Prácticas de Electrónica Analógica

Prácticas de Electrónica Analógica*
* Dr. JUAN M. GOMBA - Investigador Asistente de CONICET - Instituto de Fı́sica Arroyo
Seco - UNCPBA
1
Índice
1. Conducción eléctrica
4
2. Conductores
4
3. Dispositivos Semiconductores
3.1. Diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. Potencia máxima de salida . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
6
7
12
4. Conversor Digital-Analógico
12
4.1. Red R-2R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5. Guı́a 1
15
6. Guı́a 2: Laboratorio
17
7. Guı́a 3
19
8. Material de Consulta
21
2
El objetivo fundamental de este texto es brindar a los alumnos elementos de
electrónica analógica que les permitan comprender cómo funcionan las compuertas lógicas utilizadas en el curso. Los contenidos pertenecen al espacio curricular
Electrónica Digital, materia del segundo año de la carrera Ingenierı́a en Sistemas
de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires.
Los alumnos han cursado Electricidad y Magnetismo y no poseen conocimientos sobre semiconductores. Las clases prácticas consisten en cuatro encuentros de dos horas cada una. La mitad del tiempo se dedica a la resolución de
problemas y la otra mitad al armado de circuitos. Dada la escasa disponibilidad
de tiempo, el siguiente material no busca hacer hincapié en aspectos teóricos que
pueden encontrarse ampliamente en la bibliografı́a, sino que pretende1 ofrecer
aspectos eminentemente prácticos.
Agradezco las sugerencias y aportes realizadas por el Ing. José Marone, que
permitieron mejorar el contenido de las Guı́as de problemas.
1y
probablemente no logre.
3
1.
Conducción eléctrica
Para poder entender los fenómenos de conductibilidad eléctrica se recurre al
concepto de niveles y bandas de energı́a. Las energı́as permitidas para los electrones dependen de la distancia interatómica. En un átomo aislado, los electrones
pueden tener sólo ciertas cantidades discretas de energı́a, como se muestra en
la Fig. 1. Cuando se tiene un conglomerado de átomos cercanos entre sı́ de manera tal que el conjunto conforma un cristal, la energı́a puede tomar cualquier
valor dentro de ciertos intervalos permitidos (denominados bandas). Los electrones ‘llenan’ las bandas de menor energı́a. La última banda completa de
electrones se denomina banda de valencia (BV) y la inmediata superior banda
de conducción (BC).
Figura 1: Estructura de las bandas de energı́a para un cristal de carbono (diamante) y uno de silicio. Las zonas grises indican las zonas de energı́as permitidas.
Para una distancia interatómica r > 0, 9 nm, se observan los niveles discretos
de energı́a (átomo aislado).
Las caracterı́sticas eléctricas dependen de la facilidad con la que los electrones pueden alcanzar la BC. Si la BC posee al menos un electrón (y por
definición no está completa), o si las bandas BV y BC están solapadas estamos
en presencia de un conductor (ver Fig.2). Si la banda de conducción está vacı́a,
la conductibilidad dependerá de la diferencia entre el lı́mite superior de la BV
y el inferior de la BC: en un diamante esta diferencia es de 5, 3 eV (aislante), y
en un cristal de silicio es de 1, 14 eV (semiconductor )(Ver Fig. 1).
2.
Conductores
La relación tensión-corriente en una resistencia viene dada por la ley de
Ohm:
V = IR
(1)
4
Figura 2: Estructura de bandas de un conductor: a) La BC posee algunos electrones responsables de la conductividad. b) Las BC y BV están solapadas.
donde V es la diferencia de potencial aplicada e I es la corriente que circula por
la resistencia. Para un conductor cilı́ndrico, la resistencia R viene dada por
R = ρL/A
(2)
donde L es la longitud de la resistencia, A es el área transversal a la dirección
de la corriente y ρ es la resistividad, una cantidad que depende del material de
la resistencia. A modo de ejemplo, el Cobre a temperatura ambiente posee una
resistividad de 1, 7 10−6 Ω cm.
3.
Dispositivos Semiconductores
La resistividad de los semiconductores se encuentra entre la de los aislantes
y la de los metales. El germanio (Ge) y el silicio (Si) son los semiconductores
más frecuentemente utilizados en la fabricación de diodos y transistores. Ambos
átomos, cuando están aislados, poseen cuatro electrones en su última capa de
energı́a, es decir, son tetravalentes.
Si consideramos un material semiconductor puro (semiconductor intrı́nseco)
a una temperatura de cero grados Kelvin, los electrones de la red ocuparán
todos los estados de energı́a posibles dentro de la BV. De esta manera, al no
quedar estados libres dentro de esta banda, y al verse imposibilitados de pasar
a la banda de conducción donde sı́ hay estado libres, el material se comporta
como un aislante. Si se incrementa la temperatura, algunos electrones tendrán
una probabilidad no nula (la distribución de probabilidad que corresponde es la
de Fermi-Dirac) de pasar a la BC y de esa manera podrá conducir.
Consideremos ahora un semiconductor puro tetravalente, como los que mencionamos previamente, al que se le agrega una pequeña dosis de átomos (impurezas) de átomos pentavalentes (por ejemplo Fósforo). A este tipo de materiales
los denominaremos tipo n. La estructura de bandas se modifica, apareciendo un
nivel de energı́a en la banda prohibida muy cercano a la banda de conducción.
Un electrón que ocupa este nivel de energı́a fácilmente puede saltar a la banda
de conducción.
5
De la misma manera, podemos ahora considerar un semiconductor puro tetravalente al que se le agrega una pequeña dosis de átomos (impurezas) de
átomos tetravalentes (por ejemplo Boro). A este tipo de materiales los denominaremos tipo p. La estructura de bandas se modifica, apareciendo un nuevo
nivel de energı́a en la banda prohibida muy cercano a la banda de valencia. Con
alta probabilidad, un electrón en la banda de valencia puede ocupar ese estado
en la banda prohibida, dejando un estado libre en la BV. Ahora, los electrones
en la BV cuentan con un estado libre que hace posible la conducción.
3.1.
Diodos
Un diodo es un dispositivo no lineal de dos terminales. Posee la propiedad de
conducir corriente en un solo sentido (corriente directa). Está fabricado sobre
una pastilla semiconductora a la cual se le agregan impurezas para formar un
ánodo tipo p y un cátodo tipo n (ver Fig. 3).
Figura 3: Esquema de un diodo y su correspondiente sı́mbolo circuital.
La corriente I que atraviesa un diodo cuando se le aplica una diferencia de
potencial V , viene dada por
I = I0 (exp(V /(ηVT ) − 1)
(3)
donde I0 es la corriente inversa de saturación y η es una constante que depende
del material (η = 2 para el silicio y η = 1 para el germanio). VT es el equivalente
en tensión de la temperatura y viene dado por
VT = k̄T /q
(4)
donde k̄ = 1,38 × 10−23 J/K es la constante de Boltzmann y q = 1, 6 × 10−19 C
es la carga eléctrica del electrón.
La curva caracterı́stica de un diodo se muestra en la Fig. 4. Cuando el potencial aplicado en el ánodo es mayor que el del cátodo, diremos que el diodo
está polarizado en directa. Nótese que a partir de una dada diferencia de potencial aplicada Vγ , el diodo comienza a conducir. Para un diodo de silicio,
6
Figura 4: Curva caracterı́stica del diodo. La diferencia de potencial V aplicada
se refiere al potencial en el ánodo respecto del cátodo.
Vγ = 0, 6V y para uno de germanio Vγ = 0, 2V . Cuando el potencial del ánodo
es inferior al del cátodo (polarización inversa), la corriente que circula es despreciable e igual a I0 : a los fines prácticos diremos que el diodo no conduce en
este estado. En la figura se aprecia la tensión de ruptura inversa para la cual el
diodo se destruye2 .
3.2.
Transistor
El transistor bipolar de juntura (BJT) es un dispositivo semiconductor de
tres terminales construido como dos uniones PN similares a las del diodo. Existen dos clases de transistores de acuerdo a como esté construido: NPN y PNP.
La Fig. 5 muestra el esquema de los transistores y su simbologı́a.
Figura 5: Transistores NPN y PNP. Se indican el nombre de las terminales : base
(B), colector (C) y emisor (E). Nótese que la dirección de la flecha identifica el
tipo de transistor.
A diferencia de lo que sucede en el diodo, en donde existe una relación unı́voca entre la corriente que circula por el dispositivo y la diferencia de potencial, el
2 Los
diodos Zener funcionan en el régimen de ruptura, pero no serán tratados aquı́.
7
transistor posee tres parámetros a variar cuando se desea caracterizar su salida:
la corriente de base Ib , la de colector Ic , y la tensión colector-emisor Vce 3 . El
fabricante proporciona un gráfico con las curvas caracterı́sticas de salida como
la que se muestra en la Fig.6. Para obtener dichas curvas se sigue el siguiente
procedimiento: se fija una corriente de base, por ejemplo Ib = 0 mA, y se grafica
Ic a medida que se aumenta la tensión Vce desde 0 hasta cierto valor (20 V en
este ejemplo). El proceso se repite para diferentes valores de Ib . A la izquierda
de cada curva aparece el valor de Ib correspondiente.
Figura 6: Curvas caracterı́sticas de salida de un transistor NPN. Sobre cada
curva se coloca el valor de la corriente de base Ib correspondiente
Para comprender cómo funciona un transistor en un circuito, se analiza
qué sucede cuando se coloca una carga Rc a su salida, como se muestra en
la Fig. 7.
Figura 7: Transistor polarizado en configuración común (el emisor es común a
los circuitos de entrada y salida)
Las variables Ic y Vce pueden relacionarse utilizando la ley de Kirchoff. Matemáticamente:
Vcc = Ic Rc + Vce
(5)
3V
ce
es la diferencia de potencial entre el colector y el emisor, Vce ≡ Vcolector − Vemisor
8
de donde
Ic = (Vcc − Vcc )/Rc
(6)
Se puede trazar esta relación sobre las curvas caracterı́sticas de salida. Dado
que la Ec. 6 es una relación lineal entre Ic y Vce , dos puntos son suficientes para
determinarla, por ejemplo, en las intersecciones con los ejes: (Ic = 0; Vce = Vcc )
e (Ic = Vcc /Rc ; Vce = 0). La lı́nea resultante es habitualmente denominada recta
de carga. Para poder trazar una recta sobre las curvas caracterı́sticas de la Fig.
6, elegiremos a modo de ejemplo valores particulares para Vcc = 15 V y Rc = 1, 5
KΩ. Los puntos de intersección con los ejes vienen dados por (Ic = 0; Vce = 15
V) e (Ic = 10 mA;Vce = 0). Las curvas caracterı́sticas y la recta de carga están
trazadas en la Fig. 8.
Figura 8: Curvas caracterı́sticas de salida de un transistor y recta de carga para
Vcc = 15 V y Rc = 1, 5 KΩ.
Nótese que una vez trazada la recta de carga, Ic y Vce quedan determinadas
si se conoce IB . Por ejemplo, si Ib = 50 µA, Ic = 3, 75 mA y Vce = 10 V ;
si Ib = 150 µA, Ic = 7, 5 mA y Vce = 3, 75 V . El par (Ic ; Vce ) se denomina
punto de trabajo. Como siempre debe cumplirse la ley de Kirchoff, éste punto
se encuentra sobre la recta de carga. Esta posibilidad de controlar Ic mediante
Ib es frecuentemente utilizada para plantear una analogı́a entre un transistor y
un grifo: el caudal de agua (Ic ) es controlado por la apertura de una llave(Ib ).
Es fácil analizar ahora que sucederá al variar la tensión de entrada Vbb : si
Vbb = 0, entonces Ib ≈ 0. El punto de trabajo es el que intercepta la recta de
carga con la caracterı́stica Ib = 0. En ese caso la tensión Vce ≈ Vcc e Ic = 0.
Dado que no circula corriente por el colector, a estado se lo denomina corte.
A medida que se aumenta Vbb , aumentará también Ib . El punto de trabajo se
desplazará entonces sobre la recta de carga. Obsérvese que un aumento de Ib
implica un incremento proporcional de Ic . Matemáticamente
Ic = βIb
(7)
donde β es un factor de amplificación sin dimensiones que, dependiendo del
transistor, puede ir desde algunas decenas hasta algo más de mil. Esta zona de
9
trabajo se la denomina activa. La Ec. 7 deja de ser cierta cuando alcanzamos
la región de saturación: nótese que a partir de cierto valor de Ib (para nuestro
ejemplo Ib = 300 µA) un aumento de Ib no implica un aumento correspondiente
de Ic . Por lo tanto puede asegurarse que se ha alcanzado el estado de saturación
cuando
Ic < βIb
(8)
En saturación Vce es muy cercano al cero, tı́picamente Vce = 0, 1V .
Las tres zonas de trabajo del transistor pueden ser discriminadas según la
polarización de las junturas base-colector (BC) base-emisor (BE):
En la zona de corte, ambas junturas están polarizados inversamente,
En activa, la juntura BE está en directa y la BC permanece en inversa
En la zona de saturación ambas junturas están polarizadas en forma directa.
Esta información se resume en el cuadro 1. En electrónica digital se trabaja
conmutando entre el corte y la saturación.
Corte
Activa
Saturación
BE
I
D
D
BC
I
I
D
Cuadro 1: Polarizaciones de las junturas base-emisor (BE) y base-colector (BC).
I: Polarización Inversa - D: Polarización Directa.
El dispositivo descrito anteriormente es la configuración más simple de una
compuerta inversora: al aplicar un potencial alto en la entrada, de manera de
obtener una corriente de base que sature al transistor(Ib > 300 µA en nuestro
ejemplo), la diferencia de potencial Vce (salida) es cercana a 0V . Es decir, se
aplica un 1 lógico e n la entrada y se obtiene un 0 a la salida. Inversamente,
si se aplica una tensión nula en la entrada, la corriente de base será nula y la
tensión de salida (Vce ) será prácticamente Vcc : se aplica un 0 lógico y se obtiene
un 1.
Ejemplo 1: Indique en qué zona está trabajando el transistor de la Fig.7 si
Rb = 43 KΩ, Rc = 500 Ω, Vcc = 10 V , Vbb = 5 V y β = 100.
Nótese que en este caso, el transistor no puede estar en corte, porque evidentemente la tensión en la base es mayor que en el emisor. Quedan entonces dos
posibilidades, que esté trabajando en la zona activa o que esté en saturación.
El primer método de resolución que desarrollaremos aquı́ se basa en suponer a
priori que el transistor está en la zona activa y determinar cual es el signo de
la diferencia de potencial Vcb entre el colector y la base. Bajo esta hipótesis es
válido asumir que
Ic = βIb
Vbe = 0,7V por ser una juntura en directa.
10
El objetivo es conocer cuál es la polarización de la juntura BC para determinar si está polarizada en directa o en inversa, y ası́ saber si el transistor se
encuentra saturado o en la zona activa, respectivamente. Las tensiones en la
malla de entrada satisfacen la siguiente relación:
5V = Ib Rb + Vbe
(9)
de donde Ib = 0, 1mA. Luego, se estima la corriente de colector utilizando
la Eq.7, obteniendo Ic = 10mA. Se plantea la malla de salida
10V = Ic Rc + Vcb + Vbe
(10)
y resulta Vcb = 1, 3V . Como Vcb > 0, la tensión del colector es mayor que
la tensión de la base y por lo tanto la juntura está en inversa debido a que el
transistor es NPN. Se concluye entonces que el transistor está trabajando en la
zona activa.
Ejemplo 2: Se puede resolver el mismo ejercicio anterior suponiendo que el
transistor está saturado. En ese caso se asume que
Vce ≈ 0,1V (ver curvas caracterı́sticas, en saturación la tensión es cercana
a cero)
Vbe ≈ 0,7V
Se calcularán las corrientes Ib e Ic . Si se cumple la desigualdad (8) se
podrá asegurar que el transistor está saturado.
La corriente de base ya ha sido calculada en el ejemplo anterior (Ib = 0, 1
mA). La segunda malla puede plantearse de la siguiente forma
10V = Ic Rc + Vce
(11)
donde se ha considerado directamente el salto del potencial Vce (comparar con
la Ec. (10)). La corriente de colector resultante es Ic = 19, 8 mA. Como es
de esperarse, la desigualdad (8) no se satisface y por lo tanto el transistor no
está saturado.
11
3.2.1.
Potencia máxima de salida
El fabricante suele ofrecer una cartilla técnica con la corriente y potencia
máxima de salida que soporta el transistor, Imax y Pmax , respectivamente. Si se
superan estas cantidades el dispositivo se destruirá, y por lo tanto debe tenerse
muy en cuenta al momento de diseñar un circuito. En particular, la potencia de
salida de un transistor viene dada por el producto
P = Ic Vce
(12)
Si se fija P = Pmax y se grafica esta relación hiperbólica sobre las curvas
caracterı́sticas de salida del transistor, la recta de carga no debe intersecarse
con esta hipérbola, a menos que se desee destruir el dispositivo (ver Fig. 9).
30
PMAX = 60 mW
Ic [mA]
20
37.5 mW
10
25 mW
0
0
10
5
15
VCE [V]
Figura 9: Potencia máxima de salida. Se muestran las curvas correspondientes
para Pmax = 25, 37,5 y 60 mW: esta última es entonces una potencia adecuada
dado que la recta de carga no debe intersecar la curva de potencia máxima.
4.
Conversor Digital-Analógico
Entre los dispositivos más ampliamente utilizados en electrónica digital podemos mencionar a los convertidores Digital/Analógico (D/A). Como su nombre
lo indica, el dispositivo tiene como misión transformar una expresión o información binaria a valores analógicos equivalentes. Es posible configurar un conversor que posea estas caracterı́sticas con el simple uso de resistencias, como por
ejemplo, el denominado red R − 2R. Otra implementación posible es la red de
resistencias ponderadas, que se propone como experiencia en la guı́a 2.
4.1.
Red R-2R
La Figura 10 muestra un conversor R − 2R de tres entradas. La tensión de
salida Vs en función de sus entradas puede obtenerse mediante el uso de la leyes
12
Figura 10: Esquema de un conversor digital - analógico R-2R de tres entradas.
de Kirchoff:
i2
i3
= −i1 + i3
= −i0 + i4
(13)
(14)
Las corrientes pueden ser inferidas a partir de la ley de Ohm:
i0
=
i1
=
i3
=
i4
=
E0 − V 0
2R
E1 − V 1
2R
V1 − V0
R
V0
2R
(15)
(16)
(17)
(18)
La corriente i2 puede ser escrita de diversas formas:
i2
=
i2
=
i2
=
E2 − V s
2R
Vs − V1
R
E2 − V 1
3R
(19)
(20)
(21)
(22)
Reemplazando i1 (Ec. (16)), i2 (Ec. (19)) e i3 (Ec. (17)) en la Ec. (13) se
obtiene
E2 − Vs + E1 = 3V1 − 2V0
13
(23)
mientras que reemplazando i3 (Ec. (17)), i0 (Ec. (15)) e i4 (Ec. (18)) en la Ec.
(14) se obtiene
4V0 = 2V1 + E0
(24)
De las Ec. (23) y (24) podemos eliminar V0 y despejar entonces V1 en función
de las tensiones de entrada y salida, resultando
V1 = (E2 + E1 + E0 /2 − Vs )/2
(25)
Por otra parte, es fácil ver que de las Ec. (20) y (21) puede despejarse V1 ,
obteniéndose
V1 = (3Vs − E2 )/2
(26)
Finalmente de las dos últimas ecuaciones puede eliminarse V1 y despejar la
tensión Vs como
4E2 + 2E1 + E0
(27)
8
Es posible generalizar este resultado para un número n de entradas, resultando
Vs =
Vs =
2n−1 En + ... + 2E1 + E0
2n
14
(28)
Guı́as de Problemas
5.
Guı́a 1
1. Dispositivos lineales versus no lineales. Grafique cómo varı́a la corriente
entre bornes de una resistencia y un diodo, al variar la tensión desde
−1V a 1V con un paso ∆V = 0,2V . Para realizar los gráficos emplee
la relación teórica corrrespondiente presentada en las clases teóricas (la
Figura 11 muestra el esquema del circuito que debiera emplearse si se
deseara realizar una medición experimental). Polarice el diodo en forma
inversa cuando sea necesario. La resistencia es de 1 KΩ. El diodo es de
silicio (Si), y su corriente inversa de saturación es de 1 nA (η = 2).
Describa las diferencias encontradas. Considere que la temperatura de
trabajo es la normal del ambiente (300K).
Figura 11: Circuitos para registrar la variación de la tensión y la corriente en
una resistencia (izquierda) y en un diodo (derecha). Con la letra A se indica un
amperı́metro y con la letra V un voltı́metro.
2. Proponga y calcule una configuración para alimentar a un diodo emisor de
luz (LED) con una fuente de 5V , considerando que la tensión requerida
entre bornes del LED es de 1, 8V para una corriente de 4mA. Para el
circuito resultante determine el gráfico de la recta de carga y en el mismo
indique el punto de trabajo del diodo.
3.
a) Determinar en qué región (corte, activa, saturación) se encuentra
el transistor de la Figura 12. Considere un transistor de silicio de
β = 100.
b) Sin hacer ningún cálculo, estime qué sucederá si se aumenta la corriente de base. Luego repita el análisis del circuito anterior, cambiando la resistencia de base por una de 50 KΩ.
c) Ídem a los incisos a) y b), pero añadiendo una resistencia de 2 KΩ
al emisor.
15
Figura 12: Transistor polarizado.
4. A partir de las caracterı́sticas del transistor BC547, hallar los valores de
las resistencias Rc y Rb para que el circuito de la Figura 13 funcione como
una compuerta inversora. Se requiere una corriente de colector de 50 mA.
La tensión de alimentación y del nivel lógico es de 5V . Verifique que el
rango de trabajo se encuentre bajo la lı́nea de potencia máxima.
Figura 13: Determine los valores de Rc y Rb para que el transistor funcione
en conmutación. A la derecha se muestra un esquema del transistor BC547.
Datos: NPN, Pmax = 250 mW , Icmax = 100 mA, hF E (β) = 100.
5.
a) Si al circuito de la Figura 13 se le intercala un LED entre el nodo del
colector y la resistencia Rc, calcule cuales deben ser los valores de Rc
y Rb para que el circuito continúe funcionando como un conmutador.
Se requiere ic = 40 mA y una caı́da de tensión en el LED de 1,8 V .
b) ¿El LED encenderá cuando a la entrada tengamos un 1 ó un 0 lógico?
¿Por qué?
6.
a) Diseñe un conversor digital-analógico de tres bits utilizando una red
de resistencias ponderadas, considerando que la tensión de salida varia de 0 a V . Deducir la función tensión de salida analógica.
b) ¿Cuál es el valor incremental (resolución) en la tensión de salida?
16
6.
Guı́a 2: Laboratorio
1. Utilizando un multı́metro, halle los parámetros caracterı́sticos de los siguientes elementos.
Resistencias
Diodos (Tensión umbral )
Leds (Tensión umbral )
Transistores (Factor β)
Baterı́as (Tensión)
2. Sobre la base del ejercicio 2 del práctico 1, arme el circuito y compare las
tensiones y corriente que circula con los valores calculados. ¿El punto de
trabajo es el mismo que el calculado?. ¿Por qué?.
Teórico
Experimental
Vd (polarizado)
Id
Rd
3.
a) Con el transistor BC547 que le será entregado debe armar una compuerta inversora como la que se muestra en la Figura 13. Mida los
parámetros del transistor que considere necesarios. Luego de calcular
y diseñar el circuito solicite el resto de los elementos que necesite.
b) Una vez armado, verifique que funcione correctamente. Registre las
tensiones de entrada y salida, como ası́ también las VBE , VBC y
VCE . Concluya si efectivamente se han alcanzado oportunamente los
estados de corte y saturación.
4.
a) Incorpore al circuito anterior un LED de la misma forma en que se
indica en el ejercicio 5 del práctico 1. Verifique que funcione correctamente. ¿Se condicen estos resultados con el funcionamiento previsto
en el inciso b) del ejercicio mencionado?.
b) Es interesante ver que si adicionamos un elemento en serie a la resistencia de base, la intensidad de la luz emitida por el LED varı́a.
Compruébelo intercalando diferentes materiales en serie con esta resistencia y luego explique la razón de este comportamiento usando
un gráfico que muestre la recta de carga y las caracterı́sticas de salida
de un transistor.
5. Conversor Digital- Analógico + Divisor de Tensión: Se requiere un dispositivo que convierta una señal digital de 2 bits en una salida analógica, de
acuerdo al siguiente cuadro:
17
Entrada Digital
00
01
10
11
Salida Digital
0V
1V
2V
3V
Diseñe y construya el dispositivo utilizando una red de resistencias ponderadas. Nota: El nivel lógico es de 3V y se dispone de una fuente de
5V .
6. Resistencias en modo PULL-UP / PULL-DOWN
Descripción Las resistencias de tipo pull-up y pull-down, se utilizan para
definir valores de tensión en ciertos puntos de un circuito y evitar los
valores inciertos comúnmente en las entradas de un componente. El valor
de la resistencia debe ser suficientemente alto como para que el puerto de
lectura pueda asumir los valores de intensidad que se establecen. Veamos
un ejemplo: Supongamos que tenemos un registro de desplazamiento como
el de la siguiente figura
Consideremos, incialmente, que ninguna de las resistencias pull-up o pulldown se encuentra conectada. Como es de esperar el valor en el registro
es incierto luego de cierto número de pasos. Este tipo de condiciones en
electrónica digital son inaceptables. Para evitar estas incertezas se utilizan
resistencias en modo pull-up y pull-down para fijar un valor de tensión
deseado, como se muestra en la figura anterior (se debe conectar una u
otra resistencia, no ambas a la vez).
Teniendo en cuenta esta breve descripción, resuelva los siguientes items
a) Suponga que existen dos módulos sumadores de 4 bits como los de
la figura, como conectarı́a la señal CIN para que funcionen correctamente por separado y a su vez puedan acoplarse para formar uno de
8 bits.
b) Diseñe un circuito de N entradas y una salida (que pueden estar
conectadas o no), el cual al detectar un ”1” lógico en alguna de las
entradas ponga en alto su salida.
18
7.
Guı́a 3
1. Para cada una de las siguientes compuertas, explique cualitativamente el
funcionamiento del circuito y complete una tabla con los valores lógicos
de entrada y salida. Señale las resistencias Pull-Up y Pull-Down
a)
b) R2 >> R1
c)
d)
e)
2. Se requiere el diseño de un sistema que convierta la entrada digital (2
dı́gitos binarios) en una salida luminosa que consiste en una seria de 3
LED, como se muestra en la figura.
19
3. Un dispositivo A mide el nivel de aceite de una máquina industrial y entrega la lectura en un número binario de 4 dı́gitos. Se requiere el diseño de
un dispositivo B, cuya entrada sea la salida de A, que alerte encendiendo
un led amarillo cuando la entrada es mayor o igual a 4, y uno rojo cuando
es mayor o igual a 9. La entrada al dispositivo es un binario de 4 dı́gitos.
Diseñar el circuito lógico e implementar cada una de las compuertas.
20
8.
Material de Consulta
Referencias
[1] J. Millman. Electrónica; fundamentos y aplicaciones. Hispano-Europea, Barcelona, 1979. Solicitarlo por: 621.38. M653-2. Disponible en acceso directo.
[2] Santiago Olvera Peralta. Electrónica Analógica. Paraninfo, Madrid, 1999.
Solicitarlo por: 621.38. OL52. Disponible en acceso directo.
[3] M. Alonso y E. Finn. Fı́sica. Fondo Educativo Interamericano, Bogotá,
1971. Solicitarlo por: 530, AL454,3. Disponible en mostrador.
21