Circuito Integrado

1952 AD AL 1970 AD

LOS PRIMEROS CIRCUITOS INTEGRADOS

Los transistores empacados individualmente eran mucho mas pequeños que sus predecesores, los tubos al vacio, pero los disenadores todabia deseaban dispositivos electronicos mas pequenos. Lo que aumento la demanda de miniaturizacion y motorizo la investigacion en ese sentido fue el desarrollo del programa Americano de Investigacion Espacial (American Space Program).

Desde algun tiempo fatras los ingenieros y cientificos habian estado pensando que seria una buena idea tener disponibilidad para fabricar circuitos enteros en na sola pieza de semiconductor.

La primera discusion publica sobre esta idea se debe a un ingles experto en radares llamado G.W.A. Summer, por un escrito publicado en 1952. De todas formas no fue hasta el verano de 1958, que el Sr. Jack Kilby, trabajando para Texas Instruments, progreso en la fabricacion de componentes multiples en una sola pieza de semiconductor. El primer prototipo de Kilby fue un oscilador de fase y, a pesar de que las tecnicas de manufactura subsecuentemente tomaran caminos diferentes a los tomados por Kilby, el sigue teniendo el credito de haber creado el primer verdadero circuito integrado.

En el 1963, FAIRCHILD manufacturo un dispositivo llamado el 907 que contenia dos compuertas logicas, las cuales consistian en cuatro transistores bipolares y cuatro resistores. El 907 tambien utilizo capas aislantes y estructuras internas, las cuales son caracteristicas comunes en los circuitos integrados modernos.

En 1967, FAIRCHILD introdujo un dispositivo llamado el micromosaico, el cual contenia algunos cientos de transistores. La principal caracteristica del micromosaico era que los transistores no estaban conectados entre si. Un disenador usaba un programa de computadoras para especificar la uncion pue se requeria que el dispositivo realice, y el programa determinaba las interconecciones necesarias de los transistores y construia las fotomascaras requeridas para completar el dispositivo. El micromosaico esta acreditado como puntero de los circuitos integrados de aplicaciones especificas, y tambien como el primer dispositivo anadido con aplicacion real en el diseno de computadoras.

En 1970, FAIRCHILD introdujo la rimera memoria RAM (Random Access Memory) estatica de 256 bits llamada 4100, mientras Intel aunciaba la primera RAM dinamica de 1024 bits llamada 1103, en el mismo ano.

1971 AD al 1976 AD

Con los beneficios que aporto el uso de los circuitos integrados aparece el adnienimiento de los microprocesadores. Esto era evidente por si mismo por numerosas razones, entre las cuales se encuentran el gran tamano que tenian las computadoras, su alto precio, y lo tedioso o dificultoso que era el utilizarlas.

Debido a que las computadoras eran muy grandes y por lo tanto caras, solamente las grandes instituciones podian comprarlas y solo eran utilizadas para tareas computacionalmente interinas y complicadas, lo cal explica porque las computadoras en esa epoca eran pocas y separadas por distancias abismales, y reduciendo a un grupo elite y exclusivo el grupo de personas que podian utilizarlas y conocer como estas trabajaban.

Debido a que la tecnologia de los circuitos integrados estaba en su infancia o etapa inicial y todabia no era posible construir miles de transistores en un solo circuito integrado hasta fines de los 60's y mediados de los 70's, las computadoras se encontraban sumidas en n letardo hasta que aparecieron y se desarrolaron las distintas escalas de integracion.

Las escalas de integracion de los circuitos integrados aparecieron y se fueron desarrollando en la siguiente secuencia de acuerdo a la densidad de integracion que poseian:

1)- Aparecieron los circuitos SSI (Small Scale Integration). Estos son los circuitos de baja escala de integracion, los cuales solo contienen un maximo de 10 compuertas logicas o 100 transistores y comprenden la epoca de investigacion de los IC's.

2)- Aparecen los Circuitos MSI (Medium Scale Integration). Estos son los circuitos de media escala de integracion, los cuales contienen entre 10 y 100 compuertas logicas o de 100 a 1000 transistores utilizados ya mas comercialmente.

3)- Se introducen los Circuitos LSI (Large Scale Integration). Estos contienen entre 100 y 1000 puertas logicas o de 1000 a 10000 transistores los cuales expandieron un poco el abanico de uso de los IC's.

4)- Aparecen los Circuitos VLSI (Very Large Scale Integration). Los cuales contienen mas de 1000 puertas logicas o mas de 10000 transistores, los cuales aparecen para consolidar la industria de los IC's y para desplazar definitivamente la tecnologia de los componentes aislados y dan inicio a la era de la miniaturizacion de los equipos apareciendo y haciendo cada vez mas comun la manufactura y el uso de los equipos portatiles.

Las distintas necesidades existentes en cuanto al uso de IC's dieron origen a distintas familias logicas que cumplieron con las especificaciones de potencia, voltaje y corriente de los circuitos que se disenan en la actualidad. Por estas razones y otras mas surgieron distintas familias logicas, que se enumeran en el siguiente listado:

a. Familia RTL (Logica de Resistores)

b. Familia DTL (Logica de diodos y transistores)

c. Familia TTL (Logica de transistores y transitores)

d. Familia TTL Schottky (Logica de transistores y transistores Schottky)

e. Serie TTL 7400/5400

f. Familia IGFET o ENHANCEMENT: Efecto intensificador EMOSFET (logica de transistores de efecto de campo complementario de oxido de metal)

g. Serie CMOS 74C/54C

h. Familia ECL (EMITTER COUPLED LOGIC)

i. Compuerta de logica de tres estados (TRI STATE LOGIC GATE)

j. Acoplamiento entre compuertas (INTERFACE)

k. Logica TTL con colector abierto (OPEN COLLECTOR TTL)

l. Compuerto de transmision (BILATERAL SWITCH)

Circuito Integrado

Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentran una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su área es de tamaño reducido, del orden de un cm² o inferior.

AVANCES EN LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Los avances que hicieron posible el circuito integrado han sido, fundamentalmente, los desarrollos en la fabricación de dispositivos semiconductores a mediados del siglo XX y los descubrimientos experimentales que mostraron que estos dispositivos podían reemplazar las funciones de las válvulas o tubos de vacío,que se volvieron rápidamente obsoletos al no poder competir con el pequeño tamaño, el consumo de energía moderado, los tiempos de conmutación mínimos, la confiabilidad, la capacidad de producción en masa y la versatilidad de los CI.

Entre los circuitos integrados más avanzados se encuentran los microprocesadores, que controlan todo desde computadoras hasta teléfonos móviles y hornos microondas. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados que son de importancia crucial para la moderna sociedad de la información. Mientras que el costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de producción el costo individual de los CIs por lo general se reduce al mínimo. La eficiencia de los CIs es alta debido a que el pequeño tamaño de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilización de lógica de bajo consumo (como es el caso de CMOS) en altas velocidades de conmutación.

Con el transcurso de los años, los CIs están constantemente migrando a tamaños más pequeños con mejores características, permitiendo que mayor cantidad de circuitos sean empaquetados en cada chip. Al mismo tiempo que el tamaño se comprime, prácticamente todo se mejora (el costo y el consumo de energía disminuyen y la velocidad aumenta). Aunque estas ganancias son aparentemente para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrías cada vez más delgadas. Este proceso, y el esperado proceso en los próximos años, está muy bien descrito por la International Technology Roadmap for Semiconductors, o ITRS.

Popularidad de los CIs

Solo ha trascurrido medio siglo desde que se inició su desarrollo y los circuitos integrados se han vuelto casi omnipresentes. Computadoras, teléfonos móviles y otras aplicaciones digitales son ahora partes inextricables de las sociedades modernas. La informática, las comunicaciones, la manufactura y los sistemas de transporte, incluyendo Internet, todos dependen de la existencia de los circuitos integrados. De hecho, muchos estudiosos piensan que la revolución digital causada por los circuitos integrados es uno de los sucesos más significativos de la historia de la humanidad.

Tipos

Existen tres tipos de circuitos integrados:

• Circuitos monolíticos: Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc.

• Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas.

• Circuitos híbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula (dices), transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten. En muchos casos, la cápsula no está "moldeada", sino que simplemente consiste en una resina epoxi que protege el circuito. En el mercado se encuentran circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes de alimentación, circuitos de encendido para automóvil, etc.

Clasificación

Atendiendo al nivel de integración - número de componentes - los circuitos integrados se clasifican en:

• SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: inferior a 12

• MSI (Medium Scale Integration) medio: 12 a 99

• LSI (Large Scale Integration) grande : 100 a 9999

• VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande : 10 000 a 99 999

• ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande : igual o superior a 100000

En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos:

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

• Circuitos integrados digitales: Pueden ser desde básicas puertas lógicas (Y, O, NO) hasta los más complicados microprocesadores.

Éstos son diseñados y fabricados para cumplir una función específica dentro de un sistema. En general, la fabricación de los CI es compleja ya que tienen una alta integración de componentes en un espacio muy reducido de forma que llegan a ser microscópicos. Sin embargo, permiten grandes simplificaciones con respecto los antiguos circuitos, además de un montaje más rápido.

Limitaciones de los circuitos integrados

Existen ciertos límites físicos y económicos al desarrollo de los circuitos integrados. Básicamente, son barreras que se van alejando al mejorar la tecnología, pero no desaparcen.

Las principales son:

1. Disipación de potencia-Evacuación del calor

Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el número de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipación de esta potencia, también crecen, calentando el sustrato y degradando el comportamiento del dispositivo. Además, en muchos casos es un comportamiento regenerativo, de modo que cuanto mayor sea la temperatura, más calor producen, fenómeno que se suele llamar "embalamiento térmico" y, que si no se evita, llega a destruir el dispositivo. Los amplificadores de audio y los reguladores de tensión son proclives a este fenómeno, por lo que suelen incorporar "protecciones térmicas".

Los circuitos de potencia, evidentemente, son los que más energía deben disipar. Para ello su cápsula contiene partes metálicas, en contacto con la parte inferior del chip, que sirven de conducto térmico para transferir el calor del chip al disipador o al ambiente. La reducción de resistividad térmica de este conducto, así como de las nuevas cápsulas de compuestos de silicona, permiten mayores disipaciones con cápsulas más pequeñas.

Los circuitos digitales resuelven el problema reduciendo la tensión de alimentación y utilizando tecnologías de bajo consumo, como CMOS. Aun así en los circuitos con más densidad de integración y elevadas velocidades, la disipación es uno de los mayores problemas, llegándose a utilizar experimentalmente ciertos tipos de criostatos. Precisamente la alta resistividad térmica del arseniuro de galio es su talón de Aquiles para realizar circuitos digitales con él.

2. Capacidades y autoinducciones parásitas

Este efecto se refiere principalmente a las conexiones eléctricas entre el chip, la cápsula y el circuito donde va montada, limitando su frecuencia de funcionamiento. Con pastillas más pequeñas se reduce la capacidad y la autoinducción de ellas. En los circuitos digitales excitadores de buses, generadores de reloj, etc, es importante mantener la impedancia de las líneas y, todavía más, en los circuitos de radio y de microondas.

Límites en los componentes

Los componentes disponibles para integrar tienen ciertas limitaciones, que difieren de las de sus contrapartidas discretas.

• Resistencias. Son indeseables por necesitar una gran cantidad de superficie. Por ello sólo se usan valores reducidos y, en tecnologías mos, se eliminan casi totalmente.

• Condensadores. Sólo son posibles valores muy reducidos y a costa de mucha superficie. Como ejemplo, en el amplificador operacional uA741, el condensador de estabilización viene a ocupar un cuarto del chip.

• Bobinas. Sólo se usan en circuitos de radiofrecuencia, siendo híbridos muchas veces. En general no se integran.

Densidad de integración

Durante el proceso de fabricación de los circuitos integrados se van acumulando los defectos, de modo que cierto número de componentes del circuito final no funcionan correctamente. Cuando el chip integra un número mayor de componentes, estos componentes defectuosos disminuyen la proporción de chips funcionales. Es por ello que en circuitos de memorias, por ejemplo, donde existen millones de transistores, se fabrican más de los necesarios, de manera que se puede variar la interconexión final para obtener la organización especificada.

Diseño de circuitos

Detalle de un circuito integrado

El diseño de circuitos es la parte de la electrónica que estudia distintas metodologías con el fin de desarrollar un circuito electrónico, que puede ser tanto analógico como digital.

En función del número de componentes que forman el circuito integrado se habla de diferentes escalas de integración. Las fronteras entre las distintas escalas son difusas, pero se denominan SSI (Small Scale of Integration) los circuitos de baja complejidad (algunas docenas de componentes en un mismo chip), MSI (Medium Scale of Integration) y LSI (Large Scale Integration) los circuitos de media y alta complejidad, y finalmente VLSI (Very Large Scale Integration) para circuitos extraordinariamente complejos, hasta cientos de millones de transistores. En esta última categoría entrarían los microprocesadores modernos.

SSI

SSI es acrónimo del inglés Small-Scale Integration (integración a baja escala) y hace referencia a los primeros circuitos integrados que se desarrollaron. Cumplían funciones muy básicas, como puertas lógicas y abarcan desde unos pocos transistores hasta una centena de ellos.

Los circuitos SSI fueron cruciales en los primeros proyectos aerospaciales, y viceversa, ya que los programas espaciales como Apollo o el misil Minuteman necesitaban dispositivos digitales ligeros. El primero motivó y guió el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados, mientras que el segundo hizo que se realizara una producción masiva.

Estos programas compraron prácticamente la totalidad de los circuitos integrados desde 1960 a 1963, y fueron los causantes de la fuerte demanda que originó un descenso de los precios en la producción de 1000 dólares la unidad (en dólares de 1960) hasta apenas 25 dólares la unidad (en dólares de 1963).

El siguiente paso en el desarrollo de los circuitos integrados, que tuvo lugar a finales de los 60, introdujo dispositivos que contenían cientos de transistores en cada chip y fue llamado MSI: Escala de Media Integración (Medium-Scale Integration).

VLSI

Acrónimo inglés de Very Large Scale Integration, integración en escala muy grande. La integración en escala muy grande de sistemas de circuitos basados en transistores en circuitos integrados comenzó en los años 1980, como parte de las tecnologías de semiconductores y comunicación que se estaban desarrollando.

Los primeros chip semiconductores contenían sólo un transistor cada uno. A medida que la tecnología de fabricación fue avanzando, se agregaron más y más transistores, y en consecuencia más y más funciones fueron integradas en un mismo chip. El microprocesador es un dispositivo VLSI.

La primera generación de computadoras dependía de válvulas de vacío. Luego vinieron los semiconductores discretos, seguidos de circuitos integrados. Los primeros CIs contenían un pequeño número de dispositivos, como diodos, transistores, resistencias y capacitores (aunque no inductores), haciendo posible la fabricación de compuertas lógicas en un solo chip. La cuarta generación (LSI) consistía de sistemas con al menos mil compuertas lógicas. El sucesor natural del LSI fue VLSI (varias decenas de miles de compuertas en un solo chip). Hoy en día, los microprocesadores tienen varios millones de compuertas en el mismo chip.

Hacia pricipios de 2006 se están comercializando microprocesadores con tecnología de hasta 65 nm, y se espera en un futuro cercano el advenimiento de los 45 nm.

MOS

MOS, acrónimo de las siglas en inglés de (Metal Oxide Semiconductor) hace referencia a una de las familias de FET, del tipo de óxido metálico semiconductor (MOSFET). Comúnmente son utilizados en electrónica y se encuentran en diferentes tipos.

CMOS

CMOS (del inglés Complementary Metal Oxide Semiconductor, "Semiconductor Complementario de Óxido Metálico") es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados (chips). Su principal característica consiste en la utilización de conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas.

En la actualidad, la inmensa mayoría de los circuitos integrados que se fabrican son de tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, DSPs y muchos otros tipos de chips digitales.

Principales fabricantes

La industria de los componentes es fundamental para la industria electrónica que a su vez lo es para el resto de industrias. El importante volumen de negocio de este tipo de industria en los

países más desarrollados les hace jugar un importante papel en sus respectivas economías. En la siguiente tabla se muestra un listado con las principales empresas fabricantes de componentes electrónicos. La mayoría son multinacionales en las que la fabricación de componentes electrónicos representa tan sólo una parte de campo de actuación.

Tendencias de los sistemas integrados

Oportunidades y retos de la tecnología de sistemas en chips y de sistemas integrados interconectados en la automatización industrial

Los avances de la tecnología de procesos y la disponibilidad de nuevas herramientas de diseño están ampliando el campo de aplicación de los sistemas integrados, que se implementan como conjunto de chips en una placa o como conjunto de módulos en un circuito integrado. La tecnología de sistemas en chips (SoC, System-on-Chip) se está extendiendo actualmente en la automatización industrial para crear complejos dispositivos inteligentes de campo. Esta tendencia va acompañada de la adopción de diseños basados en plataformas, lo que facilita el diseño y la verificación de sistemas complejos SoC con una amplia reutilización del hardware y software IP (Propiedad Intelectual). Otro importante aspecto de la evolución de los sistemas integrados es la tendencia a interconectar nodos integrados aplicando tecnologías de redes especializadas, conocidas frecuentemente como sistemas integrados interconectados (NES, Networked Embedded Systems).

La tecnología SoC (System-on-Chip), una revolución del diseño de circuitos integrados (CI), ha sido posible gracias a los avances de la tecnología de procesos, que permiten integrar los principales componentes y subsistemas de un producto electrónico en un solo chip o juego integrado de chips. Este desarrollo ha sido muy bien acogido por los diseñadores de chips complejos, ya que permite la máxima integración posible para obtener más rendimiento con menor consumo de energía y ofrece otras ventajas de coste y tamaño. Estos factores son muy importantes para el diseño y la utilización de SoC es, con gran probabilidad, una de las principales decisiones del desarrollo de sistemas integrados en tiempo real.

Un procesador SoC es un circuito integrado complejo, o juego integrado de chips, que combina los principales elementos o subsistemas funcionales de un producto completo. Los diseños SoC más exigentes incluyen al menos un procesador programable y a menudo una combinación de un procesador de control RISC y un DSP de procesado de señales digitales. También incluyen estructuras de comunicaciones sobre chips: bus o buses de procesadores y de periféricos y, en ocasiones, un bus de sistema de alta velocidad. Para los procesadores SoC es muy importante que el chip tenga unidades de memoria jerarquizadas y enlaces con memorias externas.

Para la mayoría de las aplicaciones de proceso de señales se proporciona por medio de hardware cierto grado de unidad funcional de aceleración, que consigue más rendimiento y menos consumo de energía. Para la interconexión con el exterior, el diseño de SoC incluye varios bloques de proceso de periféricos compuestos por componentes analógicos e interfaces digitales (por ejemplo, para buses de sistema en el nivel de tarjeta o panel posterior). La futura tecnología SoC puede incorporar sensores y actuadores basados en sistemas microelectro- mecánicos, o proce samiento químico (laboratorio en un chip).

Entre los diseños SoC más interesantes, que comprenden hardware y software, están los procesadores programables, los sistemas operativos en tiempo real y otros elementos de software dependientes del hardware. Así pues, el diseño y uso de SoC implica, además del hardware, diseño e ingeniería en el nivel de sistemas, compromisos de hardwaresoftware y particiones, así como arquitectura, diseño e implementación de software.

Dispositivo SoC típico para aplicaciones de consumo

Sistemas en chips programables

Recientemente se ha ampliado el campo de aplicación de SoC. Además de circuitos integrados personalizados (custom IC), circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) o componentes estándar de aplicación específica (ASSP), el nuevo planteamiento incluye ahora el diseño y uso de partes lógicas reconfigurables y complejas con procesadores integrados. En algunos casos se incorporan, además, otros bloques de elementos con propiedad intelectual, disponibles en el mercado, como procesadores, memorias o funciones especiales para aplicaciones, que se adquieren a terceros. Xilinx (Virtex-II PRO Platform FPGA, Virtex-IV) y Altera (SOPC) son algunas empresas que ofrecen estas matrices FPGA de puertas programables por el usuario. Esta tendencia hacia la tecnología SoC combina gran número de circuitos lógicos reconfigurables con procesadores RISC (reduced instruction set computing) integrados, para aplicar a un diseño combinaciones flexibles y adaptables de proceso de hardware y software.

Los algoritmos con gran contenido de lógica de control y gran flujo de datos de proceso pueden dividirse en el procesador RISC de control, cuya lógica reconfigurable acelera el hardware. La combinación resultante no maximiza el rendimiento ni minimiza el consumo de energía ni los costes, en comparación con custom IC o ASIC/ASSP para las mismas funciones, pero a cambio es muy flexible para modificar el diseño en el campo y evita los grandes costes de ingeniería que provocan los cambios en el campo. Por tanto las nuevas aplicaciones e interfaces y los algoritmos mejorados pueden ser transferidos a productos que ya están en funcionamiento real.

Otros productos para este campo son los núcleos de proceso e interfaces formados por bloques de multiplicación y acumulación (MAC, Multiply–ACcumulate), destinados al procesado de imágenes y de señales de flujo de datos DSP, y las interfaces serie de alta velocidad para la comunicación por cable, entrellos los bloques serializadores/de-serializadores SERDES. Los SoC de integración de sistemas en chip programable no son específicos de una aplicación, pero tampoco completamente genéricos.

Queda por ver si los SoC tendrán éxito en aplicaciones de consumo de gran volumen o quedarán limitados a dos campos principales: la rápida creación de prototipos de diseños que serán reorientados hacia implementaciones ASIC o ASSP y los elementos de gama superior, relativamente caros, de infraestructura de comunicaciones, que requieren flexibilidad in situ y para los cuales se pueden aceptar mayores costes y más consumo de energía junto con un rendimiento menor.

Otras soluciones, como las estructuras lógicas del tipo matrices de puertas de metal programables, junto con subsistemas de procesadores residentes y otros núcleos como los ofrecidos por “ASIC Estructurados” de LSI Logic (RapidChip) y NEC (Instant Silicon Solutions Platform)– son formas de SoC intermedias entre el proceso “full mask” y las matrices de puertas programables por el usuario. Este caso tiene dos inconvenientes específicos: lentitud de la creación de diseños (de un día a varias semanas); más trabajo de ingeniería no recurrente que en FPGA (pero mucho menos que un juego completo de máscaras); menos costes, más rendimiento y menos consumo de energía que FPGA (del orden del 15–30% peor que con ASIC). Actualmente hay otros planteamientos mixtos de interés, como el caso de ASIC/ASSP con una región FPGA en un chip, para dar más opciones a los equipos de diseño. Otra variante es la combinación de un procesador configurable implementado en parte y permanentemente en silicio, junto con una región FPGA que se utiliza para la extensión de instrucciones y otras implementaciones de hardware de campo. La compañía de semiconductores Stretch inc, por ejemplo, utiliza el procesador configurable Tensilica en este tipo de plataforma SoC.

Procesador LX de Tensilica

Plataformas y plataformas programables

Durante los últimos años el diseño se ha concentrado en los SoC complejos y en la reutilización de componentes virtuales, el llamado “diseño basado en plataforma” [1, 2], una metodología de diseño planificado que reduce el tiempo y el trabajo requeridos –además de los riesgos inherentes– al diseñar y verificar un SoC complejo. Para ellos se reutilizan ampliamente combinaciones de hardware [3] y software [4] con propiedad intelectual.

A diferencia de la reutilización de IP bloque por bloque, el diseño basado en plataforma ensambla grupos de componentes para constituir una arquitectura de plataforma reutilizable, la cual, a su vez se combina con librerías de componentes virtuales de hardware y software ya verificados y caracterizados, para aplicaciones específicas, formando una plataforma de integración SoC. Varias razones explican la creciente popularidad del diseño con base en plataformas: diseño más productivo, menos riesgos, más facilidad de uso de componentes virtuales ya integrados, provenientes de otros campos de diseño, y reutilización de arquitecturas SoC creadas por expertos. Entre las plataformas industriales están las aplicaciones completas para productos específicos como Philips Nexperia y TI OMAP [5], las SOPC reconfigurables y las basadas en procesadores. Las plataformas basadas en procesadores, como ARM PrimeXsys, utilizada por numerosos procesadores

Tensilica extendidos y configurados, se concentran en el procesador, en la arquitectura de bus requerida y en los periféricos básicos, así como en los sistemas operativos en tiempo real y en los programas básicos de control. FPGA y los dispositivos SOPC constituyen una “metaplataforma”, es decir, una plataforma para crear plataformas. Estos dispositivos contienen capacidades básicas más genéricas y procesadores integrados IP, buses sobre chips, bloques IP especiales como MACs y SERDES y otros bloques IP ya cualificados. Los diseñadores pueden encargar estos dispositivos a empresas como Xilinx y Altera y a continuación personalizar la metaplataforma con librerías IP de dominios específicos de la aplicación, antes de entregarla a los equipos de diseños derivados.

Sistemas integrados interconectados

Otro importante aspecto de esta evoluciónson los sistemas integrados distribuidos,llamados sistemas integrados interconectados para resaltar la infraestructura de interconexión y el protocolo de comunicación. Un sistema integrado interconectado es un conjunto de nodos integrados, distribuidos espacial y funcionalmente, interconectados por una infraestructura de comunicación cableada y/o inalámbrica y de protocolos, que interaccionan entre sí y con el entorno por medio de sensores y actuadores. El sistema también puede comprender un nodo maestro que coordina la computación y la comunicación para conseguir objetivos específicos.

Los controladores integrados en nodos o dispositivos de campo, como sensores y actuadores, se encargan de la conversión de señales, del proceso de datos y señales y de la comunicación sobre chips. La funcionalidad y las capacidades de proceso y comunicación de los controladores, cada día mayores, han reforzado la extendida tendencia a interconectar dispositivos de campo en torno a redes especializadas, frecuentemente llamadas redes de áreas de campo, que normalmente son un enlace de comunicación digital multipunto y bidireccional [6]. En general, el uso de redes especializadas (de áreas de campo) es ventajoso: la combinación de hardware y software integrados es más flexible, el sistema ofrece mejores prestaciones y se simplifican la instalación, actualización y mantenimiento del sistema.

Los sistemas integrados interconectados están presentes en numerosas aplicaciones (automoción, trenes y aviones, edificios de oficinas y aplicaciones industriales) y están dedicados principalmente a la supervisión y el control. Algunos ejemplos representativos son las redes que conectan dispositivos de campo, como los sensores y actuadores con controladores de campo, concretamente los controladores PLC para automatización industrial o las unidades de control electrónico (ECU) para la automoción.

También se utilizan en interfaces hombre- máquina, por ejemplo, en visualizadores del salpicadero de automóviles y en el sistema SCADA (control de supervision y adquisición de datos) para automatización industrial. Las tecnologías de redes especializadas son tan diversas como los campos de aplicación. Por ejemplo: PROFIBUS, PROFInet o Ether-Net/IP (ambas con comunicación en tiempo real) para el control y automatización industrial; LonWorks, BACnet, y EIB/KNX para la automatización y control de edificios; CAN, TTP/C y FlexRay para la automoción; y Train Communication Network (TCN) para la automatización de trenes. La diversidad de requisitos de las aplicaciones (tiempo real flexible/riguroso, seguridad crítica, topología de red, etc.) exige gran variedad de soluciones y el uso de protocolos basados en diversos principios de operación. El resultado de ello ha sido una plétora de redes para numerosas aplicaciones específicas.

Típica arquitectura de red de área de campo en la automatización industrial

Dados los requisitos de comunicación de las aplicaciones, las redes de áreas de campo –a diferencia de las redes LAN– suelen tener bajas velocidades de transferencia de datos, manejan paquetes pequeños de datos y generalmente han de operar en tiempo real, lo que puede hacer necesaria la transferencia de datos determinista o de tiempo limitado.

No obstante, en las redes de campo ya son comunes velocidades de transferencia de datos superiores a 10 Mbit/s, como en las redes LAN. Las redes de áreas de campo para automatización industrial (a diferencia de la automatización y control de edificios) no tienen gran necesidad de funciones de encaminamiento o de control de extremo a extremo. En consecuencia, en estas redes sólo se utilizan las capas 11 (capa física), 2 (capa de enlace de datos, inclusive implícitamente la capa de control de acceso al medio) y 7 (capa de aplicación, inclusive capa de usuario) del modelo de referencia ISO/OSI.

Para garantizar una respuesta determinista hay que utilizar esquemas de planificación apropiados, frecuentemente en sistemas operativos en tiempo real de dominios específicos de aplicación o en aplicaciones en tiempo real, “desnudas” (mínimas) y personalizadas.Los sistemas integrados interconectados para aplicaciones en que seguridad es crítica, como x-by-wire, que adopta soluciones electro-mecánicas para sustituir soluciones mecánicas o hidráulicas por sistemas eléctricos/electrónicos, han de tener un alto grado de dependencia que garantice la seguridad del sistema a los fallos. Como ejemplos mencionaremos el control de vuelo en aviones y de conducción por cable en automóviles, cuyo fallos pueden poner en peligro vidas humanas, propiedades o el medio ambiente.

Para evitar estos riesgos es necesario suministrar servicios fiables, a prueba de fallos, a petición del usuario. La dependencia de los sistemas x-bywire es un requisito principal, pero también una restricción a la hora de adoptar este tipo de sistema.

Componente electrónico

Se denomina componente electrónico a aquel dispositivo que forma parte de un circuito electrónico. Se suele encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito.

Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemáticos de la teoría de circuitos.

De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comúnmente más aceptadas.

1. Según su estructura física

Discretos: son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores, etc.

Integrados: forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados.

2. Según el material base de fabricación.

Semiconductores (ver listado).

No semiconductores.

3. Según su funcionamiento.

Activos: proporcionan excitación eléctrica, ganancia o control.

Pasivos: son los encargados de la conexión entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel (ver listado).

4. Según el tipo energía.

Electromagnéticos: aquellos que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales (fundamentalmente transformadores e inductores).

Electroacústicos: transforman la energía acústica en eléctrica y viceversa (micrófonos, altavoces, bocinas, auriculares, etc.).

Optoelectrónicos:transforman la energía luminosa en eléctrica y viceversa (diodos LED, células fotoeléctricas, etc.).

Componentes semiconductores

También denominados como componentes de estado sólido, son los componentes "estrella" en casi todos los circuitos electrónicos. Se obtienen a partir de materiales semiconductores, especialmente del silicio aunque para determinadas aplicaciones aún se usa germanio.

Componentes activos

Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal.

Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean circuitos que llevan integrados millones de componentes.

En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos cuyas características lo condicionará. Esto no sucede con los componentes pasivos. En la siguiente tabla se muestran los principales componentes activos junto a su función más común dentro de un circuito.

Componentes pasivos

Son aquellos que no necesitan una fuente de energía para su funcionamiento. No tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito.

Los componentes pasivos se dividen en :

Componentes Pasivos Lineales

Componentes optoelectrónicos

La industria de los componentes es fundamental para la industria electrónica que a su vez lo es para el resto de industrias. El importante volumen de negocio de este tipo de industria en los países más desarrollados les hace jugar un importante papel en sus respectivas economías. En la siguiente tabla se muestra un listado con las principales empresas fabricantes de componentes electrónicos. La mayoría son multinacionales en las que la fabricación de componentes electrónicos representa tan sólo una parte de campo de actuación.

Historia del transistor

Varios historiadores de la tecnología consideran al transistor como "el mayor invento del siglo XX". Es el dispositivo electrónico básico que dio lugar a los circuitos integrados y demás elementos de la alta escala de integración.

Así como la Revolución industrial del siglo XIX se establece en base a la máquina de vapor de James Watt, puede decirse que la era de las comunicaciones ha podido establecerse en base al transistor.

La fecha exacta fue 16 de diciembre de 1947, cuando William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain armaron el primer transistor. Poco después, un computador compuesto por estos transistores pesaba unas 28 toneladas y consumía alrededor de 170 MW de energía.

Más adelante Bell Labs convertía esos transistores de tubos en interruptores eléctricos, desatando una serie de pujas y rivalidades entre los involucrados en el tema. Pero lo cierto es, que, gracias a este trascendental invento, hoy en día puede usted leer esta información en una pantalla de computadora.

Fotografía del primer transistor construído por W. Shockley, J. Bardeen y W. Brattain en diciembre de 1947 (Foto: bellsystemmemorial.com)

Sin embargo, presentaban inconvenientes que tornaban impracticables algunas de las aplicaciones que luego revolucionarían nuestra sociedad del conocimiento. Uno de sus mayores inconvenientes era que consumían mucha energía para funcionar. Esto era causado porque las válvulas calientan eléctricamente un filamento (cátodo) para que emita electrones que luego son colectados en un electrodo (ánodo), estableciéndose así una corriente eléctrica. Luego, por medio de un pequeño voltaje (frenador), aplicado entre una grilla y el cátodo, se logra el efecto amplificador, controlando el valor de la corriente, de mayor intensidad, entre cátodo y ánodo.

Los transistores, desarrollados en 1947 por los físicos Shockley, Bardeen y Brattain, resolvieron todos estos inconvenientes y abrieron el camino, mismo que, junto con otras invenciones –como la de los circuitos integrados– potenciarían el desarrollo de las computadoras. Y todo a bajos voltajes, sin necesidad de disipar energía (como era el caso del filamento), en dimensiones reducidas y sin partes móviles o incandescentes que pudieran romperse.

El filamento no sólo consumía mucha energía, sino que también solía quemarse, o las vibraciones lograban romperlo, por lo que las válvulas terminaban resultando poco confiables.

Además, como era necesario evitar la oxidación del filamento incandescente, la válvula estaba conformada por una carcasa de vidrio, que contenía un gas inerte o vacío, haciendo que el conjunto resultara muy voluminoso.

Los transistores se basan en las propiedades de conducción eléctrica de materiales semiconductores, como el silicio o el germanio. Particularmente, el transporte eléctrico en estos dispositivos se da a través de junturas, conformadas por el contacto de materiales semiconductores, donde los portadores de carga son de distintos tipos: Huecos (tipo P) o electrones (tipo N).

Las propiedades de conducción eléctrica de las junturas se ven modificadas dependiendo del signo y de la magnitud del voltaje aplicado, donde, en definitiva, se reproduce el efecto amplificador que se obtenía con las válvulas: Operando sobre una juntura mediante un pequeño voltaje se logra modificar las propiedades de conducción de otra juntura próxima que maneja un voltaje más importante.

Objetivos iniciales

El transistor es un dispositivo de tres terminales que surge en los Laboratorios Bell de la AT&T. Se buscaba un conmutador de estado sólido para ser utilizado en telefonía y para reemplazar tanto a los relés como a los sistemas de barras. Luego se contempla la posibilidad de obtener el reemplazo de la válvula de vacío.

Quentin Kaiser escribió: "Si no hubiese sido por las microondas o el radar de UHF, probablemente nunca hubiéramos tenido la necesidad de detectores de cristal. Si no hubiéramos obtenido detectores de cristal, probablemente no habríamos tenido el transistor, salvo que hubiera sido desarrollado de algún modo completamente diferente". (Citado en “Revolución en miniatura” de E. Braun y S. Macdonald).

Antecedentes físicos

Se sabía que el contacto entre un alambre metálico y la galena (sulfuro de plomo) permitía el paso de corriente en una sola dirección, tal como lo revelaron los trabajos de Ferdinand Braun. El radar, por otra parte, al emplear frecuencias elevadas, debía utilizar un detector eficaz, con muy poca capacidad eléctrica, por lo que no era conveniente el uso de los diodos de vacío. El diodo de estado sólido era esencial para esa finalidad. En la década de los cuarenta estaba completo el estudio teórico de los contactos semiconductor-metal.

Uno de los inventores del transistor, Walter Brattain, escribió: "Ninguno en la profesión estaba seguro de la analogía entre un rectificador de óxido de cobre y un tubo diodo de vacío y muchos tenían la idea de cómo conseguir poner una rejilla, un tercer electrodo, para hacer un amplificador".

Para modificar la conductividad de algunos semiconductores, se tuvo en cuenta los niveles de energía cuantificados de los átomos, que dan lugar a las bandas de energía cuando existen átomos distribuidos regularmente. El estudio del movimiento de los electrones en estas bandas, vislumbró la posibilidad de cambiar la conductividad eléctrica de algunos semiconductores agregando impurezas controladas adecuadamente, surgiendo así los materiales de tipo N y de tipo P.1

Origen de la denominación

Mientras que un diodo surge al unir un material N con uno P, el transistor surge de una unión de tipo NPN, o bien PNP. La denominación “transistor” fue sugerida por J.R. Pierce, quién dijo: "…y entonces, en aquella época, el transistor fue imaginado para ser el dual del tubo de vacío, así si un tubo de vacío tenía transconductancia, éste debe tener transresistencia, y así llegué a sugerir «transistor»".

Patentes de invención

Para obtener las patentes de invención, luego de efectuarse las primeras pruebas, se lo mantuvo en secreto durante casi siete meses, hasta que se pudo detallar su funcionamiento en forma adecuada. Esta patente le fue concedida a John Bardeen y a Walter Brattain por el transistor de punta de contacto. La patente del transistor de juntura, aparecido en 1951, le fue concedida a William Shockley. Sobre este último transistor, E. Braun y S. Macdonald escriben: "Es asombroso que Shockley hubiera formulado la teoría precisa del transistor de unión al menos dos años antes de que el dispositivo fuese producido".

Comportamiento elemental

Podemos hacernos una idea del comportamiento del transistor utilizando un circuito que utiliza una fuente de tensión continua, un indicador de corriente (miliamperímetro) y dos resistencias con sus respectivos interruptores. Estas resistencias se conectarán entre el colector y la base, mientras que la fuente se conectará entre colector y emisor.

Con ambos interruptores abiertos, no habrá corriente de base y el indicador de corriente, ubicado a la salida de la fuente, marcará una corriente nula. Si cerramos uno de los interruptores, habrá corriente de base y también de colector. Si cerramos ambos interruptores, habrá mayor paso de corriente. De ahí que podamos decir que el transistor se comporta como si fuese una resistencia cuyo valor es controlado por la corriente de base.

Invenciones

Los diez años posteriores a la invención del primer transistor vieron enormes adelantos en este campo:

- Se inventaron distintos tipos de transistores (de punto, de juntura, de campo), basados en distintas propiedades básicas;

- Se emplearon distintos materiales, inicialmente el germanio (1948) y posteriormente el silicio (1954), el cual domina la industria semiconductora de la actualidad;

- Se logró construir una gran cantidad de transistores, otros elementos y los circuitos para acoplarlos directamente sobre una oblea de silicio, a lo que se le dio el nombre de circuito integrado (1958).

En estos primeros circuitos integrados, los transistores tenían dimensiones típicas de alrededor de 1 cm. En 1971 el microprocesador de Intel 4004 tenía unos 2000 transistores, mientras que hoy en día, un "viejo" Pentium IV tiene unos 10 millones de transistores, con dimensiones típicas de alrededor de 0.00001 cm. Desde 1970, cada año y medio aproximadamente, las dimensiones de los transistores se fueron reduciendo a la mitad (Ley de Moore). Si se los hace aún más pequeños, usando la tecnoilogía actual, dejarán de funcionar como esperamos, ya que empezarán a manifestarse las leyes de la mecánica cuántica. Para seguir progresando, se ha concebido una nueva generación de microprocesadores basados en las propiedades que la materia manifiesta en las escalas nanométricas.

Todos estos desarrollos respondieron en cada caso al intento de resolver un problema concreto atacado tanto del punto de vista teórico como experimental. Muchos de los físicos que participaron en esta aventura del transistor y en sus desarrollos posteriores dieron lugar al nacimiento de nuevas invenciones (y de empresas como Texas Instruments, Intel y AMD) que hoy día dominan la escena en la que se desarrollan las tecnologías de información y comunicaciones.

ACTIVE CIRCUIT ELEMENTS

When we have considered electrical circuits, we have come across CIRCUIT ELEMENTS (also known as CIRCUIT COMPONENTS) such as resistors and capacitors . These are PASSIVE components, as they behave according to simple rules when voltages are applied to them. In electronics however, there are a number of components that have a rather more complex behaviour. These components are known as ACTIVE COMPONENTS, and include diodes, LEDs, transistors and operational amplifiers. In this topic we will look at these and see how they can be used in electronic circuitry.

Diodes:

Diodes are devices which operate on the basis of semiconductors p-n junctions. You will remember, from your study of semiconductors in Grade 11, that forward biasing of a diode enables electrons to flow from the n-side of the junction to the p-side, provided the applied potential difference is above the potential difference of the virtual cell (about 0.6 V for Si, and about 0.2 V for germanium).

That it is much easier to explain the behaviour of diodes in terms of electron flow, but in circuits, current is conventionally assumed to flow through the circuit from the positive pole of the source to the negative pole. A typical diode, as well as the symbols that are used to represent diodes in a circuit, is shown on the right.

The conducting properties of a junction diode are depicted in the graphs above. Note that when the diode is reverse-biased, the current (carried by minute quantities of impurities in the silicon, called "minority carriers") is extremely small (about 1 µA or less), and the scales of both the horizontal (potential difference) and vertical (current) axes are not the same.

Since a diode such as the one described above only allows current to pass through if the applied voltage is of a certain polarity, diodes are used as RECTIFIERS, that is, devices that convert an alternating current to a direct current, and as such, find wide applications in electronic power sources.

The diagram above shows how an AC output from a transformer is converted to a pulsed DC current by passing the AC current through a diode. Only the positive values of the applied voltage will forward-bias the diode, allowing the current to flow. The negative regions of the wave will reverse-bias the diode, effectively converting the diode to an insulator, shutting off the current. The rectification is called "half-wave rectification", since only half the cycle produces current.

The light-emitting diode:

Light-emitting diodes, (LED), are semiconductor-based devices that convert electricity into light. They are found in all sorts of places, for example, to indicate whether an appliance is on or off, in digital displays, and in so-called "light boards".

LEDs are based on the principle that when electrons from n-type semiconductors fill "holes" in p-type semiconductors, energy is given out. In a normal diode, this energy appears as heat. If the p-type semiconductor is doped with certain impurities, such as gallium arsenide, the energy is released as photons having a relatively narrow frequency range. Suitable dopants can result in the emission of visible light (red, green, yellow or blue) or infrared light.

Since a diode acts as a switch, the LED will either emit light of be dark. Bar-types LEDs are used to create digital displays, as shown here below. A special circuit lights up individual diodes to create lighted segments forming the characters.

The transistor:

The invention of the transistor in the 1950's by Bardeen, Brattrain and Shockley revolutionised the field of electronics. Previously, electronic circuits depended on glass tubes (called "valves"), which were slow, bulky and relatively short-lived. Transistors are small, cheap and reliable. The computer you are using, and the display you are staring at, make use of thousands of transistors. The basic construction consists of a sandwich of three thin semiconductor layers, forming two p-n junctions. There are various types of transistors some of which are listed below:

Bipolar junction transistors (BJT), coming in two varieties, n-p-n and p-n-p transistors. They are indicated as follows on circuit diagrams:

These transistors have three connections, called the base (b), the emitter (e) and collector (c). The base is connected to a p-type semiconductor in n-p-n transistors, and to an n-type semiconductor in p-n-p transistors.

Field effect transistors (FET). Again, these are of two types, n-channel FETs and p-channel FETs. The symbol for these is

As with the BJTs, FETs have three connections, called the gate (g), the source (s) and the drain (d). In n-channel FETs, the gate is connected to an p-type semiconductor, while in the p-channel FETs, the gate is connected to a n-type semiconductor.

Transistors act as switches and amplifiers. BJTs are controlled by current across the base-emitter junction, whereas FETs are controlled by voltage across the gate-source junction. Low currents (or voltages) prevent current flowing from the collector to the emitter (or from the drain to the source in the case of FETs). Transitors can switch on and off millions of times every second almost indefinitely provided the circuit is well designed.

Operational amplifiers

Before discussing the operational amplifier, it will be useful to discuss the terms "amplifier" and "gain".

What is an amplifier?

In electronics, an amplifier is a device that increases the power of an incoming electrical signal.

What is "gain"?

In electronics, GAIN refers to the ratio of the power (or voltage) entering an amplifier to the power (or voltage) put out by the amplifier. One must be careful to state whether one is dealing with power ratios or voltage ratios. Further, one should be alert as to whether the gain is a simple ratio, or whether it is stated in units of DECIBELS, dB, which is a logarithmic function of that ratio:

Input power = 5mW; output power = 75 mW.

Using a simple power ratio, the gain = 75/5 = 15.

Using decibels: the gain = 10 log1015 = 11.8 dB.

If there is a power loss, the gain is less than 1 (negative decibels), and we are then dealing with a case of ATTENUATION. The two graphs below illustrate what one aims to achieve with an amplifier:

On the left above we have a fluctating signal produced by some instrument (the "raw" signal). On the right, the signal has passed through an amplifier producing a gain of 5.

The OPERATIONAL AMPLIFIER (termed "op-amp" for short) is a device that can provide considerable gains (over 105) over a large range of inputs. Operational amplifiers are complex circuits that include transistors, resistors and capacitors. They are normally provided as an INTEGRATED CIRCUIT (IC) built into a CHIP, with connectors ("pins") whose function is provided by the manufacturer. For example, the 741 operational amplifier is an integrated circuit chip with 20 transistors, 11 resistors and 1 capacitor and 8 pins:

The term "operational amplifier" was applied to the device because it was initially used in computers to perform mathematical operations.

What are opamps used for?

Operational amplifiers can be considered as devices that generate a voltage E = A(V2 - V1), where A is known as the"open-loop voltage gain". It is a known parameter of the device that depends on the frequency of the input voltage(s), having very high values at low frequencies (typically around 1x105). V1 and V2 are the input voltages that are applied to the inverting and non-inverting terminals respectively.

Operational amplifiers are used pricipally to:

Amplifying voltages (with or without phase inversion);

Comparing voltages.

The amplification that may be obtained is not unlimited. The output voltage of the device is limited to about 80% of the supply voltages (+ Vs and -Vs) that are supplied at pins 7 (+9V) and pin 4 (-9V). If the output voltage is greater than that value, the output signal will be truncated and the opamp is said to have reached the SATURATION VOLTAGE. This may be shown by varying the input voltages and connecting the output terminals to a double-beam oscilloscope.

The basic circuit below will deliver an amplified voltage with phase inversion. Part of the output is fed back into the inverting input, via a feedback resistor RF. For display purposes, the graph below is limited to a 5X amplification.

Consider the plot on the right. For the above circuit, the ratio of the resistors RF and RA dictate the amplification that may be obtained (the negative sign takes care of the inverted phase). Note that the amplification is limited by the value of the source voltages. Above a certain value of the input voltage, no amplification takes place. In the linear range of the graph, the gradient of the plot gives the ratio -RF/RA.

Filters:

In electronics, a FILTER is a circuit that removes unwanted frequencies from a signal. Such devices find numerous applications, not least of which in hi-fi audio equipment.

The figure on the left shows a waveform (signal) that actually is the sum of two sine waves of equal amplitude, but different frequencies. These two waves are shown individually in the second figure. The high frequency wave has a frequency that is four times that of the low frequency wave. The purpose of an electronic filter is to remove certain waves with frequencies above a certain value, or alternatively, those waves whose frequencies are below a certain value. A LOW-PASS FILTER will remove waves whose frequencies are above a certain CUTOFF VALUE (third figure from the left), while a HIGH PASS FILTER will remove those waves below a certain cutoff value.

The diagrams above show a simplified ideal situation. In practice, a signal may many different frequencies. Both low-pass and high pass filters do not remove the unwanted frequencies completely, but attenuate them. BAND-PASS filters remove or attenuate frquencies that lie outside a desired range.

Algunas aplicaciones del trasistor bipolar

Transistor Bipolar (BJT) como interruptor

Cuando un transistor se utiliza en un circuito, el comportamiento que éste tenga dependerá de sus curvas caracteristicas.

En el diagrama que se muestra hay varias curvas que representan la función de transferencia de Ic (corriente de colector) contra VCE (voltaje colector – emisor) para varios valores de Ib (corriente de base).

Cuando el transistor se utiliza como amplificador, el punto de operación de éste se ubica sobre una de las líneas de las funciones de transferencia que están en la zona activa. (las líneas están casi horizontales).

Transistor en corte y saturación

Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch, la corriente de base debe tener un valor para lograr que el transistor entre en corte y otro para que entre en saturación

- Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentación). Ver la zona amarilla en el gráfico

- Un transistor en saturación tiene una corriente de colector (Ic) máxima y un voltaje colector emisor (VCE) casi nulo (cero voltios). Ver zona en verde en el gráfico.

Para lograr que el transistor entre en corte, el valor de la corriente de base debe ser bajo o mejor aún, cero.

Para lograr que el transistor entre en saturación, el valor de la corriente de base debe calcularse dependiendo de la carga que se esté operando entre encendido y apagado (funcionamiento de interruptor)

Si se conoce cual es la corriente que necesita la carga para activarse (se supone un bombillo o foco), se tiene el valor de corriente que habrá de conducir el transistor cuando este en saturación y con el valor de la fuente de alimentación del circuito, se puede obtener la recta de carga. Ver gráfico anterior.

Esta recta de carga confirma que para que el transistor funcione en saturación, Ic debe ser máximo y VCE mínimo y para que esté en corte, Ic debe ser el mínimo y VCE el máximo.

Diseño de un swich con Transistor Bipolar (BJT)

Ejemplo de diseño de interruptor o switch con transistor bipolar

Para calcular el valor de Rb (resistencia de base) que se utilizará para que el circuito funcione como un interruptor (conectar y esconectar un voltaje de 12 voltios en A). Ver el diagrama.

Los datos que tenemos son:

- Voltaje de alimentación = 12 V

- Bombillo (foco) 12V, 1.2W

- B (beta) mínimo del transistor es: 200

Transistor en saturación

Para obtener Ic se sigue el siguiente procedimiento:

De la fórmula de Potencia: Potencia del bombillo = P = VxI.

Despejando I se obtiene: I = Ic = P/V = 1.2 watts / 12 voltios = 100 mA

Se escoge el B (beta) menor (200) para asegurar de que el transistor se sature.

La corriente de base es: Ib = Ic/B = 100 mA/200 = 0.5 mA.

Esta es la corriente de base necesaria para que el transistor se sature y encienda el bombillo.

Para calcular Rb se hace una malla en el circuito de la base: 12 V = Rb x Ib – Vbe

Rb = (12–0.7)/Ib = 11.3 V/0.5 mA = 2260 ohmios. Para efectos prácticos Rb = 2.2 Kohms

Nota: Vbe = 0.7 Voltios aproximadamente en un transistor de silicio.

Transistor en corte

Para que el bombillo se apague, basta que la corriente (Ic) que pase a través de él sea cero. Para lograrlo se hace que la corriente de base Ib sea cero (Ic = BxIb), poniendo el voltaje que alimenta el circuito de la base en cero (0 Voltios)

Transistor Bipolar (BJT) como iamplificador

Es la aplicación práctica mas importante para la que se usan los transistores. El diagrama muestra una etapa amplificadora en emisor común:

El transistor ha sido polarizado por medio de polarización por división de tensión.

Como sabemos, un capacitor en altas frecuencias se comporta como un cortocircuito mientras que a bajas frecuencias la misma aumenta hasta comportarse como un circuito abierto para C.C.

Viéndolo desde este punto de vista conviene analizar al amplificador en dos etapas, una desde el punto de vista de la C.A. y el otro desde el punto de vista de la C.C.

Con esta subdivisión podremos analizar al circuito mediante dos circuitos mas sencillos, con lo cual, gracias a la teoría de la superposición, lo que ocurrirá será que la respuesta total resultará de la suma de los datos obtenidos en los dos circuitos en que descompusimos al original.

Comenzaremos el análisis en el dominio de la C.C., para ello seguimos los siguientes pasos:

1º) Se cortocircuita el generador de entrada de alterna.

2º) Se consideran los capacitores como circuitos abiertos.

3º) Se analiza este circuito resultante.

Abriendo C1, C2 y C3 y cortocircuitando al generador de entrada en nuestro circuito obtenemos el circuito resultante que vemos a continuación:

Ahora, y con las referencias ya explicadas, se procede a la resolución del circuito resultante. Con estos datos obtenemos el punto de polarización (Q).

Para el análisis en C.A. recurrimos a las siguientes reglas:

1º) Se cortocircuita la fuente de tensión de C.C.

2º) Se considera a los capacitores como circuitos cerrados (cortocircuitos).

3º) Se estudia el circuito resultante.

En la figura vemos de que forma hemos procedido para obtener el circuito resultante:

Los capacitores han desaparecido del circuito haciéndose cortocircuitos, la resistencia R4 desaparece por estar en paralelo con un cortocircuito, las resistencias R1 y R3 están ahora en paralelo, con lo cual obtenemos Ra. Con las resistencias de salida ocurre lo mismo, y obtenemos Rb.

Para terminar con nuestro análisis debemos suponer que ahora aplicamos una señal al circuito y veremos cómo varía el punto Q

En la figura vemos un ejemplo, donde se muestra el punto Q en ausencia de señal y cómo varía con la aplicación de una señal de entrada.

Se ve que la señal Ie no es una correspondencia directa de la aplicada en la base del transistor dado la curvatura de la gráfica de la característica del transistor.

Es importante verificar bien el lugar de ubicación del punto Q, dado que si queremos que el transistor opere en la zona activa y polarizamos a éste en un punto Q cercano a la zona de saturación, corremos el riesgo de que cuando le aplicamos una señal de entrada, Q se desplace hacia la zona de saturación, dejando la zona activa. Para evitar este problema conviene analizar siempre antes la variación de Q en nuestro transistor y verificar que no salga de la región donde queremos que trabaje.

Otra familia de transistores muy importante es la de los de efecto de campo, de los cuales es parte el FET. Los mismos realizan la función de control de la corriente mediante una tensión aplicada en uno de sus terminales.

Están construidos con una zona semiconductora tipo P o N que une los dos terminales (Fuente y Drenador), a esta región se la llama canal y sobre ésta existe otra con signo opuesto que se conecta a la puerta, entre ambas se forma una unión PN o NP, según sea su topología. Este conjunto está montado sobre un semiconductor con igual signo al de la puerta. Cuando se aplica una tensión entre Drenador y Fuente, habrá circulación de corriente por el canal.

El control de dicha corriente se hará con una tensión variable que es aplicada a la puerta, ya que, al aplicar dicha tensión, las uniones P-N se polarizan en forma inversa, haciendo que el canal se haga más delgado y, por consiguiente, aumente la resistencia de éste, generando así una variación de la corriente circulante por él.

Como esta corriente de Puerta será extremadamente débil debido a que se trata de una unión polarizada en inversa, será posible variar la corriente que circula por el transistor sin que sea necesario absorber corriente de él.

También la familia de transistores MOS o MOSFET (Metal, Oxido, Semiconductor) es parte de los transistores de efecto de campo.

Este tipo de transistor es fabricado partiendo de un semiconductor tipo P en el que se difunden dos regiones tipo N que forman la fuente y el Drenador, y, encima de la superficie de estos, se aplica una capa de dióxido de silicio (SiO2), que tiene la propiedad de ser muy aislante, sobre la que está situada la Puerta. Entre Fuente y Drenador también existirá un canal similar al del tipo FET, cuya resistencia y anchura será controlada con la tensión de puerta.

En las curvas características de los transistores de efecto de campo se representa la corriente de Drenador (ID) en función de la tensión aplicada entre Drenador y Fuente (VDS). Como en el caso de la transferencia de los transistores bipolares, se traza una curva para cada uno de los valores de VGS deseados. También en estas curvas se observan dos zonas; desde el origen la corriente crece con la tensión, pero alcanzado cierto valor Vp, se hace constante y se forma a partir de allí la segunda zona, a estas dos zonas se las llama región lineal a la primera y región de saturación a la última.

Este tipo de transistores pueden ser utilizados en los circuitos en una disposición similar a la de los bipolares, es decir: Fuente común, Puerta común y Drenador común, aunque la primera y la última son las más utilizadas en la práctica.