circuitos electronicos ii - semana 03

Ing. Edgard Oporto Diaz

CIRCUITOS ELECTRONICOS II

Mdulo: II Unidad: 01 Semana: 03

SCHIMIT TRIGGERS Y GENERADORES NO

SENOIDALES

FILTROS ACTIVOS

ORIENTACIONES

- Estudiar el material de ayuda antes de la sesin respectiva.

- Escuchar atentamente la tutora

- Para intervenir y hacer preguntas levantar la mano

- Ingresar con sus apellidos y nombres, no con seudnimo

- Desarrollar los ejercicios propuestos

CONTENIDOS TEMTICOS

Schmitt triggers

Generadores no senoidales

Filtros

Tipos

Filtros activos con OPAMPS

COMPARADORES

Funcionamiento

Seal sin ruido Seal con ruido

No son prcticos para eliminar ruido

Los comparadores se suelen usar como regeneradores de seal (pero de seales sin ruido)

Se compara Vi con Vr

COMPARADORES

El OPAMP tiene dos modos de trabajo, como:

Amplificador (realimentado en diversas configuraciones) Comparador, sin realimentacin

Como amplificador, trabaja en la zona lineal Ud 0 VComo comparador, trabaja en la zona NO lineal Ud 0 V

Curva Vs-Ud real Curva Vs-Ud ideal

COMPARADORES

En adelante se ver en modo comparador

Vs Salida del OPAMP

Es limitada por la fuente

Usos de los comparadores

Activacin de salidas

Regenerador de seales

Chips comparadores

LM139 LM239 LM339

LM111 LM211 LM311

LM393


Ruido

SCHMITT TRIGGERS

O disparador de Schmitt.

Es un tipo especial de comparador.

Emplean dos tensiones de referencia.

Toda variacin de seal entre ellas no genera cambios en la salida.

Previene que el ruido cause falsos cambios de estado.

SCHMITT TRIGGERS

Se basa en la histresis.

Previene que el ruido cause falsos cambios de estado

Histresis

Tendencia a conservar el nivel lgico o valor de salida hasta que no se

produzca un cambio brusco en la entrada.

Tensin de histresis

Diferencia entre las dos tensiones de referencia

SCHMITT TRIGGERS

Comparador sin histresisUn solo nivel de referencia.

La salida cambia segn la entrada

sea mayor o menor que la

referencia.

Si Vi > Vr => Vo = 0V

Si Vi < Vr => Vo = Vsat

Comparador con histresisDos niveles de referencia.

Si Vi > VDS => Vo = -Vsat

Si Vi < VDI => Vo = +Vsat

Si VDI < Vi < VDS => Vo No cambia


Eliminacin de efectos del ruido

Curvas de

histresis de

un comparador

Schmitt

Comparador Schmitt trigger

La seal de entrada se conecta a la

entrada no inversora a travs de R1, por

lo que se denomina comparador no

inversor.

Comparador de Schmitt no inversor

COMPARADOR Schmitt

Los niveles de comparacin

dependen de la salida y

son ajustables.

Funcionamiento del comparador Schmitt trigger

FILTROS

Existen diversos tipos de filtros:

Filtros pticos

Filtros acsticos

Filtros de correo

Filtro de aire

Filtro de acuario

Filtros electrnicos

Son dispositivo que atenan, amplifican, eliminan o simplemente dejanpasar los componentes de una seal o material que los atraviese.

FILTRAR = ELIMINAR

FILTROS ELECTRONICOS

Dispositivo que:

- Atena

- Amplifica

- Elimina

- Dejar pasar o

- Desfasa

las componentes de frecuencia de una seal.

El filtro afecta tanto la amplitud como la fase de las componentes.

COMPONENTES DE UNA SEAL

ANALISIS ESPECTRAL

Seales elementales

a) Continua o DC

b) Senoidal


ANALISIS ESPECTRAL

Toda seal consta de:

a) Parte continua, DC, valor promedio, OFFSET

b) Senoidales a distintas frecuencias, amplitudes y fases

DC + senoidal

A todo el conjunto de

senoidales de una

seal se les llama AC

o componentes AC


ANALISIS ESPECTRAL

Grafica en el DOMINIO del tiempo

To = 1 ms fo = 1 KHz


ANALISIS ESPECTRAL

Grafica en el DOMINIO de la frecuencia

A esta grfica se le llama ESPECTRO DE FRECUENCIA de f(t)


ANALISIS ESPECTRAL

Seal en los dominios del tiempo y la frecuencia


ANALISIS ESPECTRAL

ESPECTRO DE FRECUENCIA del SENO

La grfica muestra una LINEA:

a) UBICACION DE LA LINEASe ubica en la frecuencia del seno

b) MAGNITUD DE LA LINEAEs proporcional al valor pico del seno


ANALISIS ESPECTRAL

a) Ubicacin de las lneas

Indican la frecuencia de cada

componente SENO de una seal

b) Tamao de las lneas

Indican la magnitud de cada SENO que

conforman una seal


ANALISIS ESPECTRAL

Espectro de frecuencia de una seal

a) Muestra el contenido de frecuencias de dicha seal.

b) Muestra el contenido de SENOS de una seal

FRECUENCIA SENO

SEAL SENO

Es una seal elemental.

Contiene solo UNA

frecuencia


ANALISIS ESPECTRAL

OTRAS SEALES

Contienes varios, muchos o infinitos senos.

Es decir, contienen ms de una frecuencia.

POR LO TANTO

Su espectro contiene ms de una LINEA

Dos DOMINIOS distintos

pero equivalentes


ANALISIS ESPECTRAL

Espectro de frecuencia visto con analizador de espectros


ANALISIS ESPECTRAL

Componentes de una seal cuadrada

TIPOS DE FILTROS ELECTRONICOS

- Analgicos

Trabajan con seales continuas

Pueden ser:

- Pasivos

- Activos

- Digitales

Trabajan con seales digitales, se implementan en cdigomediantes procesadores.

- De capacitores conmutados

Hbridos, contiene elementos analgicos y digitales


FILTROS PASIVOS

Son filtros analgicos.

Solo emplean componentes pasivos.

Resistores

Capacitores

Bobinas

Uso tpico para frecuencias superiores a 1 MHz

Bobinas: solo a frecuencias altas. Son voluminosos a frecuencias bajas.


FILTROS ACTIVOS

Son filtros analgicos.

Uso tpico para frecuencias menores a 1MHz.

Emplea componentes activos y pasivos (resistores y capacitores).

Componentes activos

Son aquellos que proporcionan cierta amplificacin.

Transistores

OPAMPs


FILTROS PASIVOS

Siempre atenan

FILTROS ACTIVOS

Presentan ganancia o atenuacin segn la frecuencia.


Se describen mediante su funcin de transferencia.

Funcin de transferencia H(s)

Es el modelo matemtico del filtro.

Describe su comportamiento.

Relaciona la salida con la entrada mediante la transformada de Laplace.

Entrada Salida

FILTRO

FILTROS

TIPOS DE FILTROS

Filtro PASO BAJO (LP) Filtro PASO ALTO (HP)

Filtro PASO BANDA (BP) Filtro RECHAZA BANDA

TIPOS DE FILTROS

Filtro pasa bajosPermite el paso de frecuencias bajas, desde 0Hz (DC o continua)hasta una frecuencia determinada (frecuencia de corte - fc).

Atena en forma considerable las frecuencias mayores a lafrecuencia de corte.

Presentan ceros a alta frecuencia y polos a bajas frecuencia.

TIPOS DE FILTROS

Filtro pasa altosPermite el paso de frecuencias mayores a una frecuencia de corte(fc) determinada. No existe un lmite superior especificado.

Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.

TIPOS DE FILTROS

Filtro pasa banda

Permiten el paso de componentes contenidos en undeterminado rango de frecuencias, comprendidos entre unafrecuencia de corte inferior y otra superior.

f1 o fc1 Frecuencia de corte inferior

f2 o fc2 Frecuencia de corte superior

Atena o elimina todas las frecuencias queestn por encima o debajo de los lmitesde la banda asignada.

TIPOS DE FILTROS

Filtro rechaza (o elimina) banda

Impide el paso de componentes contenidos en undeterminado rango de frecuencias, comprendido entre unafrecuencia de corte inferior y otra superior.

TIPOS DE FILTROS

Filtro NOTCH

Impide el paso de una frecuencia especfica.

TIPOS DE FILTROS

PARAMETROS DE UN FILTRO ANALOGICO

Banda de paso

Rango de frecuencias que pasan sin ser filtradas.

Banda de rechazo o atenuada

Rango de frecuencias que son rechazadas.

PARAMETROS DE UN FILTRO ANALOGICO

La frecuencia de corte

Donde la amplitud cae en 3 dB de su valor en la banda de paso.

Desfasaje

Entre la entrada y la salida. En general, diferente para cada frecuencia.

Viene dado por una funcin de transferencia.

FILTROS ACTIVOS CON OPAMPS

Parmetros: Dominio de la Frecuencia


No es posible realizar filtros idealesCada tipo de filtro optimiza un aspecto parcial:

- Respuesta plana en la banda de paso

- Minimizacin del rizado

- Pendiente de transicin ms pronunciada

FILTROS REALES

FILTRO PASABAJO

Plantilla de

aproximacin

FILTRO PASABAJO

Aproximaciones

FILTROS RC - Comparacin


Tipos de filtros

Los filtros ideales tienen aproximaciones ya estudiadas. Su anlisis matemtico es complejo.

Las ms comunes y usados son:

Butterworth

Bessel

Chebyshev


Tipos de filtros segn funcin de transferencia

Filtro de Butterworth

Ganancia lo ms plana posible en la banda de paso

Corte poco abrupto en la zona de transicin

Filtro de Chebyshev Corte ms abrupto en la zona de transicin

Mayor rizado en la banda de paso

Filtro de Bessel

Mnima deformacin de la seal

Desfase lineal con la frecuencia


Comparacin entre filtros


Filtros especiales

Existen filtros activos bsicos que se emplean en aplicaciones no crticas.

Los filtros:

Butterworth

Bessel

Chebyshev

Se disean para cumplir requerimientos ms crticos, como:

Ganancia plana en la banda de paso

Transicin rpida entre las bandas de paso y rechazo

Para ello, la funcin de transferencia debe tener polo complejos.


Filtros especiales

Butterworth

Respuesta plana en la banda de paso

Cada suave en la regin de transicin

A mayor orden del filtro, aumenta la rapidez de cada.

Uso tpico como filtro antialias


Filtros especiales

Chebyshev

Rizado en la banda de paso

Cada ms rpida que Butterworth

A mayor orden del filtro, aumenta la rapidez de cada y el rizado.

Bessel

Variacin lineal de la fase en la banda de paso.

La seal que pase por el filtro no tiene distorsiones pero si retardo.


Aplicaciones de diseo

Texas Instruments

Linear Technology

Microchip


Contiene red de realimentacin con resistencias y reactanciascapacitivas.

La ganancia del filtro es funcin de la frecuencia de la seal de entrada

El anlisis del circuito se hace en el dominio de la frecuencia.


Circuitos bsicos

Pasa Bajos

Orden 1

Pasa Altos

Orden 1

Los filtros bsicos se emplean cuando no se tienen exigencias de ganancia

plana en la banda de paso o de transicin rpida entre las bandas de paso

y rechazo.


Filtro pasa bajo


El filtro activo tiene ganancia, es decir la banda pasante no solo es atenuada (como en los filtros pasivos) sino que es amplificada

Filtro pasa baja


Filtro activo pasa alta


Filtro activo Pasa alto

Orden 2 Tipo Sallen-Key


Filtro activo pasa banda

Incluimos en la configuracin pasa-alta la realimentacin pasa-baja


Filtro activo Pasa banda

Orden 2 Tipo Sallen-Key


Filtros especiales

FACTOR DE CALIDAD Q DE UN FILTRO PASABANDA

fm Frecuencia central

f1, f2 Frecuencias de corte inferior y superior


FILTRO TIPICO PASABAJOPor divisor de tensin:

Funcin de transferencia


FILTRO TIPICO PASABAJO - DISEO

Frecuencia de corte, fc: La ganancia se reduce 0.707 veces su valor en DC.

Procedimiento


FILTRO TIPICO PASABAJO - RESPUESTA

Valor de ganancia a fc se encuentra haciendo wRC = 1:


FILTRO BUTTERWORTH PASABAJO

En muchas aplicaciones se requiere que la ganancia sea plana o unitaria en la

banda de paso.

Respuesta en frecuencia ideal (lnea continua) y real (a trazos) para tres tipos

de filtro Butterworth.

A mayor

pendiente, el filtro

se aproxima ms

al ideal.

Se pueden usar arreglos

(como el filtro previo) en

cascada para aumentar

la pendiente, pero

requiere dos OPAMPS.


FILTRO BUTTERWORTH PASABAJO de -40dB/dcada

Es el de uso ms comn.

Luego de fc, la magnitud cae a -40dB por cada aumento en 10 de la frecuencia.



Procedimiento de diseo



Procedimiento de diseo para fc = 1KHz, con C1 = 10nF


FILTRO BUTTERWORTH

PASABAJO de -60dB/dcada

Consta de dos etapas en

cascada:

Pasabajos de -40dB/dcada

Pasabajos de -20dB/dcada

Pendiente: -60dB/dcada

Las ganancias parciales se

multiplican.


FILTRO BUTTERWORTH

PASABAJO de -60dB/dcada

Las ganancias parciales se

multiplican.



PROCEDIMIENTO DE DISEO



PROCEDIMIENTO DE DISEO EJEMPLO

Halle C1, C2 y R para fc de 1KHz con C3 = 0.01uF.

Solucin


FILTRO BUTTERWORTH PASAALTO


FILTRO BUTTERWORTH PASAALTO DE -20dB/dcada

Es ms fcil ajustar R que C.




Tpico C = 10nF



Circuito



Respuesta en frecuencia


FILTRO BUTTERWORTH PASAALTO

Comparacin


Ganancia mxima a fr (Frecuencia de resonancia)

Banda de paso: entre fL y fH

Ancho de banda (BW o B): fH fLBW no est necesariamente centrado en fr, por eso no se usa el trmino fc.

FILTROS PASABANDA


FACTOR DE CALIDAD Q

Mide la selectividad del filtro.

Un Q alto indica que el filtro selecciona una banda ms pequea, es ms selectivo.

FILTROS PASABANDA


FILTROS PASABANDA

Tipos

a) De banda angosta

Q > 0.5

Se construyen en una sola etapa

b) De banda ancha

Q < 0.5

BW es dos o ms veces fr

Se construyen poniendo en cascada filtros pasa-bajo con un pasa-alto.


FILTRO PASABANDA DE BANDA ANCHA (Orden 2)

Ambos filtros deben tener la misma ganancia en la banda de paso.

La fc del pasa-bajo debe ser 10 ms veces la fc del pasa-alto.

Se muestra circuitos con dos filtros de -40dB/dcada


FILTRO PASABANDA DE BANDA ANCHA (Orden 2)


FILTRO PASABANDA DE BANDA ANGOSTA (Orden 2)

fr = 100 Hz

BW = 500 Hz

Q = 2

fL = 780 Hz

fH = 1280 Hz

En general:

CONCLUSIONES Y/O ACTIVIDADES DE

INVESTIGACIN SUGERIDAS

a) Simule los circuitos Schmitt triggers estudiados

b) Defina en sus propias palabras las caractersticas, ventajas y

desventajas de los diversos tipos de filtros activos.

c) Simule los diversos circuitos de filtros activos estudiados.

GRACIAS

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