Electrónica análoga. Alfredo José Constaín Aragón
se ha mencionado algo acerca de los transistores bipolares, en especial con referencia a los modelos híbridos que se usaron en un comienzo de la disciplina electrónica, pero que hoy en día han sido abandonados para dar paso a otras metodologías más modernas. En este apartado se detallarán los modelos híbrido-Pi para el transistor bipolar (Figura 1.12). Para el transistor de efecto de campo hay un solo modelo cuya explicación es directa, a diferencia de lo que ocurre con el dispositivo BJT.
Básicamente es un modelo simplificado que cambia aspectos puramente matemáticos (parámetros híbridos) por coeficientes con significación física. Así, en lugar de hfe se tiene Beta (P) y en lugar de hie se tiene rbe. Aparte de estos cambios, el circuito híbrido-Pi debe manipularse circuitalmente (aunque con simplificación derivada de la menor cantidad de elementos) como los modelos originales híbridos. Con este modelo que es para emisor común (el emisor es el electrodo de referencia), se modelan los circuitos de base común y colector común, o sea que se deja ver la tendencia a utilizar un solo modelo para todas las configuraciones.
1.1.5 Diseño de circuitos electrónicos
El ingeniero de Diseño y Automatización electrónica de la Universidad de La Salle se requiere que sea, por definición, un profesional que ante todo diseñe los sistemas cuyo desarrollo y puesta a punto se le encomienda.
Esto debe ser así por cuanto el diseño de circuitos requiere, no solo un adecuado conocimiento de los dispositivos y de las configuraciones, sino además una buena dosis de originalidad y economía del esfuerzo, lo que usualmente se denomina “optimización”. Muchas de las aplicaciones que se encuentran en la literatura técnica no son de interpretación inmediata, en razón de que el funcionamiento interconectado de varios (a veces muchos) dispositivos puede demandar un esfuerzo de comprensión que trasciende lo individual. Por esto es vital dotar al estudiante de las herramientas de visualización de grandes conglomerados de objetos, en especial acudiendo a modelos físicos más que a esquemas circuitales matemáticos. Este curso está entonces orientado a conseguir este objetivo.
Se establecen en seguida pautas para emprender una tarea de diseño de manera organizada y detallada.
1.1.5.1 Uso de documentación técnica
A. Conocimiento del equivalente ECG
Ninguna tarea de diseño es completa si el estudiante no conoce la “información de entrada”. Una primera aproximación es el Manual General tipo ECG en el que se encuentra una información cruzada entre la referencia de un dispositivo cualquiera y los datos básicos del dispositivo, pero fabricados por la firma ECG9.
Los datos básicos de un dispositivo activo son:
Valores límite: son datos de parámetros que no se pueden sobrepasar so pena de destruir el dispositivo, por ejemplo: temperatura máxima, voltaje máximo, corriente máxima o potencia máxima. Estos datos están orientados a proteger el dispositivo.
Valores promedio de operación: son datos típicos de la operación del dispositivo que ayudan a establecer un primer concepto de cómo se puede aplicar. Da idea de frecuencias, voltajes, ganancias, etc. Estos datos están orientados a aplicar óptimamente el dispositivo
Esto cuando tiene el estudiante una referencia previa, pero aun si no la tiene, el Manual ECG es una fuente inicial de datos operativos muy importantes.
B. Conocimiento de la Hoja de datos específica, documentación anexa y aplicaciones
Algunas veces no es suficiente la información que suministra el Manual ECG, sino que el diseñador debe ir a manuales más completos y especializados, por ejemplo los de la firma multinacional National Semiconductors. En estos manuales para cada dispositivo hay una información numérica y gráfica exhaustiva, que permite una aplicación muy precisa de cada elemento. Usualmente, en estos manuales se encuentran Hojas de Aplicación, muy importantes para poder usar los dispositivos en aplicaciones concretas.
1.1.5.2 Guías de diseño de equipos electrónicos
Aunque no se puede enseñar estricta y detalladamente “cómo diseñar”, sí se pueden establecer ciertos criterios generales, en especial teniendo en cuenta la vasta experiencia anterior de técnicos e ingenieros. En especial:
Es importante tener una idea del diagrama general de bloques del sistema y requisitos restrictivos (o especificaciones) que se quiere diseñar. Este ejercicio ayudará a delimitar el trabajo. De esta forma, se sabrá si es un equipo limitado o grande, y que tipo de aplicación básica se tendrá (alta frecuencia, alta potencia, etc.).
Después, es interesante enfocar los niveles de voltaje, corriente o potencia que el sistema deberá manejar. Esto es importante teniendo en cuenta el tipo de fuente de señal y el tipo de aplicación que se quiere desarrollar. Este análisis ayudará a escoger la tecnología a emplear y a resolver problemas específicos de interface (Interfacing).
En seguida, es interesante enfocar qué porcentaje del circuito debe ser análogo y cual porcentaje debe ser digital. Aquí se enfrenta el problema de los niveles de complejidad que alcanzará el sistema.
Después, se plantea una búsqueda de la literatura técnica corriente tratando de encontrar diseños previos que cumplan cabalmente los objetivos buscados.
Por ultimo, se plantea un diagrama de flujo para precisar todo lo anterior, incluyendo la parte experimental.
Una vez realizado el Diagrama, se considera el circuito básico acabado.
Otros aspectos importantes a tener en cuenta son:
¿Construido o comprado?
¿El grado de integración?
Muchas veces el equipo que se quiere está ya en el mercado y el ingeniero debe tomar la decisión de si volverlo a diseñar y construir. Esto podría implicar costos altos de desarrollo, una menor calidad por ausencia de pruebas industriales y un tiempo excesivo hasta que el equipo este disponible. Otro punto importante es si usar integrados de nueva generación (mayor integración) que implican mayor sencillez y fiabilidad, pero mucho mayor costo y difícil consecución en un mercado como el colombiano (Figura 1.13).
Ahora, es necesario mirar los tipos de diseño electrónico que un ingeniero puede plantearse.
A. Por su naturaleza:
Análogo
Digital
Mixto
Un diseño exclusivamente análogo puede resultar más simple, pero muy rígido y limitado en sus posibilidades; un diseño completamente análogo puede a veces resultar incompleto al no tener en cuenta el porcentaje de trabajo análogo que siempre permanecerá en la electrónica. Parece ser que la mejor combinación puede ser en muchos casos un diseño de tipo mixto, mezclando bloques digitales de gran poder de proceso y memorización con bloques analógicos para recibir o dar ordenes eléctricas al mundo exterior.
B. Según el objetivo:
El diseño análogo puede ser clasificado según su objetivo o su propia idiosincrasia en las siguientes familias de circuitos:
Circuitos de procesamiento de señal
Circuitos de acondicionamiento de señal
Circuitos amplificadores
Circuitos generadores de señal
Circuitos especiales
Los