NO CIRCUITOS LINEALES9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 Comparadoresde voltaie Aplicacionesde los comparadores DisparadoresSchmitt de Rectificadores precisin Interruptoresanalgicos Detectores de pico Amplificadoresde muestreo y retencin Problemas Referencias

para compoftarseen hasta el momento fueron diseados Todos los circuitos estudiados negativaparaprovocar foma lineal.La iinealidadseconsiguea) usandoretroalimentacin que el amp op opere dentro de su regin lineal y b) realizandoel circuito de retroalimentalineales. cin con elementos positiva, o incluso El uso de un amplificador de gananciaalta con retroalimentacin en que el dispositivoopereprimordialmente saturaalguna,ocasiona sin retroalimentacin no biestablees altamente lineal y constituyela basede los circin. Este comportamiento cuitos del comparadorde voltaje y del disparadorSchmitt. El comportamientono lineal tambin se consiguerealizandoel circuito de retroaliEntre analgicos. no como los diodosy los interruptores mentacincon elementos lineales, de de los los ejemplosms comunesse encuentran rectificadores precisin,los detectores y Existeotra clasede circuitosno lineales. pico y los amplificadores muestreo retencin. de del exponenciales BJT para obteneruna caractersticas los cualesexplotanlas predecibles no de variedadde caractersticas transferencia lineal. como la amplificacinlogartmicay a de Estacategora circuitosno linealesseinvesti-sar fondo en la multiplicacinanalgica. el captulo13.

DE 9.1 COMPARADORES VOLTAJELa funcin de un comparadorde voltaje consisteen compararel voltaje vp en una de sus y con el voltaje v de la otra entrada, obtenercomo salidaya seaun voltaje bajo entradas nn voltaje alto VoH,de acuerdocon V6o

411

112CAPrL't.o 9 Circuitos no lineales

v(V)

+CMP

.{

Ll)

o)

FIGURA 9.1 d d S i m b o l i s m o e l c o m p a r a d o r e v o l t a j ey l a V T C i d e a l . (Todos los voltaiesde nodo estn referidosa tierra.)

vct = Vot

paravP < rN

(9.1a) {9.1b)

r() =Vutt

P a r aY p > Y v

es paralos comparadores el empleado en Como se muestra la figura 9.1a,el simbolismo son variablesanalgictt' mismo que para los amps op. Se observaque mientrasvp Y v,ry debido a que puedenasumir un conjunto continuo de valores,v eSuflo variable binarit; correcSe {r puedeasumiruno de dos valores,V. V7. considera debidoa que nicamente de como un convertidoranalgico-digital I bit. to observaral comparador anteriores de Si se introduceel voltaje dif'erencial entradavD=rp - r:N,las ecuaciones tambin se puedenexpresarcofiIo v. Vparura < 0 Y y lo = VoaPara v > 0 V. Lil de curva de transferencia voltaje (VTC) que se muestraen la figura 9.1, es una curva no lineal. En el origen, la curva es un segmentovertical, lo cual indica que ah existe una gananciainfinita' obien vsf vp = oo.En la prctica,un comparadorslo logra aproximar realesque estntpicamenteen el rango que va desde estaVTC idealizadacon ganancias en ubicadas en 103hasta106V/V. Fueradel origen,la VTC consiste dos lneashorizontales la no ser necesariamente, simtricos; obstante, niveles deben, no vo=Vt.tt! rt=V,,. Estos Lo en simetraes deseable ciertasaplicaciones. ms importantees que los dos nivelesestn parahacerposiblesu distincin.Por ejemplo,las aplicaciones separados lo suficientemente = digitales requieren qte V. = 0 V y que V.s 5 V.

Eltiempo de respuestade En las aplicaciones alta velocidad es importanteconocerqu tan rpido respondeun comparadorconforme el estadode entradacambia de i, < ru,arp ) i',v,Y viceversa.La tambinllaen velocidaddel comparadorse caracteriza trminos del tempode respue.sta, para retrusode lu propagacin p, el cual se define como el tiempo que transcurre mad lN pafa yP < vN

19.2al t9.2bl

La tuncin de Q9 y R5es proporcionarproteccina Q contrala sobrecarga, la manera de 3\puestapara los ampsop en la seccin-5.7.Existendos razonesparautilizar transistores -: entracla como se defini en 7lrp. la primeraespermitir que el rangode voltajede entrada,

R6

600o

l0 .rA

l{) LtA

o,

500 "tAR5 4A

v-.a)

3ko

Tierra Entrada Entrada vnr

vcrSalida Balance/Estroboscopio Balance

b)

()

FIGUBA 9.4 y si o L : de C o m p a r a d o r v o l t a j e M 3 1 1a ) c l i a g r a m am p l i f i c a db ),t e r m i n a l e sc ) a n u l a c i n (Cortesa National Semiconductor.) de del desvo. un es la seccin5.7, se extiendahacia abajo hastaV,y la segunda sostener alto voltaje diferencialde entrada. hasta50 mA de co.riente.En cambio, cuando Cuandoesten operacin,Q0 al,canz.a una insignificantecorrientede fuga tpica de 0.2 nA. Tanto las no estoperando,alcanza externamente terminalesclel colector como las del emisor (ignorandoR5) son accesibles El para permitir que el usuariopolarice a Q6 cleacuerdoa sus necesidades. esquemade jaladora,como se muestra R6'meramente polarizacinms comn implica una resistencia

116C rpirulo 9 Circuitos no lineales

Yccltgi.n1

Ycclt,igi.u

t / " C(sar)

Y F1t'g,

c' r

Yr'ltgi"o1

0)

b)

L )

FTGURA 9.5 a ) P o l a r i z a c i d e l a e t a p ad e s a l i d ad e l L M 3 1 1c o n n u n a r e s i s t e n c ija l a d o r aF 6 .c i r c u i t o s a equivalentes para los estadosde a) ,,salidabaja,,y b) ,,salida alta,,.

en la figura 9'-5a' Para vp 4 v,0o se satura por ro que es modelado con una f-uente v6.-1..,,; como en la figura 9.5. Por 10 tanto, ro= VEE(.1(rgico) * Vc(sat). Tpicamente V(.o(sat)= 0. I V por consiguiente, se puede aproximar- l / \' t v () OL * r r = vEArlogirrr pafa Up

yN

(e.3 b)

Las expresiones anteriores indican que los niveleslgicos de salidaestnbajo el control del usuario.Por ejemplo,si.7cc(r,gi.o) v y vutrogi'.nr - 5 = o v, se outienecompatibilidad'rT[. y CMoS. Si se_establece V-ccriogr*t l5 ;t;E(l,gico) = _15 V se proclucen = niveles de salidade - l-5 V pero sin las no?abies incertidumb;.; J; los voltajesde saturacin del amp op. El 311 tambinpuecle operardesdeuna sola alimentacinlgica de 5 V si seestablece = Vccltogi.o) Vcc= 5 V y V616* V6- 0 V. De hecho, c.)= en el modelocleuna sola alimentacinel dispositiv. estacapacao para funcionarhasta vr,.c= 36 v. En la figura 9'6 nuestra otro esquema se popular de polarizacin,el cual utiliza una resistencia reductoraR para opetarQ como un seguidoremisor. E,sta alternativaes til cuandose crea una interfasecon cargasaterrizadas como los rectificadores silicio conde trolados (scR), de los cuares exponclr ejemplo se un en Ia seccinr 1.5.En la figura 9.6 se muestranlas VTC correspondientes los dos esquemas a de polarizacin.Es importante observarlaspolaridades opuestas las closcul.vas. de En la figura 9'7 se muestranlos tiemposde respuesta del 3l I para varias sobrecar-eias de entrada.Las respuestas correspondientes Vn= -5mV se u.un aon tiecuencia a para colrlparardif'erentes dispositivos.con baseen los diagramas, 3l I se puede el caracterizar bsicamente como un comparadorde 200 ns cuanclose usa con un resistorjalador en el ordende unoscuantos kiloohntios. AI igual que los dispositivosampsop relacionados, Ioscomparadores voltaje sufien . cle iie erroresde cc de entradacuyo ef'ectoes cambiar el punto disparadorcleentradapor un.'i]'t]f

Et =Vos +Rr1N -RoI ,

{9.4)

a l

Funcin lranslerencia de Vcc (rgi.u)

E J U

vo

0.3 Ylc tlgi.u1

-0.! 0 0.1

(mV) de V0ltaie diferencial entrada b)

a)

9 FrcuRA .6 d a) Polarizacin e la etapa de salidadel LM311 con una resistencia j a l a d o r a R r . b ) c o m p a r a c i n d e l a V T C p a r a l a p o l a r i z a c i nd e j a l e h a c i a a r r i b a y d e j a l e h a c i a a b a j o . ( C o r t e s ad e N a t i o n a l S e m i c o n d u c t o r ' )

en donde V5es el voltaje de desvo R+,y despus se resuelvepara las otrasdos. ffi ffi ff ff 9'5' considere el comparador la figura que cle 9.22a esdel LM339con v. 31ry""o tipo t U Especitique resistencias las adecuadas Vrt, OV, para = Von= 5 V, Vrrl | .5y y V7a= ).J \r SoJucin. rQ-2.2kQ (que un valorrazonable) Sea = es y R = 100 (elcualesun valormucho ke : : : , : : 1 "se. t T l : k f Rr.= 40 o n c e s , 1 / R 2 = ( t . s / 3 . r r r / R t + l / 1 0y t ) R 1 = r / R z + t / 1 0 0 . t t " ) 0/ resorveri obrrene) E n t ke (urilizar 39 ke) y Rz= 66.jt tutif OS iro, tOl.

t=d:u{'+.+) +=t'#[+.a)

En la figura 9.23a se ml:stra la configuracin no inversorader disparadorSchmitt de una sola arimentacin. Aqu, Ia funcin ae n1 y R2 es proporcionar una porarizacinade_ ,-uada para r,. Si se establece 0 Paraur 0, y la figura 9.26b,es No "Ofo = lvl

(e.16)

Un FWR tambinse denominacircuito de valor absoluto. Los rectificadoresse implementanutilizando dispositivosno linealestales como los cadade voltaje en polarizacindirecta,distinta de cero diodos.En la prctica,VDsn,la de en efforesintolerables la rectificacinde seales bajo nivel. ocasionar de un diodo puecle estadeficienciaseevita colocandoel diodo en ]a ruta de retroaComo severms adelante, limentacinnegativade un amp oP.

l a,'

u)

b)

FrcuRA 9.26 y r R e c t i f i c a d o re m e d i a o n d a ( H W R ) r e c t i f i c a d od e o n d a d c o m p l e t a( F W R ) .

436C,qprrrr-o9 Circuitos no lineales

Superdiodo

FIGURA 9,27 Rectificador media onda bsico. de

Rectificadoresde meda ondaEl anlisisdel circuito de la figura 9.27 sefacilita si se consideran separaclo por los casos, >0yv 0: En respuesta una entradapositiva, la salidadel amp op vltambin a se volver positiva,encendiendo diodo y creandopor lo tanto la ruta cle el retioalimentacin negativa mostradaen la figura 9.284. Esto permite aplicar el principio del corto virtuai y escribir ro= vr. Se observaque para hacerque l,o siga a r'1. amp op aptica el a su salida unacadade diodo por encimade v.. S.1,17 l, * V1.,,. = r,o + 0.7 = esto V. Al colocar .) el diodo dentro del ciclo de retroalirnentacin elimini .urqui.i error se debido a su cadade voltaje.Paraenfatizaresteef-ecto ciramtico la retroalimentacin de negativa,la combinacin diodo-amp se conocecomo un supertliotfut. op 2. ,'t < 0: Ahora la salidader amp op se'uelre ne-gativa, apagando diodo y por ende el causando la corriente trar's R se con'rertaen cero.por lo tanto,yr. que a de = 0. como seilustraen la tigura9.18b.el anrpop ahora estoperando el modo de Iazoabierto, en y c o m ot r < i 1 . l a s r l i d a e s a t u r a n r . x t = V O L C o n V 6 = - 1 5 v o = _ 1 3 s e . V. V L'nade:r'enraja errecircuitoes quecuando cambiade negativo positivo, de f a el amp ,rp debe1irde la saturacin despus r cambiarpor completodesdev= vor = _ 13y h:l ,.,, = I, - ().1\- paraascerrarelciclo deretroalimentacin. Todo lo anteriortoma trenrp\\. :1 r; hr cambiado fbrma apreciable \ en durante proceso, puedeexhibir una el t,'o

vo=\)

a)

b)

FrcuRA 9.28 C i r c u i t o s q u i v a l e n t ed e l H W R b s i c op a r a e n t r a d a s a ) p o s i t i v a s e s y t') negativas.

t375F,-,-' 'i ! l R : c 1 :i r c : . c , : : . ' . rJl prc,:.: r

a)

b\

FIGURA 9.29 HWR mejorado y su VTC.

distorsinintolerable.El HWR mejoradode la figura 9.29 mitiga estainconveniencia utilizandoun segundodiodo para asegurar nivel de saturacin el negativajustoa una cadade diodo debajode la tierra. Procediendo como es usual,se identificandos casos: 1. v > 0: Una entradapositivaocasiona lo QueD1 conduzca, que creauna ruta de retroalimentacinnegativaalrededordel amp op. Por el principio de tierra viftual se tiene que vN = 0, lo que indica que D1 ahorasujetala salidadel amp op en r - -V1q"n.. Adems,D2 estapagada, 1otanto no fluye corrientea travsde R2 y, por ende,vo = 0. por 2. vt < 0: Una entradanegativaocasiona que el amp op se vuelvapositivo,por 10que D2 se por medio enciende. anteriorcreauna ruta de retroalimentacin Lo negativaalternativa de D2y R2, la cual todavaasegura v= 0. En forma clara,Dl ahoraestapagado, eue por lo tanto la corrientesuministrada por el amp op a R2 debe ser igual a la coriente a b s o r b i d a p o r v / d e s d e R l , o b (e n - 0 ) / R z = ( 0 - v ) / R 1 . D e l o a n t e r i o r s e o b t i e n e v o i vo = (-R2f R)v. Adems, yAo= ro * rrD2(enc). El comportamiento circuito se resumede la siguientemanera: del vo=O p a r a r ' t> 0 para vr < 0

iii,,iL

,/tL ,ul

ruillltf

(9.17a) (9.17b)

il p!L lL

v, = -(.R7 / Rr)v

y en la figura 9 .29b se muestrala VTC. Explicado con palabras, circuito actacomo un el HWR inversorcon ganancia. salidadel amp op Vm an cuentacon una cadade diodo La por encimade v7 cuandovo > 0; sin embargo,cuandov( = 0, v es sujetado alrededor en -0.7 V esto es, dentro de la regin lineal. En consecuencia, ausenciade retrastr: la de relacionados y con la saturacin la excursinreducidadel voltaje de salidaresultr Ln.: en dinmica uy mejorada. m

Rectificadoresde onda completaUna fbrma de sintetizar valor absoluto una seales mediante c'.nrl:.rn.1..:, de 1r ;. el mismaseal rectificada mediaondainvertida unarel.-ron1 l. ., : de en con su versin rectificacin medi ondain,.:se muestra la figura 9.30.Aqu AOI proporciona de en y AO2sumaa v ! ala salida t,, HWR usyen unarelacinl a 2 paraobtener = -r ft .'l . (R5/Rj)vsy. Considerando para rsy = -(fuf R)v para ]'7> 0. r r 1,,r eue puedeescribir

438Cprulo 9 Circuitos no lineales R r= RA A -

p.- pY V

R:=R^ ^

Rt=Rl2 D2

Rs=AR

toI-\

v7

\

Dl

\YHw

-i\ovo---l

V'

*u7

+l

;-,.

FIGURA 9.30 F W Rd e p r e c i s i n c i r c u i t od e v a l o r a b s o l u t o . o

vo = ApvI vo = -Arv,

p a r a v ,> 0 v , p a r a y l< 0 v

(9.18a) {9.18b)

dondeR. A- =t " R 4

R,R. , A '" - - - : - - - - ' : - 4 R'R,

(9.191

Se desea que ambasmitadesde la ondade entradaseanamplificadas la misma ganancia por Ap=Ar=A,paraellosepuedeescribirvs=A,par&v>0y =-Arrpaau7 0, Dl estencendido, que permite queAOl conservesu entradainversora lo n la tierra virtual. con la salidade Ao1fija en -v1("n,D2 estapagado, que permite lo que fta transmitaV a AO2. De esteltimo, que actacomo un amplificadorno inverso se ,btienevg = Arv, R a n - - ' , ' R .2

2ErParav < 0, D1 estapagado D2estpolarizado y directamente R4. AO1 anconserva por su entrada inversoraen tierra virlual, pero a travsde la ruta de retroalimentacin D.-AO2-R3R2.Por KCL, (0 * v)/Rt = (yo * 0)/(Rz+ R3),o bien v = -A,vr Rz+ Rz A- = " R l Si seestablece Ao- Ar=A esposible escribir forma concis en avo= Alvrl.Esta condicin se cumple estableciendo = Rz = R y R: = (A - l)R, como se muestraen la figura. Es claro Rr que slo se necesitan dos resistencias idnticas.

Convertidoresde ca-ccLa aplicacinmscomn de los circuitosde precisinde valor absolutoes la conversinde ca-cc, esto es, la generacinde un voltaje de cc proporcionala la amplitud de una onda de ca dada.Pararcalizarestatarea,primero serectifica con ondacompletala sealde ca, y despus stasepasapor un filtro pasabajaspara sintetizarun voltaje de cc. Este voltaje es e\ promedio de la onda rectificada,

440CAPruLo 9 Circuitos no lineales

)',,l'. m, l'prnn,

0)

b)

FIGURA 9.32 a) Relacin y entre yrms v^,y entre Tprom v. bl Diagramade bloque de un convertidor y oe ca-cc.

Ynru.

=+ I;

|' ' ull,lr

dondev(t) es la onda de ca y Zes el periodo.Sustituyendo r(/) = Vn sen2nJi, dondeV. es la amplitud de pico y.f = 1/T es la fiecuencia,se obtiene = Yprnu, (2 /n)V,,, = 0.637v,n Un convertidor de ca-cc se calibra para que cuando sea alimentadocon una seal de ca proporcionecomo resultadoel valor del.araz cuadrticamedia (rms).

4m,

'od,) =(+{l

\l 2

Al sustituirv(t = y* sen2nft e integrandose obtiene Vr^,=v- lJ2 =0.i0iVEn la figura 9.32a se muestranlas relaciones entre los valorespromedio y rms, y el valor pico. Estas relaciones,que se aplican para las ondas senoidales pero no necesariamente paraotrasfbrmasde onda,indicanque con la intencinde obtenerVrn,. partir de Vo.n,r, a se necesita multiplicaresteltimo por (l l'/\/(2/n) = 1.1l. por lo tanto,el diagramaie bloquescompletode un convertidorde ca-cc es como se muestraen la figura 9.32. En la figura 9.33 se muestrala realizacinde un convertidorde ca-cc.La gananciade l. l I V/V se ajustapor medio del potencimetro 50 kQ, y la capacitancia de proporciona filtrado pasa-bajas frecuencia cortefi= l/2nRsC, clonde es la resistencia con de R5 netaen p a r a l e l o c o n C , o b i e n l . lx 2 0 0 = 2 2 2 k Q . P o r l o t a n t o , / = 0 . l l T H z . U t i l i z a n d o l o s a m p s l op de entrada JFET de respuesta rpidaLTI 122,es posibleque el circuito procese una seal ca de 10 V pico a pico con un anchode bandade 2 MHz. La capacitancia debe ser lo suficientemente grandepara mantener elrizo residualde salida dentro de los lmites especificados. anterior requiere que est bastantepor Lo /s debajo de la frecuenciade operacinmnimafiin. En vir-tudde que un FWR duplica la tiecuencia.el criterio para especificarC se convrerteen

^

l 4nRrJ^^

200kov v

IFF

20koA A -

20 kQ^ ^ -

100 k()

200 kQ

-50ko

lN4r48

tI kQ LT1I22

)

lN4l48

LT] t22

\

FIGURA 9.33 Convertidor banda ncha eca-cc. de a d Como una regla empricaconservadora, debeexcederal trmino derechode la ecuacin C enunnnrerodevecesigualalversodelerror.fraccionaldelrizoqluepuedesertolerado in a la saiida.Por ejemplo,para un error de rizo de lVo. C debeser alrededorde l/0.01 = 100 vecesms grandeque el trmino derechode la ecuacin.Parapermanecer dentro de este emor hastael extremo inferior del rango de audio, de forma guel.i' = 20 Hz, el circuito anteriorrequeriraC = 100/(4n x 222 x 103 x 20) = 1.8F.

9.5 INTERRUPTORES ANALGICOSMuchos circuitos necesitaninterruptoreselectrnicos,esto es, interruptorescuyo estado seade voltajeprogramable. Algunos ejemploscomunessonlos amplificadores troceadores, los convertidores D-A, los generadores funcin, los amplificadores de S/H y las alin.rentacionesintemuptoras potencia.Los interruptores de tambinse usanpara enrutarseales en sistemasde adquisicin de datos, y para reconfigurar circuitos en instrumentacin programable. como se muestraen la figura 9.34a,sw se ciena o se abre,dependiendo nivel del lgico en la entradade control C/O. CuandoSWestcerradose producevoltaie cero inde-

Cerrado

(clo -- H)Abierto

crlo

\li

'

! l r

FrcuRA 9.34 I n t e r r u p t o r e a ly s u s c a . a c t e ' s :l 3 S id

I y

142Cpirlro 9 Circuitos no lineales

I / r,1,l"n"

Yr;.! < YGs trpagl a) ol

Ycs Excitadorde SW b\

3 , 3k Op^ Qt

2N29)7

o/c5V OV

2ko

Apagado Encendidoa)

FTGURA 9.36 E lJ F E T e c a n a n c o m ou n n t e r r u D t o r . d l

corte de tlrenaje Io@pag)ylacorriente inversct compuerta1555. de Atemperaturaambiente, estas corrientes estntpicamente el rangode un picoampere; embargo, mismasse en sin las duplicancon cadaincrementode l0 "C. Lo anteriorpuedeser de intersen ciefias aplicaciones. como se verposteriorrnente. Un interruptorJFEIn populares el 2N4391 (Siliconix), cuyosvaloresde temperatura _4Vs V651"our). -l0Vrdr(enc) < 30Q, Ioapas 100pA, lcss S l00pA < ambienteson: fluyendo haciaafuerade la compuerta, retrasode encendido< l5 ns, y retrasode apagado < 20 ns. En la figura 9.36 se ilustra una aplicacintpica de interruptor.La funcin del interruptoresproporcionaruna conexinestablecer/romper entreuna fuentev y una carga R,mientrasque la funcin del excitadordel interruptores traducirel comandolgico O/C compatiblecon TTL al impulso de compuertaapropiado. Con O/C bajo (= 0 V), la unin E-B de Q1 estapagada. ende.tanto0t com(rJ_ por jaladorade Rr. D1 estpolarizado estn apagados. Debidoa la accin inversarnenre. .i,r.. 1r permitequeRl mantenga con.rpuerta mismo potencial ,i la al que el canal.Er.rt..nc:s. .-3:ti v6s = 0 independientemente r'7. 1oque e1interrLrptor encielt.le de por se C o n u n O / C a t t o( = 5 V ) . Q 1c o n d u cr o b l i s a q L r e . \ e : r l l i e . - , , - u e , l e r a l a e a a Q compuerta cercade -15 V. Con un r oltajede ctnrfuelr.r r,. neJrrl.. l- '.r.irrlii,r,r 3>r apagado. Paraprevenirque"/1comience funci(ln:.rt m"ner" :l:-,i::- j.'. :: Jebeltmitar r'en a de la direccinnesativa.f 1 ( m n= V E E + V c E : , . . ,* l l , . . . . - \ ' , , . . . , )

(s.221

= 3 Por ejemplo,con V651"ou*-4 V se obtiene\'1,min - I -i * I ).I - i , - (-J) - - 1()\-. lit que indicaque el circuitooperar apropiadamente cuando1 enrrada slo estpof encinta de -10 V.

444CrpirtrLo 9 Circuitos no lineales

FTGURA 9.37 I n t e r r u p t o r a l g i ctoe r r a t i l i z a n d o E T e c a n a p . an i u JF d l Parala operacina alta velocidad,2 conectaun capacitorde 100 pF entrela entrada se de control y la basede Q2para elevarla velocidadde los tiemposde encendidoy apagado de Qz,y un diodo SchottkyHP28l0 entrela basey el colectorde Q2 (nodoen la base)para eliminar el retrasode almacenamiento Q2. Varios fabricantescuentancon excitadores de JFET as como con combinaciones estetipo de excitadores su forma IC. de en La configuracinde la figura 9.36 requiereun excitadorde gran dedicacindebido a que el interruptordebeir con Ia sealu7. se permiteque el interruptorpermanezca un Si en potencialcasi constante, como el potencialde tierra virtual de un amp op, entonces tal el excitadorsepuedesimplificar o inclusoeliminar,como semuestraen la configuracinclela figura 9.37. Esta configuracin,referida como interntptor analgco-tierrao interrlq)tor de corriene,utiliza un JFET-rdiseado para una compatibilidaddirectacon niveleslgicos estndar. JFET-2 es similar al JFET-n,exceptoque el corte clevoltaje ahoraes posiEl tivo, o bien Vc.siapag Adems,la fabricacinde JFET-p^s compatiblecon la tecnolo> 0. es ga bipolar de bajo costo.El interruptoroperade la siguientemanera. Cuandola entradade control O/C es baja se tiene 1651= 0, lo cual indica que Jl se enciende. se desea Si compensar la presencia r.11.c), usa./r,el cual es un JFET por de se ficticio, en la ruta de retroalimentacin amp op con la compuerta la fuenteunidaspara del y mantenerla permanentemente encendida. y "/2son dispositivosidnticospara asegurr Jt = que trr(enc) //sl(e'c) por ende,v6f v = -l Y /Y. y, CuandoO/C es alta,o bien ycsr > Vcsr(opagl, estapagado por lo tantola propaga_ ./1 y cin de la sealse inhibe, entonces vo/yt = 0. D1 proporcionauna funcin cleaseguramiento para prevenirque el canal se enciendainadvertidamente durantelas alternancias positivas de i,. En resumen,el circuito proporcionagananciaunitaria cuando o/c es baja, y ganancia cerocuandoO/C es alta. El principio de la figura 9.37 es especialmente en aplicaciones amplificadores rtil de sumadores. la combinacinde entradaresistor-diodo-interuptor replica ft veces,se Si se obtieneun mttltiplexoranttlgicode canctlft, el cual es un dispositivousadoampliamente en interruptores adquisicin datosy sealde audio.El interruptorcuadreteAH50l0 de de (National Semiconductor) consisteen cuatrointemuptores FETT y sujeciones relativascle diodo ms un FET ficticio en el mismo paquete. Con un amp op externoy cinco resistores, es posible tealizarun multiplexorde cuatrocanales, al colocarmltiplesAH50l0 en y cascada puedeexpandira virtualmente se cualquier nmerode canales.

lnterruptoresMOSFETEn virtud de cluela tecnologa MOS constituyela basedel VLSI digital, los inrerruptores \1OS sin pnicularmente atractivos cuandoen el mismo chip deben coexistir funciones

l,;s )) V,i.st"n.l

l'c.t )) Itj,.,,-

+I c.t

l'cs < Yr;s1"u.) u)Dt

tr;J ( Vc.t("n.)

(:)

FtcuRA 9.38 MOSFET enriquecimento canaln (Vcsr"n"r y suscaractersticas de de > 0), /-y.

analgicas digitales. y Los MOSFET estndisponibles su versinnormalde encenclido en o de agotamiento, como en su versinnornal de apagado de enriquecimienrr. ltima as o Esta versines por mucho la ms comn,puestoque constituye baseclela tecnologa la CMOS. En la figura 9.38 se muestranlas caractersticas MOSFET de enriquecimiento del de canaln. o para decirlo en forma ms simple MOSFET-n. Su comportamiento similar al es del JFET-n, exceptoque con yGJ= 0 el dispositivo estapagado.para hacer conductivo al canal,u55se debeelevarpor encimade algn umbral vc.r(enc) 0; entrems grandesea > r'55n coparacin con vc,s(en.), conductivoserel canal.Cuandoel MoSFET-n se ms operaen un aneglo de tierra virtual del tipo de la figura 9.37,steabrecuandoel voltaje de compuertaes bajo, y cierra cuandoel voltaje de compuertaes alto. Si el MoSFET-I se conectaen un arreglo flotante del tipo de la figura 9.36, la conductividaddel estadoencendidoya no es unifbrmementealta, pero varajunto con v7 debido a que el mismo u65 eSuna funcin de r1. El canal es bastantemenos concluctivo durantelas alternancias negativas r, y, en realidad.paravaloressuficientemente de positivos de v stepuedeapagarse. Talesinconvenientes eliminan empleando par de FET se un MOS (CMOS) complementarios, paraque unomanejelasaltemancias negativas umiende tras que el otro lo hacecon las positivas.El primero es un MOSFET- enriquecimiento, de y el ltimo es un MOSFETT de enriquecimiento, cuyascaractersticas similaresa las son del MOSFET-I?,exceptoque el umbral de encendidoahoraes negativo.Por 1otanto. para hacerconductivoa un MoSFET-p, se necesita < Que165 ( vc.r("n.r 0; as.entre ms bajo Se& comparado V55.n.1. conductivo t]65 con ms ser canal. el Parasu operacirn apropiatla. el MOSFET-Idebeserexcitado antifase respecto MOSFET-. en con al Conrose muestra en lafigura 9.39o.para casode fuentes alimentacin el de sinrtrica Doder. cle estaercitacin la proporciona inversorCMOS ordiniri-. un Cuando C/O esalta,la compuerra MOSFET-n,11,, alrar la cIeI del es MOSFET-p M,,es baja,por lo que ambosdispositivos encienden. se Cornose nllestrt la figura g.3gb,M, en ofiece baja resistencia slo sobrela parte inferior del rango de la seal,y Mr, nicamente sclbre porcinsuperior mismo rango.Sin embargo, la del como equipo.estosdispositivos ofiecen una resistencia paralelo combinadaque es razonablemente en baja a lo largo cle todo el rango V55< 17 < VDD. final, cuandoC/O es baja, ambosFET se apagany se Al inhibela transmisin la seal. de La configuracin bsicade la figura 9.39. tambinllamadaconlpLrerta transmisi7. de estdisponible variasversiones nivelesde desempeo. de los ejemplos en y Dos msantiguos

146Cpnro 9 Circurtosno lineales

Resistencia paralelo en

a)

b)

FIGUBA 9.39 c o m p u e r t ad e t r a n s m i s i n M o s y s u r e s i s t e n c i a c d i n m i c a o m o u n a f u n c i nd e y . c son el intenuptor cuadrete bilateral cD4066 y el multiplexor/demultiplexor

de ocho canales cD405 1' originalmenteintroducidospor la R,{. El 40i r tu-ien p.opi..ionu unu ,runsracin de nivel lgico para permitir que el intem-rptor funcione .on ,.u. analgicasbipolares mientrasacepta niveleslgictlsunipolares. consultar libros l los cledatos,es posibleencontrar una amplia variedad otrosproductos de del tipo del interruptorMOS.

9.6 DETECTORES PICo DELa funcin de un tretectortrepict es capturar el varor pico de la entraday producir v _ r1(pico). alcanzar Para estameta,sehaceque vo siga a v hastallegar al uuioa pr.o. Entonces, este valor se retienehastaque se presente un pico nuevo y ms grande,en cuyo caso el circuito acttarizaruo al nuevo valor pico. nn ta rigura 9,40a se-muesrra e3empio un de formas de onda de entraday de salida.Los detectores pico tienen su aplicacirin de en la instrumentacin pruebasy mediciones. de

a)

)

FIGURA ,40 9 :crmas de

onda del detector de picg y diagrama c.lel circuito.

,o - '1

117Sccrr9.6 Detectores plco de

a)

b)

FIGURA 9.41 y durante el modode rastreo b) el modode retencin. a) Detectores picoequvalentes de cuatrobloques:a) una memoria De la descripcin anteriorseidentificanlos siguientes de cuya capacidad lnalgica pararetenere1valor del pico msreciente:staes el capacitor, lma;enar cargala hace actuarcomo una memoria de voltaje, como para V = Q/C: b) un paracargarposteriormente capacitorcuandosurja al interruptorde coriente unidireccional por Lrn nuevopico: stees representado el diodo; c) un dispositivoparaobligar al voltaje de un a )a capacitancia rastrearal voltaje de entradacuandose presente nuevo pico: stees el vo seguidorde voltaje; d) un interruptorparareiniciar peridicamente hastacero: lo anteFET en paralelocon el capacitor. rior se logra con un interruptorde descarga son realizadas. respectivamente. En el circuito de la figura 9.40b las tareasanteriores cap p o r C r , 2 , A O t y S W . L a f u n c i n d e A O T e s s e p a r a r e l v o l t a j e d e la c i t o r p a r a p r e v e n i r l a D Adems,Dt y Rt evitanqueAOi se descarga medianteR y por medio de una cargaexterna. un saturedespus que se ha detectado pico, y por endeayudana recuperarla velocidad de el cuandose presenta pico nuevo.El circuito operade la siguientemanera. D1 Con la llegadade un pico nuevo,la salidade AOl se vuelvepositiva,apagando r en encendiendo como se muestra la figura 9.41a.AOl utiliza la ruta de retroalimenteD2 Como no fluye coniente cinD2-A02-Rpara mantenerun corto virtual entre susentradas. llnr;,a a travsde R, el resultadoes Quev rastrear v/. Duranteestemodo, acertadamente do el mrdr rastreo,AOl producecorrientepara cargara C1a travsde ll.. r' sLr';1:J-, de conduceuna cadade diodo por encimade u, o bien u7= vo * Vozn ). que 1o Despus llegar al pico y/ empiezaa decrecer, cual clcasiona la sahdaJ: 1t t de y .,-.: lo D2 tambindecrezca. consecuencia, se apaga D seenciende, que proptrritr'F..1 En ruta de retroalimentacin alternativaparaAO 1 como se muestraen la fi-eurQ J I ;' p , .' , una cadade diodoprrrJ-:.: r: de concepto cortovirtual,Ia salidade AOl ahoraconduce : v, o bien vr = vr - Vpl(enc). Duranteestemodo, llamadoel modo (le rri,t:,: ' y -1r-..: permanece constante, la funcinde R es propor.rrrr-,r: r.. - -: voltajedel capacitor corrienteparal)1. rrir que si D2 y AO2 secolocandentrode la ruta de retroalinrentc d: f 1r . : Se observa debiclosa las cadasde voltaje a trar'sde D; r il ',, .:., ; :: eliminan todos los errores en de.{0' es urtil . :r.:-.:: desvode entrada AO2.Todo lo que se necesita la entrada de de -r baja polarizacin entrada suficientemente paraminimizarla deicarga capr. i:-,:-.,: lo de de de picos.Los requerimientos AOl sonun eror de entracla cc conrenier:: t : rt: de entrelos -' altr de de bajo,ascomo unacapacidad corriente salidalo suficienterlente prra crr_: .. L ' -..1e durantelospicosrpidos.Adems,AOyquiz.necesiteserestabilizadacontralosFl,

,148Crpn'ro 9 C i r c u i t o sn o l i n e a l e s

lazo de retroalimentacin introducidospor r,,7! C7, porAo2.Lo anteriorse logra usual_ y mentepor medio de la adecuada conexinde capacitores compensacin paralelocon de en Dt Y R' En forma tpica,R esten el ordende unoscuantoskiloohms, y las capacitancias de compensacin encuentran el ordende unascuantasdecenas se en de picofara 100'C' y t'-) que proporcloll c1e comparaclor puente circuito 100 ic el l 0 0 . C , u t i l i z a n c l o u n s o l o c o m p a r a d ot r p lo 3 3 g y u n t e r m i s t o r q u e t e n g a R ( 2 5 ' C ) = kQ,8=400()K.suponienclotoleranciasclelOTcparaloscomponentes.hagaunaprevisitin cle.lllitr:teeracloclelpunt.,det.eferenciaybosquejeelprocedirr-rientodecalibracin.

e.3

del un E,mpleando amp op, dos comparadores tipo 339. un BJT npnZN22'22y los lesistores de una entrada datosr ] una entradade control que Senecesiten, diseeun circuito que acepte que un LED de 10 mA y L5 V se activesiempre Que-V 1t1< V7. Vr. 0, y que ocasione -r l5 V de Supongafuentesreguladas oc < r < 5 "C y uo - 0 v en cualquierotro Diseeun circuito que produzcavo = 5 v para 0 del caso,utilizando dos comparadoes tipo 339 y un termistordel tipo del problema9.2. Suponga un solo suministroreguladode 5 V. que el detectorde ventanade la figura P9.5 tiene una ventanacuyo centlo se conDemuestre dibuje y etiquetela trola por medio tJeu7] cula amplitud es controladamediantev2; despus V T C s ii r = 3 V y 1 , 2 = 1 V .

{57

9,+

y.

P9.5 FIGURA 9.6 clel Empleandotres comparadores tipo 339, un diodo de referenciaLM385 de 2.5 V un LED diseeun circuito que que se requieran, HLMP-4700 del tipo del ejemplo 9.2 y los resistores que el LED se activesiempreque y de monitoreeuna fuenteclepocler l5Y + 5o/c que ocasione la fuente estdentro del rango. g.7 LM339, y cuaffo cuadrete Utilizando un diodo de referenciaLM385 de 2.5 V un comparador medidor de grfico de barrasde 0 V a 4 V' El LED 4700 del tipo del ejemplo 9.2, diseeun por de de circuito debeteneruna impedancia entrada al menos I 00 kQ y debeestaralimentado una sola fuente de 5 V. de -r 15 V. diseeun 3ll alimentadomediantefuentesreguladas Empleantloun compararlor + 10 V. y que genereuna onda circuito que acepteuna onclatriangular con valores pico de 95(i. p,'r 5lr descle hasta variable pico de a5 V y un ciclo D de trabajo. con cuadrada valores kQ. de medio de un potencimetro 10

tlII

9.8

ilh l|llll

Schmitt 9.3 Disparadores9.g :: E n e l c i r c u i t o d e l a f i g u r a 9 . 1 0 4 . s e a 1 r u n a o n d a t r i a n g u l a r c o n \ a l o r e ) p\r' i' t r c : - = t13 V. Modifiqueel ctrcuitoparaque la fise de su .:lltd de ond; cu:Jr;. r:lrirr: t%"t de vareentre0' 90' por medio de un potenctrletrLr ir.)k9 \Iu:'::. l.i: a la e la entrada, j etl V fbrmasde ondade entrada de salidacuandola e-icobrlla en e Punlt'medltl

illl

n

458Cprulo 9 Circuitos no lineales

e.lo

a) Derive la ecuacin9'14. b) Especifique resistencias las adecuadas el circuito de la figura en 9.23, paralograr que Vot = 0 Y, V67= 5 V, VrL= 1.5 y V Vra =2.5 V con Vcc = 5V Trate de mintmizar el ef'ectode la corriente de polarizacin de entrada. Suponiendogue Vr(enc)0.7 V y t%ur = -f 13 dibuje = y etiquetela VTC del disparador V Schmitt inversor clela figura p9.1I .

9.tl

13.3 o k

13.3 Q k

FIGURA P9.11 9'12 a) Suponiendo que el amp op de la figura9.2}a se saturaen - 13 v, dibuje y etiquetela vrc st una resistencia = ll kf) se conectaentrelos nodos Ri etiquetados y -l-5 V. ) Mo