Fundamentos de circuitos eléctricos

1.1. Corriente alterna y corriente directa 

 Corriente eléctrica 

Es un flujo ordenado de electrones que atraviesa un material moviéndose en una misma dirección conforme saltan de un átomo a otro átomo. Para lograr este movimiento de electrones, es necesaria una diferencia de potencial eléctrico, generada habitualmente por una fuente de tensión. 

Corriente directa 

La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en las baterías, las dinamos o en cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica. Aunque comúnmente se identifica la corriente continúa con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es corriente continua toda aquella que mantenga siempre la misma polaridad. 

Corriente Alterna 

Corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclica mente. Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de Alternating Current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclica mente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada. Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente.

1.1.. Generación de corriente en CA y CD 

El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme. El movimiento de rotación de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central h idroeléctrica, o por unchorro de vapor en una central térmica. En el primer caso, una parte de la energía potencial agua embalsada se transforma en energía eléctrica; en el segundo caso, una parte de la energía química se transforma en energía eléctrica a l quemar carbón u otro combustible fósil. Cuando la espira gira, el flujo del campo magnético a través de la espira cambia con el tiempo. Se produce una fem. Los extremos de la espira se conectan a dos anillos que giran con la espira, tal como se ve en la figura. Las conexiones al circuito externo se hacen mediante escobillas estacionarias en contacto con los anillos. Si conectamos una bombilla al generador veremos que por el filamento de la bombilla circula una corriente que hace que se ponga incandescen te, y emite tanta más luz cuanto mayor sea la velocidad con que gira la espira en el campo magnético.

1.1.1 Diferencia entre elementos activos y pasivos,

 Componentes activos 

Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal. 

Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean circuitos que llevan integrados millones de componentes. 

En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos cuyas características lo condicionará. Esto no sucede con los componentes pasivos.  Ejemplos: Diodo, amplificador operacional, tiristor, Pila, etc. 

Componentes pasivos 

Son aquellos que no necesitan una fuente de energía para su funcionamiento. No tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito.  Ejemplos: Resistencia, Capacitor, Inductor.

1.2. Dispositivos pasivos

Dispositivos pasivos Un elemento pasivo es aquel que no es capaz de entregar potencia al circuito en el cual está conectado. Los elementos pasivos son:

 - Resistencia o resistor

- Condensador o capacitor 

- Bobina o inductor 

1.2.1. Características 

Dentro de las características generales que tienen los elementos pasivos se encuentran: 

- Tienen un par de terminales. 

- No pueden ser subdivididos en otros elementos simples.

- Tienen una relación única de voltaje y corriente en sus terminales la cual los caracterizan. - Son los elementos que absorben o consumen energía,

- La potencia es positiva.

1.2.2. Técnicas de solución en circuitos RLC 

Existen diferentes técnicas de solución para los circuitos RLC, para darle solución a este tipo de circuitos, es necesario estudiar la ley de Ohm y las leyes de Kirchoff. La ley de Ohm, relaciona al voltaje con la corriente eléctrica y la resistencia, las leyes de Kirchoff son necesarias para analizar circuitos más complejos donde presentan n mallas y k nodos. Ley de Ohm George Simon Ohm, descubrió en 1827 que la corriente en un circuito de corriente continua varía directamente proporcional con la diferencia de potencial, e inversamente proporcional con la resistencia del circuito. La ley de Ohm, establece que la corriente eléctrica (I) en un conductor o circuito, es igual a la diferencia de potencial (V) sobre el conductor (o circuito), dividido por la resistencia (R) que opone al paso, él mismo. La ley de Ohm se aplica a la totalidad de un circuito o a una parte o conductor del mismo. 

1.2.3. Aplicaciones

Dentro de las aplicaciones que se pueden realizar con los dispositivos pasivos, es la creación de filtros pasivos, estos serán los que atenuarán la señal en mayor o menor grado; Se implementan con componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias. Cabe mencionar que todos los circuitos que se encuent ran en el mercado, cuentan con estos componentes, los cuales son imprescindibles para el desarrollo de la tecnología que se tiene hasta el momento .



1.3. Dispositivos activos

La gran diferencia que existe entre los dispositivos pasivos y los activos, es que en el caso de los pasivos son aquellos que reciben energía y los activos son los que generan energía, generalmente los dispositivos activos, están compuestos de la unión de varios elementos pasivos, a los dispositivos activos los podemos clasificar:

• Fuentes Independientes de Corriente:
 – Mantienen una corriente específica Independientemente del voltaje a través de sus terminales.
• Fuentes Independientes de Voltaje:
– Mantienen un voltaje específico independientemente de la corriente que pase por sus terminales.
• Fuentes Dependientes:
 – Su salida depende de algún voltaje o corriente de alguna parte del circuito.




1.3.1. Características de semiconductores

Algunos materiales de estructura cristalina tienen características eléctricas intermedias entre los materiales conductores y los aislantes, las que en condiciones ordinarias pueden presentar propiedades correspondientes a uno u otro grupo, y se les conoce con el nombre de materiales semiconductores. Inicialmente los semiconductores se definieron como materiales peor conductor que los metales, pero mejor que los aislantes. Más tarde fueron definidos como materiales cuya conductividad aumenta con la temperatura. Posteriormente se los definió como conductores electrónicos cuyo número de electrones libres varía con la temperatura.


1.3.1.1. Estructura eléctrica del Silicio

Es el elemento semiconductor más utilizado en la fabricación de los componentes electrónicos de estado sólido, esto debido a que después del oxígeno es el elemento más abundante en la superficie terrestre (27,7% en peso). El silicio, a diferencia del carbono, no existe en forma libre en la naturaleza, se encuentra en forma de dióxido de silicio (sílice) y de silicatos complejos. Sílice: arena, cuarzo, amatista, ágata, pedernal y ópalo, Silicatos complejos: granito, feldespato, arcilla, y mica.

1.3.1.2. Estructura eléctrica del Germanio

El germanio es un metal frágil, de color agrisado, muy brillante, en alguna de sus propiedades se parece al carbón y en otras al estaño. El germanio se encuentra muy distribuido en la corteza terrestre con una abundancia de 6.7 partes por millón (ppm). El germanio se halla como sulfuro o está asociado a los sulfuros minerales de otros elementos, como el cobre, zinc, plomo, estaño y antimonio. También se lo obtiene de las cenizas de carbón. El primer dispositivo de estado sólido, fue hecho de germanio. Los cristales especiales de germanio se usan como sustrato para el crecimiento en fase vapor de películas finas de GaAs y GaAsP en algunos diodos emisores de luz. Se emplean lentes y filtros de germanio en aparatos que operan en la región.

1.3.1.3. Materiales tipo N y tipo P

Un semiconductor se puede dopar para que tenga un exceso de electrones libres o un exceso de huecos. Debido a ello existen dos tipos de semiconductores dopados. Los semiconductores tipo N y tipo P
Semiconductor tipo N EI silicio que ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semiconductor tipo N, donde n hace referencia a negativo.
Semiconductor tipo P
El silicio ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor tipo P donde la p hace referencia a positivo.

1.3.2. Dispositivos semiconductores

Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo N y la otra mitad de tipo P, esa unión PN tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas forman los "Diodos". El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sería el electrón) al lado. El átomo trivalente sería un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizaría un hueco).
Unión PN polarizada en directo Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a la región P y el polo negativo a la región N, la tensión U de la pila contrarresta la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, desbloqueándola, y apareciendo una circulación de electrones de la región N a la región P y una circulación de huecos en sentido contrario. Tenemos así una corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña.


1.3.2.1. Diodos


Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio. El diodo al no ser polarizado tiene las siguientes características



1.3.2.1.1. LED




El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.





1.3.2.1.2. Rectificadores



Un diodo rectificador es uno de los dispositivos de la familia de los diodos más sencillos. El nombre diodo rectificador” procede de su aplicación, la cual consiste en separar los ciclos positivos de una señal de corriente alterna. Si se aplica al diodo una tensión de corriente alterna durante los medios ciclos positivos, se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la corriente eléctrica. Pero durante los medios ciclos negativos, el diodo se polariza de manera inversa; con ello, evita el paso de la corriente en tal sentido.



1.3.2.1.3. Zener

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que a diferencia del funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa) siempre se utiliza polarizado inversamente.

1.3.2.2. Transistores

El desarrollo de la electrónica y de sus múltiples aplicaciones fue posible gracias a la invención del transistor, ya que este superó ampliamente las dificultades que presentaban sus antecesores, las válvulas. En efecto, las válvulas, inventadas a principios del siglo XX, habían sido aplicadas exitosamente en telefonía como amplificadores y posteriormente popularizadas en radios y televisores. Sin embargo, presentaban inconvenientes que tornaban impracticables algunas de las aplicaciones.






1.3.2.2.1. Bipolares

Los transistores están constituidos por tres partes esenciales; se trata de un arreglo de tres capas de material semiconductor: dos de un tipo de material a los lados de otra del material complementario. Existen dos versiones principales de transistores, por el material que los constituye: N P N, y P N P; cada una de las capas de material con características muy distintas a las otra dos. Las diferencias son en dopado, tamaño y forma.

1.3.2.2.2. FET

Los transistores más conocidos son los llamados bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares.


1.3.2.2.3. MOSFET

MOSFET son las siglas de “Metal Oxide Semiconductor Field Effect” Transistor. Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los procesadores comerciales están basados en transistores MOSFET. Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado.

1.3.2.3. Tiristores

Los tiristores son dispositivos especialmente populares en Electrónica de Potencia. Son sin duda los dispositivos electrónicos que permiten alcanzar potencias más altas, son dispositivos realmente robustos.

1.3.2.3.1. SCR

El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de tres terminales, conocido también como el rectificador controlado de silicio o SCR. Este dispositivo lo desarrolló General Electric en 1958 y lo denominó SCR. El nombre de tiristor lo adoptó posteriormente la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI).



1.3.2.3.2. SCS

Es similar en cuanto a construcción al SCR. La diferencia está en que posee dos terminales de puerta, uno para entrar en conducción y otro para corte.

1.3.2.3.3. DIAC

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos. La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del DIAC, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.

1.3.2.3.4. TRIAC

Es un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados en contraposición, con una compuerta de paso común; puede ir en cualquier dirección desde el momento en que el voltaje de ruptura se sobrepasa.



1.3.3. Técnicas de diseño con semiconductores

Las técnicas de diseño de los semiconductores se abordaron en la sección del diseño de los materiales N y P.

1.3.4. Aplicaciones con semiconductores

 A partir de la década de 1950, los dispositivos semiconductores conocidos también como dispositivos de estado sólido remplazaron los tubos electrónicos de la industria tradicional.

1.3.4.1. Rectificadores

 Uno de los usos más frecuentes estos diodos de unión p -n es convertir corriente alterna en corriente continua, lo que se conoce como rectificación. Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. 

1.3.4.2. Amplificadores 


El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama ß (beta) y es un dat o propio de cada transistor. 

1.3.4.3. Conmutadores 

Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch, la corriente de base debe tener un valor para lograr que el transistor entre en corte y otro para que entre en saturación. Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentación).


1.3.4.4. Fuentes de voltaje 

Todo dispositivo que crea una diferencia de potencial se conoce como una fuente de voltaje. Las celdas o pilas secas, las pilas húmedas y los generadores son capaces de mantener un flujo constante. 

1.4. Amplificadores operacionales 

El Amplificador Operacional como CI, introducido por el fabricante Fairchild en 1968 (μA741), se convirtió en el estándar de la industria. El Amplificador Operacional es un amplificador de voltaje con ganancia de voltaje extremadamente alta. 


1.4.1. Configuraciones 

Existen diferentes configuraciones que se pueden realizar con los amplifica dores operacionales, las configuraciones más básicas son dos, que a partir de ellas surgen configuraciones más complejas, estas son el amplificador inversor y el no inversor, que a continuación se analizaran. Amplificador no inversor. 

1.4.1.1. Seguidor unitario 

Si se hace R1 = ∞ y R2 = 0, en el amplificador No Inversor, se convierte en el amplificador de ganancia unitaria, o seguidor de voltaje. Su principal aplicación es como acople de Impedancia, puesto que en la entrada se presenta como un circuito abierto y en la salida se ve un cortocircuito hacia una fuente de valor vo = vI. 

1.4.1.2. Comparador 

En un circuito electrónico, se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación entre su salida y su entrada) y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia.

1.4.1.4. Sumador
 El Amplificador Sumador puede tener varias Entradas y una Salida

1.4.1.5. Restador 

El Amplificador de Diferencias tiene Dos entradas y una Salida. Es posible encontrar el voltaje de salida, vo, por medio del principio de Superposición como: 

1.4.1.6. Integrador 

La salida es el producto de una constante por la integral de la señal de entrada. La relación entrada-salida del circuito Integrador se obtiene haciendo iR = − iC , así:

1.4.2. Aplicaciones 

Las aplicaciones que pueden tener los amplificadores operacionales son bastas, como ya se analizo en sus configuraciones, a demás de estas, se pueden construir, convertidores de corriente-voltaje y viceversa, convertidores de frecuencia- voltaje y viceversa, filtros pasa bajas, filtro pasa altas, limitadores y rectificadores de media onda, osciladores de relajación, convertidor análogo digital y digital a análogo, entre otros dispositivos.


2.1 Tablas de verdad y compuertas lógicas


2.1.1 NOT, OR y AND 
Una puerta lógica, o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico con una funciónbooleana. Suman, multiplican, niegan o afirman, incluyen o excluyen según sus propiedades lógicas. Se pueden aplicar a tecnología electrónica, eléctrica, mecánica, hidráulica y neumática. Son circuitos de conmutación integrados en un chip. Claude Elwood Shannon experimentaba con relés o interruptores electromagnéticos para conseguir las condiciones de cada compuerta lógica, por ejemplo, para la función booleana Y (AND) colocaba interruptores en circuito serie, ya que con uno solo de éstos que tuviera la condición «abierto», la salida de la compuerta Y sería = 0, mientras que para la implementación de una compuerta O (OR), la conexión de los interruptores tiene una configuración en circuito paralelo. La tecnología microelectrónica actual permite la elevada integración de transistoresactuando como conmutadores en redes lógicas dentro de un pequeño circuito integrado. El chip de la CPU es una de las máximas expresiones de este avance tecnológico. En nanotecnología se está desarrollando el uso de una compuerta lógica molecular, que haga posible la miniaturización de circuitos.

2.2.3.1 Teoremas y postulados del algebra de Boole

1. Propiedad de cierre.
Para un conjunto s se dice que es cerrado para un operador binario si para cada elemento de S el operador binario especifica una regla para obtener un elemento único de S.
Para el conjunto N = {1,2,3,4,…} es cerrado con respecto al operador binario (+) por las reglas de la adición aritmética, ya que para que cualquier elemento a,b pertenecientes a N por la operación a + b = c el conjunto de los números naturales no esta cerrado con respecto al operador binario (-) por la regla de la resta aritmética, debido a que 2-3 = -1 y 2,3 pertenecen a N pero -1 no pertenece a N.

2. Ley asociativa.
El operador binario (*) es un conjunto S es asociativo siempre que x*y*z = x*(y*z) para toda x, y pertenecientes a S.

3. Ley conmutativa.
Un operador binario (*) para un conjunto S es conmutativo siempre que: x*y = y*x para toda x,y pertenecientes a S.

4. Elemento identidad.
El conjunto S tendrá un elemento identidad multiplicativo “identidad (*)” en S si existe un e perteneciente a S con la propiedad e*x = x*e =e para cada x pertenecientes a S.

5. Inversa.
El conjunto S tiene un elemento identidad (e) con respecto al operador (*) siempre que para cada x perteneciente a S exista un elemento y perteneciente a S tal que x*y=e.

6. Ley distributiva.
Si el operador (*) y el operador (.), son operadores binarios de S, (*) se dice que es distributivo sobre (.).
Siempre que:

x*(y . z) = (x*y) . (x*z)
- El operador binario (+) define la adición. - Identidad aditiva es el cero. - La inversa aditiva define la sustracción. - El operador binario (.) define la multiplicación. - Identidad multiplicativa es 1. - Inversa multiplicativa de A es igual a 1/A define la división esto es A * 1/A = 1 - La única ley distributiva aplicable es la de operador (.) sobre el operador + (.) sobre (+) a(b+c)=(a.b) +(a.c)

Para definir formalmente el álgebra de Boole se emplean postulados de Huntington.
1. a) Cierre con respecto al operador (+) b) Cierre con respecto al operador (.)
2. a) Un elemento identidad con respecto al operador (+), designado por el cero x+0 =0+x=x b) Un elemento identidad con respecto al operador (.) designado por el uno x*1=1*x=x
3. a) Conmutativo con respecto al operador (+) : x+y = y+x b) Conmutativo con respecto al operador (.) : x*y =y*x
4. a) El operador (.) es distributivo sobre el operador (+) : x.(y+z) = (x.y) + (y.z) b) El operador (+) es distributivo sobre el operador (.) : x+(x.z) = (x+y) . (x+z)
5. Para cada elemento de x pertenencia a B existe un elemento x’ complemento perteneciente a B denominado complemento de x tal que:
a) x+x’ = 1 b) x’ = 0
6. Existen cuando menos dos elementos x,y pertenecientes a B tal que x diferente de y. Por lo tanto tenemos que el álgebra de Boole difiere de la aritmética y del álgebra ordinaria en la sig:
a) Los postulados Huntington: no incluyen al ley asociativa, no obstante esta ley es valida para el álgebra booleana (para ambos operadores)
b) La ley distributiva del operador (+) sobre el operador (.) esto es: x+(y.z) = (x+y).(x+z), la cual es valida para el álgebra de boole pero no para el álgebra ordinaria.
c) El álgebra booleana no tiene inversa aditiva a multiplicativa, por lo tanto no hay operaciones de sustracciones o división.
d) El postulado 5 define un operador llamado completo que no se encuentra en el álgebra ordinaria.
e) En el algebra de Boole se define un conjunto B de dos elementos (0 y 1) y el álgebra ordinaria trata con el conjunto de los números reales.


2.2.3.2 Mapas Karnaugh

Un mapa de Karnaugh (también conocido como tabla de Karnaugh o diagrama de Veitch, abreviado como Mapa-K o Mapa-KV) es un diagrama utilizado para la simplificación defunciones algebraicas Booleanas. El mapa de Karnaugh fue inventado en 1950 por Maurice Karnaugh, un físico y matemático de los laboratorios Bell.

  

2.3 Lógica secuencial

La Lógica Secuencial es el Método de ordenamiento de acciones, razonamiento, y expresión de la automatización de maquinaria, equipos y procesos. Y su interrelación con el hombre. Esto nos da por consiguiente los binomios, hombremáquina, hombre-proceso. La lógica secuencial es un tipo de circuito de lógica que salida dependa no sólo de la actual entrada pero también de la historia de la entrada. Esto está en contraste con lógica combinational, del que salida es una función, y solamente de, la actual entrada. Es decir la lógica secuencial tiene almacenaje (memoria) mientras que la lógica combinational no. 

2.3.1 FLIP-FLOP con compuertas 

Un flip-flop es un circuito digital que tiene dos salidas Q y Q`, las cuales siempre se encuentran en estados opuestos. Si Q=1 entonces Q`=0 y se dice que el flipflop está inicializado (set). Si Q = 0 entonces Q`=1 y se dice que el flip-flop está reinicializado (reset), inactivo o borrado . Existen varios tipos de flip-flops, y las entradas de control cambian con cada tipo. Los niveles lógicos en las entradas de los flip-flops determinan el estado de las salidas de acuerdo con la tabla de verdad del flip-flop. A diferencia de las compuertas estudiadas hasta esta momento, el flip-flop puede en algunos estados mantener su estado de salida (encendido o apagado) aún después de que las señales de entrada que produjeron el estado de salida cambien. De esta manera el flip-flop puede guardar un bit de información

2.3.2 FLIP-FLOP JK, SR, D 

Un biestable (flip-flop o LATCH en inglés), es unmultivibrador capaz de permanecer en uno de dos estados posibles durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones. 1 Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los biestables se dividen en: La entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o por flanco (de subida o de bajada). Dentro de los biestables síncronos activados por nivel están los tipos RS y D, y dentro de los activos por flancos los tipos JK, T y D. Los biestables síncronos activos por flanco (flip-flop) se crearon para eliminar las deficiencias de loslatches (biestables asíncronos o sincronizados por nivel).



2.4 Familias lógicas 

En ingeniería electrónica, se puede referir a uno de dos conceptos relacionados: una familia lógica de dispositivos circuitos integrados digitales monolíticos, es un grupo de puertas lógicas (o compuertas) construidas usando uno de varios diseños diferentes, usualmente con niveles lógicos compatibles y características de fuente de poder dentro de una familia. Muchas familias lógicas fueron producidas como componentes individuales, cada uno conteniendo una o algunas funciones básicas relacionadas, las cuales podrían ser utilizadas como “construcción de bloques” para crear sistemas o como por así llamarlo “pegamento” para interconectar circuitos integrados más complejos. 

2.4.1 TTL Las siglas TTL se pueden referir a cualquiera de los siguientes conceptos:

•   el tiempo de vida (informática) (time to live), cuando se habla de Protocolo IP; 
•  la tecnología TTL (transistor-transistor logic), una tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales;
• through the lens (a través de la lente), una técnica de medición fotográfica. 
• TTL (Time to Love), sencillo de T-ara.

2.4.2 ECL 

Emitter Coupled Logic (lógica de emisores acoplados) pertenece a la familia de circuitos MSIimplementada con tecnología bipolar; es la más rápida disponible dentro de los circuitos de tipo MSI. 

2.4.3 MOS 

Estas familias, son aquellas que basan su funcionamiento en los transistores de efecto de campo o MOSFET. Estos transistores se pueden clasificar en 2 tipos, según el canal utilizado: 1. NMOS: se basa únicamente en el empleo de transistores NMOS para obtener una función lógica. Su funcionamiento de la puerta lógica es el siguiente: cuando la entrada se encuentra en el caso de un nivel bajo, el transistor NMOS estará en su zona de corte, por lo tanto, la intensidad que circulará por el circuito será nula y la salida estará la tensión de polarización (un nivel alto); y cuando la entrada se encuentra en el caso de que está en un nivel alto, entonces el transistor estará conduciendo y se comportará como interruptor, y en la salida será un nivel bajo. 


2.4.4 CMOS
Complementary metal-oxide-semiconductor o CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) es una de las familias lógicasempleadas en la fabricación de circuitos integrados. Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipopMOS y tipo nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas.

2.4.5 Bajo voltaje (LVT, LV, LVC, ALVC) 
El sistema de señal diferencial de bajo voltaje o LVDS (lowvoltagedifferentialsignaling), es un sistema de transmisión de señales a alta velocidad sobre medios de transmisión baratos, como puede ser el par trenzado. Fue introducido en 1994 y se hizo popular en redes de computadores de alta velocidad para la transmisión de datos.


 Unidad 3 Convertidores 

3.1 Analógico / Digital A/D 

La conversión analógica-digital (CAD) o digitalización consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación,compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otrasinterferencias a las que son más sensibles las señales analógicas. 

3.1.1 TIPOS 

Convertidor Analógico/Digital Flash o Paralelo

El método flash utiliza comparadores que comparan una serie de tensiones de referencia con la tensión de entrada analógica. Cuando la tensión analógica sobrepasa a la tensión de referencia de un comparador determinado, se genera un nivel Altota

ADC de aproximaciones sucesivas.

Este tipo de convertidor es el que sigue en menor tiempo de conversión al convertidor con método Flash. La siguiente figura se muestra el diagrama a bloques básico de un convertidor ADC por aproximaciones sucesivas de 4 bits

ADC de contador de rampa en escalera.

El método de rampa en escalera para la conversión A/D se conoce también como método de Rampa digital o método contador. Se emplea un DAC y un contador binario para generar el valor digital correspondiente a una entrada analógica. La siguiente figura  presenta un diagrama de este tipo de convertidor.

3.1.2 Aplicaciones

Las aplicaciones más significativas del son; En instrumentación y control automático, son la base para implementar diferentes tipos de convertidores analógico digitales, así mismo, permiten obtener, de un instrumento digital, una salida analógica para propósitos de graficación, indicación o monitoreo, alarma, etc. El control por computadora de procesos ó en la experimentación, se requiere de una interfase que transfiera las instrucciones digitales de la computadora al lenguaje de los actuadores del proceso que normalmente es analógico. En comunicaciones, especialmente en cuanto se refiere a telemetría ó transmisión de datos, se traduce la información de los transductores de forma analógica original, a una señal digital, la cual resulta mas adecuada para la transmisión


3.2. Digital / Analógico D/A 

En electrónica, dispositivo que convierte una entrada digital (generalmente binaria) a una señal analógica (generalmente voltaje o carga eléctrica). Los conversores digital-analógico son interfaces entre el mundo abstracto digital y la vida real analógica. La operación reversa es realizada por un conversor analógico-digital (ADC). Este tipo de conversores se utiliza en reproductores de sonido de todo tipo, dado que actualmente las señales de audio son almacenadas en forma digital (por ejemplo, MP3 y CDs), y para ser escuchadas a través de los altavoces, los datos se deben convertir a una señal analógica. Los conversores digital-analógico también se pueden encontrar en reproductores de CD, reproductores de música digital, tarjetas de sonidos de PC, etc. 

3.2.1 Tipos

Convertidor DAC con multiplexor analógico y red lineal.

 

Inconvenientes: Gran número de resistencias, y multiplexor complejo.

Convertidor DAC realizado con conmutadores analógicos y resistencias ponderadas: 

Inconvenientes: Resistencias de valores muy dispares. 

 

DAC con red R-2R utilizando el método de suma de tensiones.

Convertidor DAC mediante conversión indirecta de frecuencia variable 

El generador de impulsos genera una onda cuadrada de reloj. El divisor programable digitalmente elimina ciertos pulsos del reloj. El filtro paso bajo recibe una cadena de impulsos (incompletos) que se repiten cíclicamente. Los impulsos tienen un nivel alto Vref y un nivel bajo de valor cero. La salida del filtro (Vo) es prácticamente un nivel de continua, aunque existe un pequeño “rizado”. El valor de Vo es proporcional a la entrada digital. 

Convertidor DAC mediante conversión indirecta de ancho de impulso variable 

El comparador digital activa la entrada Vref mientras el contador no supera a la entrada digital. Cuando el contador supera a la entrada digital, el Mux conmuta al nivel cero. En Vo se obtiene un nivel de continua proporcional a la entrada digital, con un pequeño “rizado”. 

3.2.2. Aplicaciones 

Mediante una suma ponderada de los dígitos de valor 1 se consigue, en forma muy simple, un conversor digital-analógico rápido; la ponderación puede hacerse con una serie de resistencias en progresión geométrica (cada una mitad de la anterior), lo cual obliga a utilizar un amplio rango de resistencias, o bien mediante una red R-2R que efectúa sucesivas divisiones por 2.

Unidad 4 Lenguajes HDL

Un lenguaje de descripción de hardware (HDL, Hardware Description Language) es un lenguaje de programación especializado que se utiliza para definir la estructura, diseño y operación de circuitos electrónicos, y más comúnmente, de circuitos electrónicos digitales. Así, los lenguajes de descripción de hardware hacen posible una descripción formal de un circuito electrónico, y posibilitan su análisis automático y su simulación.

Los lenguajes de descripción de hardware se parecen mucho a otros lenguajes de programación de ordenadores tales como el C o Java: básicamente consisten en una descripción textual con expresiones, declaraciones y estructuras de control. Sin embargo, una importante diferencia entre los HDL y otros lenguajes de programación está en que el HDL incluye explícitamente la noción de tiempo.

4.1 Dispositivos logicos programables

Un Dispositivo Lógico Programable (PLD) es cualquier dispositivo lógico cuya función está especificada por el usuario, después de fabricado el dispositivo. Se usan para reemplazar lógica SSI y MSI, ahorrando así en costo y tiempo en el diseño. Entre ellos, encontramos:

Arrays Lógicos Programables

Un Array Lógico Programable (PLA), es un circuito PLD que puede programarse para ejecutar una función compleja. Normalmente se utilizan para implementar lógica combinacional, pero algunos PLA pueden usarse para implementar diseños lógicos secuenciales. El PLA es una solución con un solo circuito integrado a muchos problemas lógicos, que pueden tener muchas entradas y muchas salidas.

Otros dispositivos lógicos programables de interés son:

• ROM, memoria de solo lectura

• PROM, memoria de solo lectura programable

• EPROM, memoria de solo lectura programable y borrable

• EEPROM, memoria de solo lectura programable y borrable electrónicamente

• RAM, memoria de acceso aleatorio

• SRAM, memoria de acceso aleatorio estática

• DRAM, memoria de acceso aleatorio dinámica 

4.1.1 Tipos

De acuerdo a su estructura estos dispositivos se clasifican en:

PLA   PAL   GAL

 PLA.

 

Un PLA es un bloque funcional que se utiliza para implementar multifunciones booleanas. Existe una gran relación entre su estructura interna y el conjunto de funciones que realiza.

PAL.

 

Los dispositivos PAL son PLAs con o sin array OR, pero un conjunto de puertas OR que suman grupos de productos. También llamados PLAs, son un tipo de PLDs en las que se pueden programar las uniones en la matriz de puertas AND, siendo fijas las uniones en la matriz de puertas OR . Los dispositivos con arquitectura PAL son los más populares y los más utilizados.

Gal.

 

Básicamente, una GAL está formada por una matriz de puertas AND reprogramable conectada a una matriz de puertas OR fija. Al igual que la PAL, esta estructura permite implementar cualquier función lógica como suma de productos con un número de variables definido.

4.1.2 Caracteristicas

•Los Dispositivos Lógicos Programables (PLD) son una alternativa tecnológica al diseño electrónico tradicional.

•Se requiere destreza en la programación.

•Se requieren de dispositivos de programación

•Se experimenta con tarjetas de desarrollo, que son costosas.

•Es mas confiable la electrónica del circuito

•El producto final es menos caro

•La salida al mercado del producto es rápida

4.1.4 Pasos para el diseño con PLD´s

METODOLOGÍA DE DISEÑO

El proceso de diseño lógico con PLD’s se resume en tres grandes etapas :

1. DISEÑO LÓGICO

2. IMPLEMENTACION DEL DISEÑO

3. VERIFICACIÓN DEL DISEÑO.

Dentro de la primera etapa, los pasos involucrados son los mismos que en cualquier diseño digital, combinatorio o secuencial, y se pueden subdividir en los pasos siguientes : • DEFINIR EL PROBLEMA. • GENERAR UN DIAGRAMA A BLOQUES. • OBTENER TABLA DE VERDAD. • DERIVAR ECUACIONES LÓGICAS QUE DESCRIBEN LA OPERACIÓN DEL DISEÑO.

La implementación del diseño consiste en seleccionar y usar las herramientas, tanto de hardware y software, necesarias para la traducción de los resultados a un mapa de fusibles para la programación del chip. Esta fase consiste en : • SELECCIÓN DEL PLD. • HACER ARCHIVO DE ECUACIONES • CORRER SOFTWARE, COMO POR EJEMPLO EL OPAL (NATIONAL), PARA GENERAR ARCHIVO MAPA DE FUSIBLES. • CONFIGURAR PROGRAMADOR UNIVERSAL. • PROGRAMAR CHIP

La etapa final consiste en la verificación del diseño en la cual la correcta programación del PLD es comprobada, por medio de técnicas de simulación. Los pasos de la verificación son : • GENERACIÓN DE VECTORES DE PRUEBA. • SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL PLD EN LA COMPUTADORA, • PRUEBA FUNCIONAL DEL DISPOSITIVO. • DOCUMENTACIÓN DEL DISEñO.

4.2. Programación de circuitos combinacionales con HDL

4.2.1 Por captura esquemática

Por Captura Esquemática se entiende el proceso de descripción, mediante un dibujo, de un circuito eléctrico, que representan a los diferentes componentes del circuito y solo se efectúan interconexiones entre ellos.

 

Existen varios programas aplicación de Captura Esquemática como el “Schematic” del IspStarter de Lattice Semiconductor o “Fundation” de XILINX entre otros.

Esta técnica permite simular en la computadora el circuito virtualmente y verificar su funcionamiento antes de su fabricación o implementación en un PLD, reduciendo así el ciclo de diseño y el tiempo de obtención de un producto.

La desventaja es que en el diseño de circuitos grandes no es posible comprenderlos debido a que hay demasiados componentes e interconexiones en la pantalla. Los cuatro componentes básicos de la captura esquemática son:

 

Símbolos, Conectores, Etiquetas y Puertos de Entrada y/o Salida Símbolos es una representación gráfica de los componentes.

 

Conectores (alambre), permite la interconexión entre las terminales de los símbolos, o Dispositivos de entrada/salida.

 

Etiquetas (Variables), Son los nombres para la identificación de las entradas o salidas.

 

Puertos de entrada/salida es la definición de las características de un Puerto de Entrada, Salida o Puerto Bidirecional. 

4.2.2 Por tabla de verdad

Para aclarar el proceso es necesario un ejemplo específico, la tabla de verdad especifica un circuito combinacional con dos entradas y dos salidas. Las funciones de BOOLE pueden expresarse en suma de términos mínimos.

El diseño de circuitos combinacionales parte la especificación del problema y culmina en un diagrama lógico de circuitos o un conjunto de funciones booleanas a partir de las

cuales se puede obtener ediagrama lógico. El procedimiento implica los pasos siguientes:

De la especificación del circuito, deduzca el número requerido de entradas y salidas;

asigne un símbolo a cada una.

Deduzca la tabla de verdad que define la relación requerida entre las entradas y las

salidas.

Obtenga las funciones booleanas simplificadas para cada salida en función de variables de entrada.

Dibuje el diagrama lógico y verifique que el diseño sea correcto

4.2.3 Por ecuaciones Booleanas

Si se requiere reducir la función que realiza el circuito. Este proceso parte del diagrama

lógico dado y culmina en un conjunto de funciones BOOLEANAS, una tabla de vedad o

una posible explicación del funcionamiento del circuito. Si el diagrama lógico analizar va

acompañado de un nombre de función o de una explicación de lo que se supone que

hace, el problema de análisis se reduce a una verificación de la función planeada.

El análisis se efectúa manual mente encontrando las funciones BOOLEANAS o la TABLA De VERDAD, o bien utilizando un programa de simulación de computadora.

El primer paso del análisis consiste en asegurarse del que el circuito dado sea combinacional y no secuencial. El diagrama del circuito combinacional tiene compuertas lógicas sin trayectoria de retroalimentación ni elementos de memoria. Una trayectoria de retroalimentación es una conexión de salida de una compuerta a la entrada de una segunda compuerta que forma parte de la entrada a la primera compuerta.

El análisis del circuito combinacional dela figura ilustra, es un circuito que tiene tres entradas binarias A,B y C y dos salidas binarias F1 y F2. Las salidas de diversas compuertas que son función únicamente de variables de entrada son T1 y T2. La salida F2 se deduce fácilmente de las variables de entrada. Las funciones BOOLEANAS de esta salida son:

F2= AB+AC+BC

F1= A+B+C

T2= ABC

4.3 Programacion de circuitos secuenciales con HDL 

Los circuitos de conmutación secuenciales tienen la propiedad de que la salida no sólo depende de la entrada actual, sino también de la secuencia de entradas anteriores. Son las siglas de Programable Logic Designo dispositivos de lógica programable. Estos circuitos integrados permiten generar dentro de las mismas funciones que no disponemos en los C.I. Comerciales (decodificadores, comparadores, sumadores, etc).Los PLD´s pueden reemplazar circuitos integrados de propósito especifico en el diseño de circuitos digitales. Un solo PLD es funcionalmente equivalente a dispositivos que tienen desde 5 hasta 10,000compuertas lógicas.

Estos dispositivos están basados en transistores bipolares transistores especiales que cuando se hace circular una fuerte corriente dejan de conducir ,pero pueden volver a conducir aplicando una diferencia de potencial en el circuito

4.3.1 Por captura esquemática

Los programas de captura esquemática son aplicaciones creadas para esbozar circuitos electrónicos y exportar los esquemas como archivos netlist ; los cuales satisfacen la sintaxis de algún núcleo de simulación en particular.

Dentro de este grupo de programas, que delegan al usuario la tarea de enlazar los

archivos netlist generados con el núcleo de simulación, se encuentran: XCircuit 11, y

gschem 12; pertenecientes a los grupos Open Circuit Design y gEDA , respectivamente. La principal característica de ambos programas, es que pueden

generar dibujos decircuitos de gran calidad, debido a la tecnología utilizada en su

implementación: el lenguaje Postscript para la descripción de diagramas. Sin embargo, se aprecia una ligera diferencia entre estas dos aplicaciones, locual podría ayudar a discriminar entre una y otra. Por una parte, el autor de gschem reconoce que XCircuit produce mejores salidas gráficas; y por otra, gschem está más orientado al diseño de circuitos que a dibujos de calidad en sí, lo cual se aprecia en su funcionalidad.

Lamentablemente, la desventaja de programas de este tipo, es el hecho de tener que enlazar explícitamente el núcleo de simulación; lo cual incrementa la curva de aprendizaje de usuarios provenientes de ambientes más amigables.

4.3.2 Por tabla de verdad

La tabla de verdad es un instrumento utilizado para la simplificación de circuitos digitales a través de su ecuación booleana.

Las tablas de verdad pueden tener muchas columnas, pero todas las tablas funcionan de igual forma. Hay siempre una columna de salida (última columna a la derecha) que representa el resultado de todas las posibles combinaciones de las entradas.

El número total de columnas en unatabla de verdad es la suma de las entradas que hay + 1 (la columna de la salida).

El número de filas de la tabla de verdad es la cantidad de combinaciones que se pueden lograr con las entradas y es igual a 2n, donde n es el número de columnas de la tabla de verdad (sin tomar en cuenta la columna de salida) Ejemplo: en la siguiente tabla de verdad hay 3 columnas de entrada, entonces habrán: 23= 8 combinaciones (8 filas) Un circuito con 3 interruptores de entrada (con estados binarios "0" o "1"), tendrá 8 posiblescombinaciones. Siendo el resultado (la columna salida) determinado por el estado de los interruptores de entrada.

4.3.3 Por ecuaciones Booleanas

Los Números Reales lo conocemos muy bien, así como todas las operaciones definidas en él. Estamos acostumbrados a trabajar con ellos desde pequeños, por eso este tipo de Ecuaciones nos parecen intuitivas y sencillas, aunque no comprendamos lo que significan las variables usadas. Hemos dicho que los circuitos digitales trabajan con números, y que estos números se expresan en binario. Veremos más adelante cómo con un conjunto de ecuaciones podemos describir lo que hace un circuito, que transforma los números de la entrada y los saca por la salida. Sin embargo, puesto que estos números vienen expresados en binario, las variables y números utilizados NO SON REALES.

Para describir un circuito digital utilizaremos ecuaciones, Para describir un circuito digital utilizaremos ecuaciones matemáticas. Sin embargo, estas ecuaciones tienen variables y números que NO SON REALES, por lo que NO podemos aplicar las mismas propiedades y operaciones que conocemos. Hay que utilizar nuevas operaciones y nuevas propiedades, definidas en el ALGEBRA DE BOOLE.

Por tanto, vamos a trabajar con unas ecuaciones a las que NO estamos acostumbrados. Son muy sencillas, pero al principio pueden resultar poco intuitivas. En este capítulo aprenderemos a trabajar con ellas.

Las operaciones del Álgrebra de Boole

En el Álgebra de Boole hay dos operaciones, denotadas con los símbolos + y ( - ) _ pero que ¡¡no tienen nada que ver con las operaciones que todos conocemos de suma y producto!!. ¡¡¡No hay que confundirlas!!!!. El + y el _ del Algebra de Boole se aplican a bits, es decir, a números que sólo pueden ser el ’0’ ó el ’1’.

La operación +

Esta operación se define de la siguiente manera:

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 = 1

4.3.4 Por descripción de comportamiento

Descripción VHDL de comportamiento.- Esta es quizás la etapa mas importante del diseño, ya que en ella se toman decisiones claves para el resultado final.

El método se clarifica con un ejemplo, en el cual se ha buscado también la aplicación de

los criterios de jerarquía, modularidad y regularidad. Para ello se trata de que todos los pasos de la secuencia sean iguales, cuando ello es posible. También se siguieron las recomendaciones de no usar lógica auxiliar en las señales de reloj (todos los cambios del sistema se producen sincronizados con la señal de reloj la cual es única para todos los Flip Flops.)

Síntesis.- Ya en la descripción inicial se halla presente la división del circuito en una parte de control y una parte de datos. Por lo tanto la síntesis consistirá en pasar de la descripción de comportamiento a una descripción de estructura (y comportamiento) que contemple los requisitos expuestos.

En esta etapa son importantes la elección del tipo de lógica a utilizar y la estrategia de reloj, esto se podrá apreciar en el ejemplo que consiste en un circuito de control para un convertidor A/D de aproximaciones sucesivas. Comportamiento.

En una especificación de este tipo decimos cual es la función que cumple el sistema.

4.3.5 Por tabla de estado 

Un circuito secuencial sincrónico puede venir especificado por una tabla de estados, por sus ecuaciones de estados. o por un diagrama de estados. Estas tres alternativas en realidad no brindan una información diferente, se diferencian solamente en la forma de describir el circuito secuencial. La tabla de estados describe el circuito en forma tabular, el diagrama de estados lo describe en forma gráfica y las ecuaciones de estados lo describen en forma algebraica.  

4.3.4 Por diagrama de transicion

El diagrama de estados (también llamado diagrama de transición de estados) está constituido por un conjunto de nudos o vértices que se corresponden a los estados y una serie de arcos dirigidos que indican las transiciones a los próximos estados en función de las entradas y el estado presente