CONVERTIDORES A.D

Al concluir la lectura de la entrada correspondiente a convertidores analógicos a digitales y digitales a analógicos, será capaz de:

-Mencionar como se lleva a cabo el funcionamiento de los convertidores y el procesamiento de las señales.

En el mundo real las señales analógicas varían constantemente, pueden variar lentamente como la temperatura o muy rápidamente como una señal de audio. Lo que sucede con las señales analógicas es que son muy difíciles de manipular, guardar y después recuperar con exactitud.

En la parte de electrónica podemos encontrar dos clases de convertidores:

1) Convertidor Analógico-Digital.

2) Convertidor Digital-Analógico.

CONVERTIDORES ANALÓGICOS - DIGITALES

Una conversión analógica-digital consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (encriptación, compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.

Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señal analógica (durante un intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho valor, generalmente en un condensador, durante el tiempo que dura la transformación A/D, propiamente dicha.

en la figura:

conversor D/A y buffers de salida.

Tiempo de conversión variable.

La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema de muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación. Una primera clasificación de los convertidores A/D, es la siguiente:

Conversores de transformación directa. 

Conversores con transformación (D/A) intermedia, auxiliar.

Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample and Hold).

El esquema básico de un circuito de captura y mantenimiento, así como su representación simplificada, se ofrece 

El convertidor A/D manda un impulso de anchura tw por la línea C/M, que activa el interruptor electrónico, cargándose el condensador C, durante el tiempo tw. En el caso ideal, la tensión en el condensador sigue la tensión de entrada.  Posteriormente el condensador mantiene la tensión adquirida cuando se abre el interruptor.

En la siguiente figura se muestran las formas de las señales de entrada, salida y gobierno del interruptor.

Conversor A/D con comparadores.

Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramente separados. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entre un número finito de niveles de tensión . Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica de entrada junto con una tensión de referencia, distinta para cada uno de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación será necesario un codificador que nos entregue la salida digital.

Este convertidor es de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugar de secuencial, reduciéndose el tiempo de conversión necesario a la suma de los de propagación en el comparador y el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida a los casos de baja resolución, dado que para obtener una salida de N bits son necesarios 2N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivos en cuanto se desee obtener una resolución alta.

Conversor A/D con contadores.

Llamado también convertidor con rampa en escalera. Usa el circuito más sencillo de los conversores A/D y consta básicamente de los elementos reflejados en la figura siguiente:

Un comparador, reloj, circuito de captura y mantenimiento (S&H), contador, 

Una vez que el circuito de captura y mantenimiento (S/H), ha mostrado la señal analógica, el contador comienza a funcionar contando los impulsos procedentes del reloj. El resultado de este conteo se transforma en una señal analógica mediante un convertidor D/A, proporcional al número de impulsos de reloj recibidos hasta ese instante.

La señal analógica obtenida se introduce al comparador en el que se efectúa una comparación entre la señal de entrada  y la señal digital convertida en analógica. En el momento en que esta última alcanza el mismo valor ( en realidad algo mayor) que la señal de entrada, el comparador bascula su salida y se produce el paro del contador.

El valor del contador pasa a los buffers y se convierte en la salida digital correspondiente a la señal de entrada.

Este convertidor tiene dos inconvenientes:

Escasa velocidad. 

El segundo inconveniente puede comprenderse fácilmente con la ayuda de la siguiente figura, en la que se aprecia que el número de impulsos de reloj (tiempo), precisos para alcanzar el valor Vien el conversor D/A depende del valor de Vi.

Dicho tiempo de conversión viene dado por la expresión:

Conversor A/D con integrador.

Este tipo de convertidores son más sencillos que los anteriores ya que no utilizan convertidores D/A. Se emplean en aquellos casos en los que no se requiere una gran velocidad, pero en los que es importante conseguir una buena linealidad. Son muy usados en los voltímetros digitales.

CONVERTIDORES DIGITALES - ANALÓGICOS

La conversión digital-analógica es un proceso que permite la lectura del código binario grabado en un CD. Tiene la misma frecuencia de muestreo (controlada por un reloj) con que se grabó el sonido en el cd y tiene una cantidad de bits determinada. Con este aparato se pueden leer los cds y reproducirse. Por eso el nombre: Convierte de Digital a Analógico, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (código binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o corriente es una cantidad analógica, ya que puede tomar diferentes valores de cierto intervalo. 

DAC de 4bits. “A” es el LSB y “D” es el MSB.

Las entradas digitales D, C, B y A se derivan generalmente del registro de salida de un sistema digital. Los 2⁴ = 16 diferentes números binarios representados por estos 4 bits se enlistan en la tabla siguiente.  Por cada número de entrada, el voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto.  De hecho, el voltaje de salida analógico Vout es igual en voltios al número binario (no es así en todos los casos).  También podría tener dos veces el número binario o algún otro factor de proporcionalidad.  La misma idea sería aplicable si la salida del D/A fuese la corriente Iout.

Entrada digital				Salida analógica
D	C	B	A	Vout en voltios
0	0	0	0	0
0	0	0	1	1
0	0	1	0	2
0	0	1	1	3
0	1	0	0	4
0	1	0	1	5
0	1	1	0	6
0	1	1	1	7
1	0	0	0	8
1	0	0	1	9
1	0	1	0	10
1	0	1	1	11
1	1	0	0	12
1	1	0	1	13
1	1	1	0	14
1	1	1	1	15

RESOLUCIÓN DE UN DAC

Se define como la mínima variación que puede ocurrir en la salida analógica como resultado de un cambio en la entrada digital.  En el caso anterior, se observa que la resolución es de 1V.  Aunque la resolución puede expresarse como la cantidad de voltaje o corriente por etapa, resulta más útil expresarla como un porcentaje de la salida de escala completa.   El DAC descrito en la tabla tiene una escala de 15 - 0 = 15V, el tamaño de la etapa es de 1V (la etapa es el cambio de la señal de salida ante un cambio de la señal de entrada de un valor a otro consecutivo).

        La expresión que define a la resolución de un DAC es la siguiente:

res(%)=(tamaño de la etapa X 100)/escala total

DAC construido con un amplificador operacional

Existen varios métodos y circuitos para producir para producir la operación D/A que se ha descrito.  Uno de ellos es el que se muestra en la figura anterior.  Las entradas A, B, C y D son entradas binarias que se suponen tienen valores 0V o 5V.  El amplificador operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma con valor asignado de estos voltajes de entrada.

        La expresión que describe la operación de este DAC es la siguiente:

Vout = -( Rf/R1 Vd + Rf/R2 Vc + Rf/R3 Vb + Rf/R4 Va )

DIODOS ESPECIALES Y APLICACIONES EN CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

Al concluir la lectura de la entrada correspondiente a diodos, será capaz de:

-Mencionar cuales son las cuatro clasificaciones generales y detalladas de tipos de diodos además de entender el funcionamiento de cada uno de ellos de manera general. 

APLICACIONES CON DIODOS ESPECIALES 

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA 

Para comprender la utilización del diodo como rectificador se comenzará por lo mas sencillo, con lo que se conoce como rectificador de onda media; el circuito que se utiliza para la rectificación de onda media consta de un solo diodo, una fuente de tensión alterna y un resistencia de carga que es donde se mide la tensión alterna una vez que haya pasado por el diodo; para que el diodo se active o se encienda o comience a conducir debe superar una barrera de potencial de 0,7V, en otras palabras el diodo siempre necesitará aproximadamente 0,7V para que encienda, mientras sobre el diodo no caiga este voltaje mínimo el diodo estará apagado o no conducirá; se utilizará la siguiente imagen para la rectificación de onda media.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

Para realizar la fuente de alimentación lo que se necesita es rectificar toda la tensión alterna, no solo la parte positiva, esto se logra mediante el arreglo conocido como puente de diodos y a lo que se obtiene una vez que la corriente alterna a pasado por el puente de diodos se conoce como rectificación de onda completa.

Cuando la parte positiva de la tensión alterna (en color rojo) ingresa al puente de diodos,  D1 y D2 se polarizarán en directa y cuando sobre cada uno de ellos caiga aproximadamente 0,7V ambos diodos se activarán y conducirán la corriente, mientras que para este caso D3 y D4 se polarizan en inversa por lo cual no se activan y no conducen corriente, sobre  la resistencia de carga la corriente ingresará por A, por lo tanto el potencial de A será mayor que el potencial de B, entonces A será positivo con respecto de B, la Vsal será positiva, esto por Kirchoff, como no hay mas carga en el camino de la corriente la tensión que caerá sobre la resistencia de carga será Vsal=Vent-1,4, ya que sobre cada diodo cae 0,7V.

MULTIPLICADOR DE VOLTAJE 

Los voltajes aumentados en una proporción de 2, 3, 4, 5, ….n veces, pudiendo llegar a generar altos niveles de voltaje DC. Esto quiere decir por ejemplo, que si poseen un transformador de 12 V AC en el secundario, podrán generar tensiones de 24, 36, 48, … Volt DC.

A estos circuitos básicos se le denominan Multiplicadores de Tensión y tienen un sinnúmero de aplicaciones sin la necesidad de utilizar transformadores con devanados centrales.

1) Durante el semiciclo positivo de la AC, C1 se carga a Vs a través de D1.

2) Durante el semiciclo negativo de la AC, C2 se carga a 2Vs a través de D2.

3) Durante el semiciclo positivo de la AC, C3 se carga a 2Vs a través de D3 y C2.

4) Durante el semiciclo negativo de la AC, C4 se carga a 2Vs a través de D2, D3 y C3.

5) Y así sucesivamente.

LIMITADOR DE VOLTAJE 

Un simple diodo Zener puede limitar un lado de una forma de onda sinusoidal al voltaje del Zener, mientras mantiene cerca de cero el otro lado de la onda. Con dos zeners opuestos, la forma de onda se puede limitar al voltaje del zener sobre ambas polaridades.

 

FIJADOR DE NIVEL

Se puede usar un diodo para fijar un lado de la señal de onda sinusoidal a cerca de cero.

Fijador negativo: el mayor nivel alcanzado es 0 ,en otras palabras desplaza elnivel de referencia hacia un valor menor que 0. Fijador positivo polarizado: añade el efecto de la polarización de una batería pudiendo ser de dos tipos, según la disposición de la fuente de polarización.

COMPUERTAS LÓGICAS CON DIODOS 

AND: Cuando en esta compuerta lógica las dos entradas están en nivel alto (“1”), los dos diodos están polarizados en reversa y no conducen corriente y por lo tanto en la salida hay un nivel lógico alto (“1”). Si una de las entradas está en nivel bajo, entonces la salida será de nivel bajo (“0”), pues pasará corriente a través de la resistencia y el diodo cátodo este puesto a tierra. De esta manera el ánodo del diodo (la salida) estará a nivel bajo.

OR: En este tipo de compuerta, si una o las dos entradasestán a un “1” lógico (5 voltios), pasará corriente a través de uno o los dos diodos. Esta corriente atravesará la resistencia que a su vez tendrá una voltaje alto entre sus terminales obteniéndose así un “1” lógico a la salida. Con este arreglo se obtiene un “0” lógico a la salida, solamente cuando ambas entradas están en nivel bajo (“0” lógico). Así, ninguno de los dos diodos conduce, no hay corriente por la resistencia y tampoco hay caída de voltaje. Como consecuencia el voltaje en Vout es lo mismo que tierra (0 voltios).

DETECTOR DE PICO 

En circuito eléctrico que tiene como entrada una señal de alta frecuencia, y como salida la envolvente de la señal de entrada. El condensador en el circuito de la imagen almacena carga cuando la señal de entrada crece, y se descarga muy lentamente a través del resistor cuando ésta decrece. El diodo conectado en serie asegura que la corriente no circule en sentido contrario hacia la entrada del circuito.La mayoría de los detectores de envolvente prácticos usan rectificación de media onda o de onda completa de la señal para convertir la entrada de AC de audio en la señal de DC de pulsos. Luego se usa filtrado para alisar el resultado final. Dicho filtrado rara vez es perfecto, y normalmente queda ripple en el seguidor de envolvente de salida, en particular con entradas de baja frecuencia, como por ejemplo notas de un bajo. Más filtrado brinda resultados más alisados, pero disminuye la respuesta del diseño, por lo que soluciones reales crean una solución de compromiso. 

DEMODULADOR AM 

La demodulación de una señal de amplitud modulada (AM) se realiza mediante un proceso muy simple. Es debido a esto que este tipo de modulación existe hace tanto tiempo. La fabricación de un circuito simple para la detección de una envolvente, como el que se muestra en esta simulación, es muy simple y de bajo costo.

Sin embargo, la rectificación ejercida por el diodo produce una distorsión. Por ello, este tipo de circuito no se utiliza en recibidores de alta calidad.

SINTONIZACIÓN DE RADIOFRECUENCIA 

Como la señal es modulada en sus dos semiciclos, lo primero que hay que hacer es eliminar uno de ellos para lo cual disponemos  un diodo en serie que nos elimina, en este caso el semiciclo negativo. No puede conectarse cualquier tipo de diodo, sino que debe ser uno diodo rápido o diodo de señal. Conectado al cátodo del diodo tenemos el condensador C1, cuya misión consiste en eliminar la señal de RF y dejar pasar la BF. A continuación se puede conectar algún componente más con objeto de eliminar algún residuo de RF que pudiera quedar. El punto BF es la salida hacia el amplificador de audiofrecuencia que 'atacará' a un altavoz.

En los receptores, la señal puede variar de unas emisoras a otras, o por el efecto "fading" (desvanecimiento intermitentes de la señal a causa de las refracciones y difracciones que sufren las ondas de radio a través de la atmósfera), lo cual se intenta corregir, dentro de unos límites, con el circuito de CAG. La tensión del CAG se obtiene de la tensión continua creada al detectar la señal. 

DIODOS ESPECIALES 

DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

Eléctricamente este componente se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente. Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz).

LED BICOLOR                                    

Conectando en antiparalelo dos LED de distinto color. De este modo, encapsulando, por ejemplo, uno rojo con uno verde, se obtiene uno de los LED bicolores más usuales. Dependiendo de la polarización lucirá el verde o el rojo.

LED RGB 

Componente electrónico muy usado en paneles de publicidad formados por matrices de cientos o miles de estos diodos. La principal ventaja frente a sus homólogos de un color o bi-color es que pueden reproducir casi cualquier color de una manera perfecta, pudiéndose utilizar para reproducir imágenes y vídeos, o para iluminar una sala con un color determinado. 

LED LÁSER 

En los diodos láser, para favorecer la emisión estimulada y generación de luz láser, el cristal semiconductor del diodo puede tener la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro sólo reflectante de forma parcial (aunque muy reflectante también), lográndose así una unión PN de grandes dimensiones con las caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes. Es importante aclarar que las dimensiones de la unión PN guardan una estrecha relación con la longitud de onda a emitir.

LED INFRARROJO 

Este dispositivo se diferencia de un transistor común por que su base ha sido sustituida por un cristal fotosensible que regula el flujo de corriente colector – emisor de acuerdo a la luz incidente sobre él (en nuestro caso luz infrarroja).

El fototransistor, aunque con la apariencia de un LED común, debe conectarse con la patilla larga a masa y la corta a voltaje.

LED DE POTENCIA

El panorama de los leds de alta potencia es muy complejo y variable. Para aumentar la potencia muchas veces los fabricantes construyen leds compuestos por varios leds más simples colocados en el mismo substrato (conectados en serie y en paralelo). De cualquier manera, con los leds de potencia simples y tensión de umbral entre 3V y 3,6V, existen dos valores de corriente bastante usados: 300mA y 600mA, estamos hablando de leds de 1 Watt y de 2 Watt respectivamente. 

DIODO ZENER

Tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente.

Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en el sentido de la flecha. En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo.

FOTODIODO

Luz incidente

Sentido de la corriente generada

El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina).

Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga. El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo.

DIODO-TÚNEL 

Una característica importante del diodo túnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarización directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje. En consecuencia, el diodo túnel puede funcionar como amplificador, como oscilador o como biestable.

DIODO-VARACTOR O VARICAP 

El diodo Varicap conocido como diodo de capacidad variable o varactor, es un diodo que aprovecha determinadas técnicas constructivas para comportarse, ante variaciones de la tensión aplicada, como un condensador variable. Polarizado en inversa, este dispositivo electrónico presenta características que son de suma utilidad en circuitos sintonizados (L-C), donde son necesarios los cambios de capacidad.

DIODO SHOTTKY 

Llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", es decir, rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, dejando de lado la región Zener, que es cuando existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que a pesar de estar polarizado en inversa éste opere de forma similar a como lo haría regularmente.

DIODO PIN 

Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa n de alta resistividad (ν).

El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:

• conmutador de RF
• resistencia variable
• protector de sobretensiones
• fotodetector

DIODO GUNN

Tipo de diodo usado en la electrónica de alta frecuencia. A diferencia de los diodos ordinarios construidos con regiones de dopaje P o N, solamente tiene regiones del tipo N, razón por lo que impropiamente se le conoce como diodo. Existen en este dispositivo tres regiones; dos de ellas tienen regiones tipo N fuertemente dopadas y una delgada región intermedia de material ligeramente dopado. Cuando se aplica un voltaje determinado a través de sus terminales, en la zona intermedia el gradiente eléctrico es mayor que en los extremos. Finalmente esta zona empieza a conducir esto significa que este diodo presenta una zona de resistencia negativa.