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Resumen del contenido
Contenido
Lista de ejemplos
Capítulo 1
1.1. Utilización del modelo de amplificador de tensión................................... 21 1.1. Análisis de un amplificador en cascada..... 24 1.3. Determinación del modelo general para un amplificador en cascada................... 25 1.4. Determinación del rendimiento de un ampli- ficador.................................... 28 1.5. Conversión de un amplificador de tensión en un amplificador de corriente............... 32 1.6. Determinación de los parámetros del modelo de amplificador de transconductancia...... 34 1.7. Determinación de los parámetros del modelo de amplificador de transresistencia........ 35 1.8. Determinación de la ganancia de tensión co- mo un número complejo.................. 43 1.9. Determinación de la especificación CMRR. 51
Capítulo 2
2.1. Análisis de un amplificador inversor 68 2.2. Diseño de un amplificador no inversor..... 80 2.3. Diseño de un amplificador................ 82 2.4. Diseño de un amplificador sumador....... 83 2.5. Ganancia en bucle cerrado en función de la frecuencia para un amplificador no inversor. 88 2.6. Cálculo del producto ganancia-ancho de banda..................................... 90 2.7. Ancho de banda de los amplificadores inver- sores y no inversores...................... 91 2.8. Determinación de la máxima amplitud de una señal................................. 94 2.9. Determinación del ancho de banda de po- tencia..................................... 97 2.10. Caso más desfavorable de la tensión de sali- da en continua en un amplificador inversor. 100
Capítulo 3
3.1. Construcción de la línea de carga en un cir- cuito con diodo........................... 141 3.2. Construcción cuando un extremo de la recta está fuera del gráfico...................... 142 3.3. Solución de un circuito suponiendo el estado de los diodos............................. 144 3.4. Análisis de un circuito regulador con diodo zéner..................................... 158 3.5. Análisis en carga de un circuito regulador basado en diodo zéner.................... 160 3.6. Cálculo de la concentración de huecos y electrones libres.......................... 173 3.7. Trazar con SPICE la curva caractertística del diodo..................................... 189
3.8. Comportamiento en conmutación del diodo 1N4148................................... 192
Capítulo 4
4.1. Uso de las curvas del dispositivo para deter- minar a y b............................... 225 4.2. Determinación gráfica del punto Q y de los valores extremos de la señal............... 232 4.3. Determinación de la región de trabajo del transistor bipolar.......................... 241 4.4. Circuito de polarización de base fija....... 242 4.5. Circuito de polarización de base fija con una beta más alta............................. 243 4.6. Circuito de polarización automática....... 247 4.7. Circuito de polarización automática de cua- tro resistencias............................ 250 4.8. Circuito de polarización con fuentes de co- rriente.................................... 252 4.9. Cálculo del comportamiento del amplifica- dor en emisor común...................... 262 4.10. Cálculo del comportamiento del seguidor de emisor.................................... 268
Capítulo 5
5.1. Trazado de la gráfica de las curvas caracte- rísticas de un transistor NMOS............ 301 5.2. Uso de SPICE para dibujar las curvas carac- terísticas de drenador..................... 302 5.3. Determinación del punto Q de un circuito de polarización automática................... 310 5.4. Diseño del circuito de polarización de un NMOS................................... 314 5.5. Cálculo de gm y rd a partir de las curvas ca- racterísticas............................... 319 5.6. Ganancia e impedancia de un amplificador en fuente común.......................... 323 5.7. Análisis con SPICE de un amplificador en fuente común............................. 325 5.8. Cálculo de la ganancia y la impedancia de un seguidor de fuente..................... 330
Capítulo 6
6.1. Diseño de un inversor MOS con resistencia de pull-up................................ 380 6.2. Características de transferencia utilizando SPICE.................................... 381 6.3. Determinación del margen de ruido........ 382 6.4. Determinación de t (^) PLH para el inversor NMOS con resistencia de pull-up.......... 385 6.5. Determinación del retardo de propagación con SPICE................................ 387
XIV Contenido
6.6. Característica de transferencia de un inversor NMOS con pull-up........................ 391 6.7. Cálculo del retardo de propagación del in- versor CMOS............................. 401 6.8. Simulación SPICE del retardo de propaga- ción del inversor CMOS.................. 402 6.9. Diseño de una puerta NAND CMOS...... 406 6.10. Efectos de la conexión del sustrato y de la modulación de la longitud del canal....... 406 6.11. Efectos de modulación de la longitud del ca- nal y de la conexión del sustrato.......... 409
Capítulo 7
7.1. Características de salida de la fuente de co- rriente usando SPICE..................... 433 7.2. Análisis manual de una fuente de corriente.. 435 7.3. Diseño de la fuente de corriente Widlar... 438 7.4. Diseño de un amplificador diferencial aco- plado por emisor.......................... 466 7.5. Análisis de un amplificador diferencial aco- plado por fuente.......................... 476 7.6. Análisis de un amplificador operacional CMOS.................................... 482
Capítulo 8
8.1. Diagrama de Bode para un circuito RC con un polo y un cero......................... 502 8.2. Diagrama de Bode para un filtro RC de paso alto....................................... 506 8.3. Análisis del amplificador en fuente común. 515 8.4. Análisis con SPICE de un amplificador en fuente común............................. 516 8.5. Uso del efecto Miller para determinar la im- pedancia de entrada....................... 520 8.6. Cálculo de la frecuencia de corte superior utilizando el efecto Miller................. 523 8.7. Determinación de los parámetros híbridos en n usando la hoja de especificaciones....... 529 8.8. Respuesta en alta frecuencia del amplifica- dor en emisor común...................... 534 8.9. Análisis SPICE de un amplificador cascodo 542 8.10. Respuesta en alta frecuencia de un seguidor de emisor................................. 546 8.11. Análisis en baja frecuencia de un circuito con condensadores de acoplo.............. 553 8.12. Selección de valores para los condensadores de acoplo................................. 557
Capítulo 9
9.1. Diseño de un amplificador con realimenta- ción...................................... 599 9.2. Diseño de un excitador para un optoacopla- dor utilizando realimentación.............. 602 9.3. Diseño del amplificador de salida para un optoacoplador............................. 604
9.4. Diseño de un amplificador de corriente utili- zando realimentación...................... 607 9.5. Diagramas de Bode para un amplificador realimentado con polo dominante.......... 619 9.6. Amplificador realimentado de dos polos... 625 9.7. Amplificador con realimentación de tres po- los........................................ 628 9.8. Inestabilidad en un amplificador realimen- tado...................................... 629 9.9. Determinación de los márgenes de ganancia y de fase.................................. 634 9.10. Análisis con SPICE de un amplificador reali- mentado.................................. 635 9.11. Compensación por polo dominante........ 640 9.12. Análisis de un circuto oscilador........... 655 9.13. Diseño del oscilador en puente de Wien... 659
Capítulo 10
10.1. Resistencia térmica unión-encapsulado... 688 10.2. Uso de la curva de degradación de potencia. 688 10.3. Máxima disipación de potencia permitida. 690 10.4. Curvas características de transferencia para una etapa de salida en seguidor de emisor 699 10.5. Diseño de una etapa de salida en seguidor de emisor................................ 702 10.6. Cálculo del rendimiento de un amplificador de clase B............................... 713 10.7. Circuito equivalente del transformador... 729 10.8. Diseño de una fuente alimentación de 5 V, 1 A..................................... 731 10.9. Diseño térmico para una fuente de alimen- tación................................... 737
Capítulo 11
11.1. Dieño de un filtro de Butterworth paso bajo de cuarto orden.......................... 750 11.2. Diseño de un filtro....................... 757 11.3. Diseño de un filtro pasabanda............ 761 11.4. Diseño de un convertidor de ondas cuadra- das en senoidales........................ 767 11.5. Conversión de un circuito serie RL en un circuito paralelo......................... 775 11.6. Modelo de circuito de una bobina real.... 778 11.7. Reducción de un circuito resonante com- plejo.................................... 779 11.8. Diseño de una red de acoplo con amplifica- dor de clase D........................... 788 11.9. Diseño de un amplificador sintonizado... 792 11.10. Diseño de un oscilador Hartley........... 801
Capítulo 12
12.1. Diseño de un circuito Schmitt trigger..... 827 12.2. Análisis de un multivibrador astable...... 833 12.3. Diseño de un multivibrador astable....... 835
Contenido XV
apropiado para un curso introductorio de carácter fundamental. A partir del Capítu- lo 7, el nivel se incrementa gradualmente hasta el grado apropiado para estudiantes que tengan un mayor interés en la materia. Para los temas de respuesta en frecuencia y compensación de amplificadores realimentados (Capítulo 9), resulta conveniente (aun- que no imprescindible) tener unos ciertos conocimientos de análisis de circuitos me- diante el método de la transformada de Laplace.
AYUDAS DE CARÁCTER EDUCATIVO
La página web, situada en la dirección http://www.librosite.net/hambley, contiene di- versos recursos para profesores y estudiantes, incluyendo: Respuestas a algunos problemas seleccionados del final de cada capítulo. Archivos PDF de figuras clave del libro, que pueden utilizarse para realizar transparencias. Archivos esquemáticos para los circuitos explicados en el libro. Archivos esquemáticos para las respuestas a los ejercicios que requieren un aná- lisis con SPICE. Una selección de enlaces a páginas de fabricantes desde donde se pueden des- cargar datos adicionales. También está disponible un manual de soluciones (en inglés), que contiene las solu- ciones completas para los ejercicios y problemas, para aquellos profesores que adop- ten esta obra como libro de texto. Para obtener una copia, contacte con la editorial.
CONTENIDO
Este libro permite poner en práctica una amplia variedad de cursos. Se proporciona material más que suficiente para dos cursos semestrales (o tres cuatrimestrales), per- mitiendo una selección de temas adaptada a los intereses del profesor y de los estu- diantes. El Capítulo 1 contiene una introducción a la electrónica y trata las características externas de los amplificadores. Las primeras secciones proporcionan a los estudiantes una visión global, e ilustran sobre cómo encajan en dicha visión los detalles estudiados en este libro. Normalmente, el autor considera este material como de lectura, pero no invierte tiempo de clase en él. A continuación, se introducen conceptos básicos sobre amplificadores, como la ganancia, la resistencia de entrada, la resistencia de salida, la respuesta en frecuencia y los modelos de circuito para los amplificadores. El capítulo concluye con una explicación sobre los amplificadores diferenciales, preparando el te- rreno para el tema de los amplificadores operacionales. El Capítulo 2 trata los circuitos con amplificadores operacionales, incluyendo te- mas de amplificadores básicos, errores en los amplificadores operacionales, integrado- res y diferenciadores. El estudio de amplificadores proporciona una aplicación inme- diata de los conceptos (introducidos en el Capítulo 1) de ganancia, resistencia de entrada, resistencia de salida y tipos de amplificadores ideales. El Capítulo 3 trata los diodos y los circuitos con diodos, incluyendo conceptos como líneas de carga, diodos ideales, rectificadores, conformadores de onda, circuitos lógi- cos, reguladores de tensión, física de dispositivos y comportamiento de conmutación. El concepto de circuito equivalente en pequeña señal se introduce en la Sección 3.8, preparando el terreno para el análisis de amplificadores BJT y FET. La sección «Proceso de diseño de un circuito: generador de funciones», se presenta aparte del texto principal, y aparece entre los Capítulos 3 y 4. Esta sección
XVIII Prefacio
muestra a los estudiantes cómo puede emplearse el material de los primeros tres capí- tulos para diseñar un circuito útil e interesante. El Capítulo 4 trata sobre las características de los bipolares, el análisis de línea de carga, los modelos de gran señal, la polarización, el análisis de circuitos equivalentes en pequeña señal, el amplificador en emisor común, el seguidor de emisor y la utiliza- ción del bipolar como conmutador en los circuitos lógicos. El Capítulo 5 contiene un tratamiento similar de los transistores FET, destacando los MOSFET. Si se desea, puede invertirse el orden de los Capítulos 5 y 6 sin dema- siada dificultad. La sección «Proceso de diseño de un circuito: amplificador multietapa» aparece inmediatamente después del Capítulo 5, e ilustra cómo puede diseñarse un amplifica- dor multietapa utilizando los conceptos aprendidos en los Capítulos 4 y 5. El Capítulo 6 trata los circuitos lógicos digitales, haciendo especial hincapié en la tecnología CMOS. Se cubren los conceptos básicos sobre circuitos lógicos, el inversor NMOS con resistencias de pull-up, el inversor CMOS, los retardos de propagación, las puertas NOR y NAND, la lógica dinámica y las puertas de transmisión. Los amplificadores integrados diferenciales y multietapa, incluyendo las técnicas de polarización para circuitos integrados, se tratan en el Capítulo 7. El Capítulo 8 estudia la respuesta en frecuencia de los amplificadores, incluyendo el efecto Miller, el modelo híbrido en n para el bipolar y las configuraciones más co- munes de amplificadores. El Capítulo 9 examina los temas de realimentación y osciladores. Las Secciones 9.1 a 9.4 tratan los diversos tipos de realimentación y sus efectos sobre la ganancia y las impedancias. A continuación, se proporcionan varios ejemplos de diseño en la Sec- ción 9.5. Las Secciones 9.6 a 9.9 tratan la respuesta transitoria, la respuesta en fre- cuencia y la compensación de amplificadores realimentados. En la Sección 9.10 se analizan varios ejemplos de amplificadores con realimentación. Finalmente, se expli- can los fundamentos sobre osciladores en las Secciones 9.11 y 9.12. La sección «Proceso de diseño de un circuito: marcapasos» aparece después del Capítulo 9, y muestra una interesante aplicación de muchos de los circuitos y concep- tos explicados en el libro. En el Capítulo 10 se presentan las etapas de salida y las fuentes de alimentación, incluyendo las consideraciones térmicas, los dispositivos de potencia, los amplificado- res de clase A y clase B, los reguladores lineales de tensión y el diseño de fuentes de alimentación. El Capítulo 11 trata sobre filtros activos, circuitos sintonizados, redes de adapta- ción de impedancias, osciladores LC y osciladores a cristal. El Capítulo 12 estudia los comparadores, circuitos temporizadores y convertidores de datos, incluyendo el Schmitt-trigger, circuitos multivibradores, el circuito integrado temporizador 555, convertidores digital-analógicos y convertidores analógico-digita- les. Finalmente, la sección «Proceso de diseño de un circuito: convertidor ca-cc de pre- cisión», ilustra otro diseño práctico donde se emplean muchos de los conceptos ante- riormente tratados en el libro.
DEPENDENCIA ENTRE CAPÍTULOS
Los primeros cinco capítulos forman la base sobre la que se asienta el resto del libro. El orden de presentación de los restantes capítulos es extremadamente flexible. El Ca- pítulo 5 que trata de los transistores MOSFET, puede abordarse, si se desea, antes que el Capítulo 4, dedicado a los transistores bipolares.
Prefacio XIX
Introducción
E
l objetivo de este libro es proporcionar al lector una buena comprensión de los principios bási- cos de los circuitos electrónicos digitales y analógi- cos. El libro se centra en la aplicación y el diseño de circuitos integrados, aunque el diseño de los mis- mos es más efectivo cuando se lleva a cabo con una visión general del proceso global de diseño y del sistema concreto del que formará parte el circuito. Por tanto, en este primer capítulo se dará un resu- men de los sistemas electrónicos, una descripción general de los pasos necesarios en su diseño, y los conceptos básicos relacionados con los sistemas di- gitales y los amplificadores electrónicos. El diseño de circuitos electrónicos es un proceso complejo. Puede ser una profesión y puede llegar a impresionar a personas que piensen que la electró- nica es como la magia. Comprender el contenido de este libro es un paso importante hacia una ca- rrera gratificante como diseñador de sistemas elec- trónicos.
1.1. Sistemas electrónicos 2
1.2. El proceso de diseño 8
1.3. Circuitos integrados 12
1.4. Conceptos básicos sobre los amplificadores 17
1.5. Amplificadores en cascada 23
1.6. Fuentes de alimentación y rendimiento 27
1.7. Notación en decibelios 30
1.8. Modelos de amplificadores 32
1.9. Amplificadores ideales 39
1.10. Respuesta en frecuencia de los amplificadores 41
1.11. Amplificadores diferenciales 49
Resumen 54
Problemas 56
1.1. SISTEMAS ELECTRÓNICOS
Algunos sistemas electrónicos, como radios, televisores, teléfonos y computadores, re- sultan familiares al utilizarse diariamente. Pero otros que también están presentes a diario, no son tan evidentes. Algunos sistemas electrónicos controlan la mezcla del carburante y el momento del encendido para maximizar el rendimiento y minimizar las emisiones no deseadas en los motores de los automóviles. La electrónica de los satélites meteorológicos proporciona una imagen continua y detallada de nuestro pla- neta. Otros sistemas resultan aún menos familiares. Por ejemplo, en Estados Unidos se ha desarrollado un sistema de satélites conocido como GPS (Global Positioning Sys- tem, sistema de posicionamiento global ) para proporcionar información en tres di- mensiones de la posición de los barcos y aviones en cualquier lugar de la Tierra, con una precisión de varias decenas de metros. Esto es posible porque el vehículo puede recibir las señales emitidas por varios satélites. Comparando el instante de la llegada de las señales recibidas y utilizando determinada información contenida en ellas relati- va a las órbitas de los satélites, será posible determinar la posición del vehículo. Ade- más, es posible procesar las señales recibidas para configurar un reloj local con una precisión de unos 100 ns. Entre otros sistemas electrónicos se pueden citar: el sistema de control del tráfico aéreo, diversos tipos de radares, equipos de grabación y reproductores de CD, radios bidireccionales para la policía y la comunicación marina, satélites que retransmiten señales de televisión o de otro tipo desde una órbita geosincrónica, instrumentación electrónica, sistemas de control de producción, monitores computerizados para los pa- cientes en las unidades de cuidados intensivos o sistemas de navegación.
Diagramas de bloques de los sistemas electrónicos
Los bloques funcionales de los sistemas electrónicos incluyen amplificadores, filtros, fuentes de señales, circuitos conformadores de onda, funciones de lógica digital, fuentes de alimentación y convertidores.
Los sistemas electrónicos se componen de varios subsistemas o bloques funcionales. Estos bloques funcionales se pueden dividir en varias categorías: amplificadores, fil- tros, fuentes de señales, circuitos conformadores de onda, funciones de lógica di- gital, memorias digitales, fuentes de alimentación y convertidores. En pocas pala- bras, podemos decir que los amplificadores incrementan la intensidad de las señales débiles, los filtros separan las señales deseadas de las no deseadas y del ruido, las fuentes de señales generan diversas formas de onda, como senoidales o cuadradas, los circuitos conformadores de onda cambian una forma de onda a otra (por ejemplo de senoidal a cuadrada), las funciones de lógica digital procesan señales digitales, las me- morias guardan información en formato digital, las fuentes de alimentación proporcio- nan la corriente continua necesaria a los demás bloques funcionales, y los convertido- res cambian señales de formato analógico a digital o viceversa. Más adelante, en este mismo capítulo, se considerarán con más detalle las características externas de los am- plificadores. En la Figura 1.1 se muestra el diagrama de bloques de una radio AM. Como puede observar, se muestran tres amplificadores y dos filtros. El oscilador local es un ejem- plo de una fuente de señal, y el detector de pico es un tipo especial de circuito confor- mador de onda. Los circuitos digitales aparecen en la interfaz de usuario (teclado y pantalla) y en el sintetizador de frecuencias. Los circuitos digitales controlan la selec- ción de canales y otras funciones, como el volumen. La descripción completa del siste- ma incluiría especificaciones detalladas para cada bloque. Por ejemplo, se mostraría la ganancia, la impedancia de entrada y el ancho de banda de cada amplificador (se defi- nirán detalladamente estos términos más adelante). Cada bloque funcional consiste en
2 Electrónica
Tiempo
(a) Señal analógica
Amplitud 1 0 1 1
(b) Señal digital
_A
Amplitud
Tiempo T 2 T (^) 3 T
Valores lógicos
Figura 1.2. Las señales analógicas toman valores continuos de amplitudes. Las señales digitales toman unas pocas amplitudes discretas.
Sistemas analógicos y sistemas digitales
Las señales portadoras de información pueden ser analógicas o digitales.
Las señales portadoras de información pueden ser analógicas o digitales. Una señal analógica toma un margen continuo de valores de amplitud. En la Figura 1.2 (a) se muestra la amplitud de una señal analógica típica en función del tiempo. Es preciso observar que, con el transcurso del tiempo, la amplitud de la señal varía en un margen continuo. Por el contrario, una señal digital toma un número finito de amplitudes. Mu- chas veces, las señales digitales son binarias (es decir, sólo existen dos amplitudes posibles), aunque a veces sea útil disponer de más niveles. Con frecuencia, las señales digitales cambian de amplitud únicamente en instantes de tiempo espaciados unifor- memente. En la Figura 1.2 (b), se muestra un ejemplo de una señal digital. Las señales que presenta un transductor a la entrada de un sistema electrónico suelen estar en formato analógico. Un transductor es un dispositivo que convierte cualquier tipo de energía en electricidad, o viceversa como en el caso de los sonidos convertidos en señales eléctricas mediante un micrófono, las señales de televisión, las vibraciones sísmicas, la salida de un transductor de temperatura en una turbina de va- por, etc. Otras señales, como la salida del teclado de una computadora, se originan en formato digital.
Conversión de señales de formato analógico a digital
Se pueden convertir las señales analógicas al formato digital siguiendo un proceso de dos pasos. Primero se realiza un muestreo (es decir, se mide) la señal analógica en instantes de tiempo periódicos. Luego se asigna una palabra de código para represen- tar el valor aproximado de cada muestra. Las palabras de código suelen consistir en símbolos binarios. Este proceso se ilustra en la Figura 1.3. Cada valor de muestra está representado por un código de 3 bits correspondiente a la zona de amplitud a la que pertenece la muestra. Por tanto, cada valor del muestreo se convierte en un código que se puede representar mediante una forma de onda digital, como se muestra en la figura. El circuito para convertir señales de esta manera se denomina ADC (Analog-to-Digital Converter, convertidor analógico-digital ). El DAC (Digital-to-Analog Converter, con- vertidor digital-analógico ) convierte señales digitales al formato analógico (más ade- lante se describirá el diseño de ambos tipos de convertidores). La frecuencia de muestreo necesaria para una señal depende del contenido de fre- cuencias de la misma. (Se puede considerar que las señales consisten en componentes senoidales de varias frecuencias, amplitudes y fases. El análisis de Fourier es una rama de las matemáticas que estudia esta forma de representar las señales. Sin duda, el
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1 1 1
1 1 0
1 0 1
1 0 0
0 1 1
0 1 0
0 0 1
0 0 0
1
Amplitud Palabras de código de tres bits Valores de muestra
Señal digital que representa bits de código sucesivos
0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0
t
Señal analógica
t
∆
Figura 1.3. Conversión de una señal analógica en un equivalente digital aproximado median- te muestreo. Cada valor de muestra viene representado por un código de 3 bits. Los convertidores reales utilizan palabras de código más largas.
lector habrá estudiado, o estudiará, asignaturas que traten de la teoría de Fourier. (Consideraremos el contenido de frecuencias de las señales más adelante en este capí- tulo, pero sin una base matemática rigurosa). Si una señal no contiene componentes con frecuencias mayores que f (^) H , es posible reconstruirla íntegramente a partir de sus muestras si la frecuencia de muestreo seleccionada es mayor que el doble de f (^) H. Por ejemplo, la frecuencia más alta de las señales de sonido es aproximadamente 15 kHz. Por tanto, la frecuencia de muestreo mínima que se debería utilizar para las señales de sonido será de 30 kHz. En la pr´actica se debería utilizar una frecuencia de muestreo algo mayor que el mínimo teórico. Por ejemplo, la tecnología del disco compacto de sonido convierte señales de audio al formato digital con una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz. Lógicamente, es preferible utilizar la frecuencia de muestreo práctica más baja posible, para minimizar la cantidad de información (en forma de palabras de có- digo) que es preciso guardar o manipular. Si una señal no contiene componentes con frecuencias mayores de fH , podrá ser reconstruida a partir de sus muestras si se selecciona una frecuencia de muestreo mayor que el doble de f (^) H.
Otra consideración importante al convertir señales analógicas en señales digitales es el número de zonas de amplitud que se utilizarán. No se pueden representar ampli- tudes de señales exactas porque todas las amplitudes contenidas en una zona determi- nada tienen el mismo código. Por tanto, cuando un DAC convierte los códigos para establecer la forma de onda analógica original, sólo es posible reconstruir una aproxi- mación de la señal original y la tensión reconstruida estará en el centro de cada zona, como se ilustra en la Figura 1.4. En consecuencia existe un error de cuantificación entre la señal original y la reconstrucción. Se puede reducir este error utilizando un mayor número de zonas, lo cual requiere una palabra de código más larga para cada muestra. El número N de zonas de amplitud está relacionado con el número k de bits en una palabra de código de la siguiente manera:
N % 2 k^ (1.1)
Capítulo 1. Introducción 5
(a) Señal analógica
(c) Señal analógica con ruido
(b) Señal digital
1 0 1 1
1 0 1 1
(d) Señal digital con ruido
t t
t (^) t
Figura 1.5. Es posible determinar las amplitudes originales de una señal digital después de añadir ruido. Esto no es posible para una señal analógica.
En general, los sistemas analógicos requieren menos componentes de circuito indi- viduales que los sistemas digitales. En los primeros años de la electrónica, se fabrica- ban los componentes de circuito individuales de manera separada, y luego se conecta- ban manualmente. Estos circuitos se denominan circuitos discretos. La mayoría de los sistemas antiguos se diseñaban como sistemas analógicos (para minimizar el nú- mero de componentes), porque el coste de un circuito discreto es proporcional al nú- mero de elementos de circuito. Los procesadores de las computadoras modernas contienen más de 10 millones de componentes.
La tecnología moderna ha hecho posible fabricar miles de componentes de circuito y sus interconexiones al mismo tiempo, mediante unos pocos pasos de procesamiento. Los circuitos fabricados de esta manera se denominan circuitos integrados (CI). Ahora es posible fabricar un circuito con 100.000 componentes con casi el mismo coste nece- sario para fabricar un circuito con sólo 10 componentes similares. Por tanto, el coste de un circuito no aumentaría en proporción al número de componentes, supuesto que todos los componentes puedan ser utilizados en la fabricación de circuitos integrados. Suele ser más fácil implementar circuitod digitales que circuitos analógicos utilizando técnicas de circuitos integrados.
Es más sencillo implementar circuitos digitales que circuitos analógicos mediante técnicas de circuitos integrados. Los circuitos analógicos suelen requerir resistencias, capacidades e inductancias grandes que no es posible fabricar utilizando dichas técni- cas. Por tanto, aunque los sistemas digitales suelen ser más complejos que los analógi- cos, la aproximación digital a un diseño suele resultar en un sistema más económico y de mayores prestaciones. Con el desarrollo de la tecnología de los circuitos integrados, la tendencia de la industria de la electrónica se ha inclinado hacia los sistemas digita- les de altas prestaciones. La comparación de un disco compacto digital con el antiguo disco de vinilo o cinta analógica muestra esta tendencia, así como la mejora en presta- ciones que puede conseguirse gracias a este método. Los sistemas digitales son más adaptables a una gran variedad de funciones que los sistemas analógicos.
Además, los sistemas digitales son más adaptables a una gran variedad de funcio- nes que los sistemas analógicos. Por ejemplo, se pueden utilizar los computadores di- gitales para llevar a cabo muchas tareas. Un sistema de comunicaciones analógico di- señado para transportar una serie de señales de voz no es fácilmente adaptable a una señal de televisión o a datos de carácter informático. Por el contrario, cuando se utili-
Capítulo 1. Introducción 7
zan técnicas digitales, es posible obtener un sistema que pueda comunicar señales di- gitalizadas procedentes de varias fuentes. Muchas de las señales de entrada y salida de los sistemas electrónicos son analógi- cas. Además, muchas funciones (en particular las que tratan con amplitudes de señal bajas o frecuencias muy altas) requieren una aproximación analógica. La disponibi- lidad de circuitos digitales complejos ha incrementado la cantidad de circuitos elec- trónicos analógicos porque muchos sistemas modernos contienen partes digitales y analógicas, pero no serían factibles como sistemas completamente digitales o com- pletamente analógicos. Por tanto, cabe esperar que los sistemas del futuro sigan te- niendo tanto elementos analógicos como digitales. En cualquier caso, en el nivel de circuito, que es el objetivo principal de este libro, las consideraciones de diseño de los dos tipos de sistema son similares.
1.2. EL PROCESO DE DISEÑO
En esta sección se proporciona una descripción general de los pasos requeridos para la creación de sistemas electrónicos complejos. A veces, es necesario un gran equipo de ingenieros (cientos o miles) para completar los pasos entre el enunciado de un proble- ma y un sistema funcional. Habitualmente, sólo una parte del sistema está formada por circuitos electrónicos y se requiere experiencia en muchos otros campos. En este libro, el principal interés est´a centrado en el diseño de circuitos, aunque siempre es impor- tante para los diseñadores de circuitos considerar cómo encaja su trabajo en el proceso global de diseño de un sistema.
Diseño de sistemas
En la Figura 1.6 se muestra un diagrama de flujo del proceso de diseño de los sistemas electrónicos. El proceso comienza con el enunciado de un problema que se desea re- solver. Por ejemplo, es posible que se desee diseñar un sistema que proporcione infor- mación a los barcos y aviones sobre su posición. El primer paso es desarrollar las especificaciones detalladas del sistema. Éstas in- cluyen, generalmente, elementos tales como el tamaño, peso, forma, consumo de ener- gía, tipo de fuentes de energía que hay que utilizar y coste aceptable del sistema. Otras especificaciones se aplican a clases particulares de sistemas. Por ejemplo, en un siste- ma de comunicaciones será preciso conocer el tipo de señales que serán transmitidas, el ancho de banda total necesario para las señales analógicas, la tasa de información para las señales digitales, la relación señal/ruido mínima aceptable en el destino para las señales analógicas, la probabilidad máxima aceptable de error para la transmisión de datos, el número y ubicación de transmisores y receptores, etc. El diseño es un proceso iterativo.
El diseño es un proceso iterativo. A medida que progresa un diseño, puede ser nece- sario retroceder al paso de especificación del sistema para refinar las especificaciones. Suelen surgir cuestiones durante el proceso de diseño que no se anticiparon al comienzo. A veces, es necesario presentar las opciones al usuario del sistema final para obtener su opinión en cuanto al establecimiento de especificaciones adicionales. Por otro lado, es Los diseñadores de sistemas desarrollan varias aproximaciones generales, mediante un proceso que no está bien definido ni es fácilmente explicable.
posible que los diseñadores sean capaces de determinar las especificaciones adicionales apropiadas, a partir de su conocimiento del propósito del sistema. Una vez determinados los requisitos del sistema, los ingenieros de diseño de siste- mas considerarán todas las aproximaciones que puedan imaginar para resolver el proble- ma. En este paso es importante la creatividad. En los capítulos posteriores se incluyen problemas de diseño para los cuales es necesaria una cierta creatividad. Afortunada-
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