TECNOLOGÍA DE LOS COMPONENTES

Circuitos integrados analógicos

Circuitos integrados analógicos

Exposición Nº 5Grupo 27

Temario1. Objetivos2. Antecedentes3. Definición de circuito integrado4. Estructura física5. Definición de circuito integrado analógico6. Señales analógicas7. Amplificadores operacionales8. Simbología de los amplificadores

operacionales9. Códigos10. Costos

Circuitos integrados analógicos

Objetivos

Los objetivos planteados para el siguiente trabajo son:

Conocer la historia de los circuitos integrados, cómo y cuando surgieron.

Conocer de que materiales están hechos. Conocer el proceso de fabricación. Saber para qué sirven y donde son utilizados Conocer las funciones que realizan en los aparatos y/o

sistemas. Conocer la simbología y los códigos que rigen su fabricación. Saber las normas de calidad que deben cumplir dichos

circuitos.

Antecedentes

El primer circuito Integrado fue creado por Jack Kilby en la empresa Texas Instruments en el año de 1959; poco más de una década después de la invención del transistor en los laboratorios Bell en 1947.

La introducción de los transistores en la construcción de ordenadores fue el inicio de un proceso de miniaturización de los componentes electrónicos a nivel mundial.

¿Qué es un circuito integrado?Los Circuitos Integrados son

pequeños circuitos electrónicos fabricados con una función específica como pueden ser: Operaciones AritméticasFunciones lógicasAmplificaciónCodificaciónDecodificaciónControladores, etc.

Un circuito integrado o (ci) es un dispositivo electrónico que está asociado por una serie de elementos asociados inseparablemente sobre un substrato único; aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductor de silicio.

Estos Circuitos Integrados por lo general se combinan para formar sistemas mucho más complejos que pueden ser desde una calculadora, un reloj digital, un videojuego, hasta una computadora, etc.

Estructura física

La característica más notable de un Circuito Integrado es su tamaño.

Puede contener 275, 000 transistores, además de una multitud de otros componentes como son transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, y medir desde menos de un centímetro a poco más de tres centímetros.

Forma

Diferentes circuitos integrados

Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos completos como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.

¿Qué es un circuito integrado analógico?Los circuitos integrados analógicos se caracterizan porque las entradas y salidas son señales analógicas.Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos completos como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.

Señales analógicasEs un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo en función del tiempo.

Señales analógica y digitalesSeñal analógicaSeñal eléctrica analógica es aquella en la

que los valores de la tensión o voltaje varían

Señal digitalSeñal generada por algún tipo de fenómeno

electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango.

Diferencia entre señal analógica y señal digital

Una señal analógica puede verse como una forma de onda que toma un continuo de valores en cualquier tiempo dentro de un intervalo de tiempos.

Una señal digital es una forma de onda muestreada o discreta, pero cada número en la lista puede, en este caso, tomar solo valores específicos.

Ejemplo de aparato que funciona con señales digitales o analógicas

Si el termómetro tiene un tubo de mercurio, la salida es una señal analógica. Ya que se puede leer la temperatura en cualquier momento y con cualquier grado de exactitud.

Si termómetro es digital toma la forma de un lector numérico,, la salida es una señal digital. La lectura es el resultado de muestrear la y de exhibirla luego hasta una resolución predeterminada.

Amplificadores operacionalesEs un dispositivo lineal de propósito general

el cual tiene capacidad de manejo de señal desde f = 0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene además limites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificación también definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100 dB.

Antecedentes de los amplificadores

Los primeros años del amplificador operacional no fueron los de un circuito integrado de 8 patitas. Este amplificador operacional era un tubo al vacío.

El Sr. George Philbrick, que trabajaba en los Huntington Engeneering Labs, y a quien se le atribuye su invención, lo introdujo al mercado en el año 1948.

Fue la empresa Fairchild la que en los años 1964 y 1967 introdujo al mercado los conocidos amplificadores operacionales 702, 709 y 741. Y la National Semicoductor hizo lo mismo con el 101/301.

Amplificador operacional

Amplificador operacional 741

Uno de los circuitos integrados de mayor utilización es el amplificador operacional conocido también como amplificador de tensión

Simbología de los amplificadores operacionales

Los terminales son:◦ A: entrada no inversora◦ B: entrada inversora◦ VOUT: salida

◦ +Vcc: alimentación positiva

◦ -Vcc : alimentación negativa

Estructura física del amplificador operacionalEncapsulado

El amplificador operacional se fabrica en un diminuto chip de silicio y se encapsula en una caja adecuada. Alambres finos conectan el chip con terminales externas que salen de la cápsula de metal, plástico cerámica.

Encapsulado de caja metálica

Viene con 3, 5, 8, 10 y 12 terminales. El chip de silicio está unido a la placa metálica del fondo para facilitar la disipación de calor. La lengüeta identifica el pin 8 y los pines están numerados en sentido antihorario cuando la caja metálica se ve desde arriba.

Encapsulado doble en línea (DIP) de 14 pines

Se dispone de cápsulas de plástico o de cerámica. Cuando se ven desde arriba un punto o muesca identifica el pin 1 y las terminales están numeradas en sentido contrario al de las manecillas del reloj.

Encapsulado doble en línea (DIP) de 8 pines

FuncionamientoLos circuitos integrados pueden descomponerse en una serie de bloques elementales los cuales son:•Etapa de entrada•Etapa de ganancia•Etapa de desplazamiento de nivel•Etapa de salida•Etapa de polarización

Etapa de Entrada

Etapa de Ganancia

Etapa de

Desplazamiento

Etapa de Salida

Etapa de Polarización

Etapa de Entrada

Tiene la característica fundamental de presentar una alta impedancia de entrada y dos terminales de entrada a las cuales se puede aplicar indistintamente la señal de excitación, una de las entradas es inversora (I) y la otra no inversora (NI), esta denominación se debe a que las señales aplicadas se obtienen en las salida con inversión o sin inversión de fase respectivamente.

ETAPA DE GANANCIA

Tiene la propiedad de disponer de una alta ganancia que prácticamente impone la ganancia del circuito integrado.

ETAPA DE DESPLAZAMIENTO DE NIVEL

Esta etapa existe en algunos circuitos integrados dependiendo de la aplicación. Generalmente en los amplificadores operacionales este circuito no se emplea.

ETAPA DE POLARIZACIÓN

Es la que se encarga internamente de polarizar a todos los bloques y mantenerlos estables a todos los elementos activos del circuito integrado.

CIRCUITO BÁSICO DE LA ETAPA DE ENTRADASe considera al amplificador diferencial balanceado

la configuración optima para las etapas de entrada, por su inherente balance de tensión base-emisor y ganancia de corriente de corto circuito de los transistores , los que se procesan en forma idéntica durante la fabricación, por la posibilidad de evitar el uso de resistencias de valor elevado y por que la ganancia de un amplificador diferencial es función de la relación de las resistencias del colector y no de sus valores absolutos, además esta configuración puede proporcionar amplificación lineal en un rango muy amplio de frecuencias, desde las componentes de continua hasta frecuencias muy elevadas, este amplificador cumple con el requerimiento de tener dos entradas de información con una alta impedancia de entrada.

FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO

El par diferencial de transistores monolíticos Q1 y Q2 mostrados en la figura funcionan de manera similar a un par de transistores discretos en una configuración de ese tipo.

Amplificador Operacional idealLa patilla (+) es la patilla no inversora y la patilla (-) es la patilla inversora.La salida es asimétrica, es decir, referida a la tierra.Normalmente se encuentra alimentado por dos fuentes +Vcc y –Vcc

Las características fundamentales son:

•Ganancia de lazo abierto, infinita: Ao = ∞•Impedancia de entrada, infinita: Ze = ∞•Impedancia de salida, nula: Zs = 0

A las características antes mencionadas se puede añadir las siguientes:

Ancho de banda, Infinito: BW = ∞Margen dinámico: ± Vcc

Tiempo de conmutación: nuloRuido: NuloGanancia de modo común, nula: Ac = 0Ganancia de modo diferencial, constante: Ad = k

Circuito equivalente del AO:La tensión de salida de un

amplificador operacional ideal es la diferencia de tensión en las entradas multiplicada por un factor A (ganancia en lazo abierto), donde A>>0 [en el caso ideal A= ∞]

Gráfica del amplificador operacional ideal

Amplificador Operacional real

Las características del amplificador operacional ideal no pueden alcanzarse en la realidad, sin embargo, se aproximan a los valores ideales.

• Ganancia de lazo abierto, infinita: Ao = muy alta (100000)

• Impedancia de entrada, infinita: Ze = muy alta (100 MΩ)

• Impedancia de salida, nula: Zs = muy baja (40 Ω)

• Ancho de banda, Infinito: BW = muy grande (1 Hz – 1 MHz)

• Ganancia en modo común asimétrica: Ac ≠ 0, pero muy próxima

Gráfica del amplificador operacional ideal

Códigos

Cada tipo de amplificador operacional tiene un código de identificación de letra y número.

Este código responde a cuatro preguntas:

¿Qué tipo de amplificador es?¿Quién lo fabrica?¿De qué calidad es? ¿Qué clase de encapsulado contiene el

chip del amplificador operacional?

Prefijo de letras El código de prefijo de letras por lo general consiste de dos letras que identifican al fabricante. En los siguientes ejemplos se dan algunos códigos. Prefijo FabricanteAD Analog DevicesCA RCALM National Semiconductor Corp.mc MotorolaNE/SE SigneticsOP Precision MonolithicsRC/RM RaytheonSG Silicon GeneralTL Texas InstrumentsμA (UA) Fairchild

Número del circuito

 El número del circuito se compone de tres a siete números y letras que identifican el tipo de amplificador operacional y su intervalo de temperatura.

Intervalo de temperatura

C: comercial, 0 a 700CI: industrial, -25 a 850CM: militar, -55 a 1250C 

Sufijo de letras El sufijo de una y dos letras identifica el tipo de encapsulado que contiene al chip del amplificador operacional.

Código de Descripción encapsulado D De plástico, doble en línea para montaje en la superficie en una tarjeta de circuito impreso.i De cerámica, doble en línea.N,P De plástico, doble en línea para inserción en

receptáculo. (las terminales traspasan la superficie superior de una tarjeta de circuito impreso y se sueldan a la superficie inferior.)

Lectura de los códigos

Fairchild Amplificador operacional encapsulado de propósito general plástico con intervalo de temperatura comercial.

COSTOS

Después de consultar el costo de los diferentes amplificadores operacionales en el mercado local, se obtuvo un intervalo de costos para los diferentes tipos de amplificadores, los cuales oscilan entre los 2 Bs. hasta los 10 Bs.Amplificador operacional UA741CN, uno de los más cotizados por los consumidores, oscila entre los 2 Bs. hasta los 5 Bs. dependiendo de donde se pregunte, ya que sus características son las mismas por ser del mismo fabricante (Fairchild). Fuente: Proveedores de componentes electrónicos Calle Colombia.

Fin de la presentación