R.G. (1990). Analysis and Design of Analog Integrated Circuits. Second edition. John Wilwy and Sons. New York. AMPLIACIÓN DE SISTEMAS REALIMENTADOS MILLMAN, J. y GRABEL, A. (1991). Microelectrónica. 6ª edición. Editorial Hispano Europea. Barcelona. TEORÍA Y PROBLEMAS, GENERAL MIRA, J. y DELGADO, A. E. (1993). Electrónica Analógica Lineal. Tomos I y II. U.N.E.D. Madrid. TEORÍA Y ESCASOS PROBLEMAS, GENERAL Prácticas de laboratorio ANGULO, C., MUÑOZ, A. y PAREJA, J. (1989). PRÁCTICAS DE ELECTRÓNICA. Volumen I. Semiconductores básicos. Volumen II. Semiconductores avanzados y OP-AM. MacGraw-Hill. Serie Electrónica. Simulación electrónica AGUILAR, J. D., DOMENECH, A. y GARRIDO, J. (1995). Simulación Electrónica con PSPICE. Editorial RA-MA. GONZÁLEZ DE LA ROSA, J.J. (1997). Ejercicios de Simulación Electrónica con PSPICE y ELECTRONICS WORKBENCH. 1º Edición. Escuela Universitaria Politécnica de Algeciras. GONZÁLEZ, J.J. et al. (2000). Circuitos Electrónicos Aplicados. Simulación con PSPICE. Libro electrónico. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Cádiz. SIMULACIÓN ELECTRÓNICA PROFESORES DEL ÁREA DE ELECTRÓNICA DE LA E.P.S. DE ALGECIRAS. CURSOS DE POSTGRADO, MÓDULOS I, II y III. Circuitos Electrónicos Aplicados. Simulación con PSPICE. Se imparten cada curso académico. Circuitos Analógicos Aplicados. Dr. Juan José González de la Rosa página 12 de 13