Universitat Internacional de Catalunya
Fonaments i Sistemes Electrònics
Altres llengües d'impartició: català, anglès
Professorat
Cal convenir una cita amb el professor mitjançant correu electrònic institucional.
Presentació
En aquesta assignatura es reben els fonaments teòrics i pràctics necessaris per treballar amb circuits i sistemes electrònics. Des dels components passius més simples fins als transistors, amplificadors operacionals i les seves aplicacions. Aquests coneixements es van treballant en paral·lel amb les eines matemàtiques necessàries orientades a l'anàlisi de circuits, com ara; resolució de matrius, equacions diferencials i transformada de Laplace. Des del punt de vista pràctic, els estudiants treballaran en laboratori d’electrònica on posarem en practica la implementació dels circuits més representatius estudiats a l’assignatura.
Requisits previs
Per a poder cursar l’assignatura de forma satisfactòria es recomana que l’estudiant hagi cursat les següents assignatures de primer curs:
-Àlgebra
-Càlcul
Objectius
L'objectiu fonamental de l'assignatura és introduir a l'estudiant en els conceptes bàsics dels sistemes electrònics i les seves aplicacions:
- Comprendre el concepte de diferencia de potencial, intensitat i resistència elèctrica (Coneixement/Comprensió).
- Descriure les lleis bàsiques de la teoria de circuits. Lleis de Kirchhoff (Coneixement/Comprensió).
- Descriure els components electrònics bàsics i saber-los classificar e components resistius o reactius (Coneixement/Comprensió).
- Comprendre la física dels material semiconductors (Coneixement).
- Descriure el funcionament del díode semiconductor i les seves regions de treball (Coneixement/Comprensió).
- Descriure els circuits rectificadors bàsics de mitjana ona i ona completa basats amb díodes (Coneixement).
- Descriure el funcionament dels transistors i les seves regions de treball (Coneixement/Comprensió).
- Definir el funcionament de l'amplificador operacional i les seves regions de treball (Coneixement/Comprensió).
- Definir les característiques de l’amplificador operacional real i ideal (Coneixement).
- Descriure i saber identificar la realimentació negativa i positiva en un circuit amb amplificadors (Coneixement/Comprensió).
- Descriure els operadors lineals i no lineals basats en l’amplificador operacional (Comprensió).
- Descriure el concepte de funció de transferència (Coneixement).
- Descriure el concepte freqüencial de tall (Coneixement).
- Definir la transformada de Fourier i la seva aplicació en el disseny de filtres (Coneixement/Comprensió).
- Descriure el teorema de Convolució i la seva aplicació en el disseny de filtres (Coneixement/Comprensió).
- Classificar el circuits de filtratge en funció del tipus de filtratge i el seu ordre (Coneixement/Comprensió).
- Diferenciar entre filtratge actiu i passiu (Coneixement).
Competències/Resultats d’aprenentatge de la titulació
- CB1 - Que els estudiants hagin demostrat posseir i comprendre coneixements en una àrea d'estudi que parteix de la base de l'educació secundària general, i se sol trobar a un nivell que, si bé es recolza en llibres de text avançats, inclou també alguns aspectes que impliquen coneixements procedents de l'avantguarda del seu camp d'estudi
- CB2 - Que els estudiants sàpiguen aplicar els seus coneixements al seu treball o vocació d'una forma professional i posseeixin les competències que solen demostrar-se per mitjà de l'elaboració i defensa d'arguments i la resolució de problemes dins la seva àrea d'estudi
- CB3 - Que els estudiants tinguin la capacitat de reunir i interpretar dades rellevants (normalment dins la seva àrea d'estudi) per emetre judicis que incloguin una reflexió sobre temes rellevants d'índole social, científica o ètica
- CB4 - Que els estudiants puguin transmetre informació, idees, problemes i solucions a un públic tant especialitzat com no especialitzat
- CB5 - Que els estudiants hagin desenvolupat aquelles habilitats d'aprenentatge necessàries per emprendre estudis posteriors amb un alt grau d'autonomia
- CE12 - Realitzar un projecte en l'àmbit de les tecnologies específiques de Bioenginyeria de naturalesa professional en el qual se sintetitzen i integren les competències adquirides en els ensenyaments.
- CE13 - Identificar, entendre i utilitzar els principis d'electrònica, sensors, condicionadors i sistemes d'adquisició de senyals biomèdica
- CE15 - Tenir la capacitat de realitzar un projecte mitjançant l'ús de fonts de dades, i l'aplicació de metodologies, tècniques de recerca i eines pròpies de la Bioenginyeria, i fer una exposició i defensa pública del projecte davant d'un públic especialitzat de manera que es demostri la adquisició de les competències i coneixements propis del Grau
- CE16 - Aplicar la terminologia pròpia de la Bioenginyeria tant oral com escrita en una tercera llengua.
- CE17 - Ser capaç d'identificar els conceptes de l'enginyeria que es poden aplicar en el camp de la biologia i de la salut.
- CE18 - Definir els principis fonamentals de les tecnologies que es fan servir en el disseny i la fabricació de micro i nanosensors en àrees biotecnològiques.
- CG10 - Saber treballar en un entorn multilingüe i multidisciplinari
- CG2 - Promoure els valors propis d'una cultura pacífica, contribuint a la convivència democràtica, el respecte dels drets humans i principis fonamentals com la igualtat i la no discriminació.
- CG3 - Tenir capacitat per a l'aprenentatge de nous mètodes i teories i ser versàtil per a l'adaptació a noves situacions.
- CG4 - Resoldre problemes amb iniciativa, presa de decisions, creativitat, raonament crític i de comunicació i transmissió de coneixements, habilitats i destreses en el camp de la Bioenginyeria.
- CG7 - Analitzar i valorar l'impacte social i mediambiental de les solucions tècniques.
- CG8 - Aplicar els principis i mètodes de la qualitat.
- CG9 - Tenir capacitat d'organització i planificació en l'àmbit de l'empresa, i altres institucions i organitzacions.
- CT2 - Tenir capacitat per relacionar el benestar amb la globalització i la sostenibilitat; aconseguir habilitats per utilitzar de forma equilibrada i compatible la tècnica, la tecnologia, l'economia i la sostenibilitat
- CT3 - Saber comunicar-se de forma oral i escrita amb altres persones sobre els resultats de l'aprenentatge, de l'elaboració del pensament i de la presa de decisions; participar en debats sobre temes de la pròpia especialitat
- CT4 - Ser capaç de treballar com a membre d'un equip interdisciplinari, ja sigui com un membre més o realitzant tasques de direcció, amb la finalitat de contribuir a desenvolupar projectes amb pragmatisme i sentit de la responsabilitat, assumint compromisos tenint en compte els recursos disponibles
- CT5 - Realitzar un ús solvent dels recursos d'informació. Gestionar l'adquisició, l'estructuració, l'anàlisi i la visualització de dades i informació en l'àmbit d'especialitat i valorar de forma crítica els resultats d'aquesta gestió.
- CT6 - Detectar deficiències en el propi coneixement i superar-les mitjançant la reflexió crítica i l'elecció de la millor actuació per ampliar aquest coneixement.
- CT7 - Dominar una tercera llengua, habitualment l'anglès, amb un nivell adequat oral i escrit i d'acord amb les necessitats que tindran els titulats i titulades
Resultats d’aprenentatge de l’assignatura
Saber calcular la variació de resistència en funció de la temperatura en conductor ideal (Aplicació).
Saber calcular la potencia en un circuit (Aplicació).
Resoldre circuits senzills amb components passius (Aplicació).
Resoldre circuits senzills amb díodes (Aplicació).
Resoldre circuits senzills amb transistors (Aplicació).
Resoldre circuits senzills basats en l’amplificador operacional (Aplicació).
Obtenir la funció de transferència de circuits filtratge actius i passius (Aplicació).
Continguts
Tema 0. Introducció a l’assignatura
0.1 Introducció a l’electrònica analògica.
0.2 Introducció al fenomen de la bioelectricitat i les cèl·lules excitables.
Tema 1. Fonaments físics de la electricitat
1.1 Definició del corrent elèctric.
1.2 Sentit real i convencional del corrent elèctric.
1.3 Definició de camp elèctric.
1.4 Diferencia de potencial.
1.5 Velocitat del portadors de càrrega majoritaris.
1.6 Concentració de portadors de càrrega majoritaris.
1.7 Intensitat del corrent elèctric
1.8 Resistència elèctrica.
1.9 Conductivitat.
1.10 Densitat de corrent.
1.11 Llei d’Ohm microscòpica i macroscòpica.
1.12 Potència elèctrica.
Exemples d’aplicació.
Tema 2. Teoria de circuits
2.1 Lleis bàsiques dels circuits elèctrics.
2.1.1 Llei d’Ohm.
2.1.2 Lleis de Kirchoff: Primera llei de Kirchoff (KCL) i segona llei de Kirchoff (KVL).
2.1.3. Resistència equivalent: agrupació en sèrie i agrupació en paral·lel.
2.2 Circuits basics.
2.2.1 Divisor de voltatge.
2.2.2 Divisor de corrent.
Tema 3. Elements de la teoria de circuits
3.1 Classificació del elements d’un circuit.
3.2 Característica corrent-tensió (i-v).
3.3 Definició d’una funció lineal.
3.4 Definició temporal de potencia i energia.
3.5 Absorció i dissipació de potencia.
3.6 Circuit obert i circuit tancat.
3.7 Curtcircuit virtual.
3.8 El resistor.
3.9 pla de fase corrent-tensió (i-v).
3.10 El condensador i la bobina.
3.11 Fonts de voltatge corrent independents.
3.12 Fonts de voltatge corrent dependents.
3.13 Efecte de la desconnexió de fonts.
3.14 Operació estàtica del condensador i la bobina.
3.15. Circuit equivalent.
3.15.1 Equivalent de Thévenin.
3.15.2 Equivalent de Norton.
Exercicis: resolució de circuits, anàlisi de circuits en el domini temporal.
Exemple d’aplicació: el circuit cardiovascular.
Tema 4. El díode semiconductor
4.1 Física dels materials semiconductors.
4.1.1 Classificació del elements semiconductors.
4.1.2 Conductivitat d’un material.
4.1.3 El model de bandes d’energia.
4.1.4 Estabilitat d’un material.
4.1.5 Materials aïllants.
4.1.6 Materials conductors.
4.1.7 Materials semiconductors.
4.1.7.1 Material semiconductors extrínsec.
4.1.7.2 Material semiconductors intrínsec.
4.2 El díode semiconductor.
4.2.1 La unió pn.
4.2.2.Mecanismes de transport de corrent.
4.2.2.1 Corrent de difusió.
4.2.2.2 Corrent d’arrossegament.
4.2.3 Polarització del díode.
4.2.4 Característica corrent-tensió (i-v) del díode.
4.2.5 Models del díode. Modelització segmental.
Exercicis: resolució de circuits amb díodes.
Tema 5. Circuits rectificadors
5.1. Diagrama de blocs de una font de voltatge regulada.
5.2 Rectificador de mitja ona.
5.3 Rectificador d’ona completa amb presa de terra mitja.
5.4 Rectificador d’ona completa amb pont de Graetz.
5.5 Rectificadors encapsulats.
5.6 El díode Zener.
5.7 Esquema elèctric d’una font de voltatge regulada.
Tema 6. El transistor
6.1 El transistor genèric.
6.2 Classificació dels transistors.
6.3 Aplicacions del transistor.
6.4 Historia del transistor.
6.4.1 La vàlvula de buit.
6.4.2 El descobriment del transistor.
6.5 El transistor bipolar d’unió (BJT).
6.5.1 Amplificació amb el transistor BJT.
6.5.2 Estructura interna del transistor BJT.
6.5.3 Encapsulats del transistor BJT.
6.5.4 Regions de funcionament del transistor BJT, característica corrent-tensió (i-v).
6.5.5 Models d’Ebers-Moll del transistor BJT.
6.5.6 Configuracions típiques del transistor BJT.
6.5.7 Circuits principals de polarització del transistor BJT.
6.5.8 Anàlisis del transistor en corrent continu (DC).
6.5.8.1 Anàlisis analític en DC.
6.5.8.2 Anàlisis gràfic en DC (Recta de carrega).
6.5.9 Configuracions en cascada del transistor: Darlington i Sziklai.
6.6 Aplicacions del transistor BJT.
6.6.1 Modes d’operació del transistor BJT.
6.6.1.1 El transistor en regim lineal. Funcionament com a amplificador.
6.6.1.2 El transistor en commutació. Funcionament com a interruptor.
6.6.2 El transistor com a controlador (driver).
6.6.3 El transistor en lògica digital.
6.7 El transistor d’efecte camp (FET).
6.7.1 Estructura interna del transistor JFET.
6.7.2 Estructura interna del transistor MOSFET.
6.7.3 Regions de funcionament del transistor JFET.
6.7.4 Regions de funcionament del transistor MOSFET.
6.7.5 Equació de Shockley per al transistor JFET.
6.7.6 Models d’Ebers-Moll del transistor JFET.
6.7.7 Equació de Shockley per al transistor MOSFET.
6.7.8 Modulació de la longitud del canal.
6.7.9 Models d’Ebers-Moll del transistor MOSFET.
Exercicis: resolució de circuits amb transistors.
Tema 7. L’amplificador operacional
7.1. Concepte d'amplificador operacional.
7.2 Alimentació d’un amplificador operacional: alimentació bipolar i unipolar.
7.3 Tensió d’entrada de l’amplificador: tensió diferencial i en mode comú.
7.4 Regions de funcionament.
7.5 El model real de l’amplificador.
7.6 El model ideal de l’amplificador.
7.6.1 El model ideal de l’amplificador en regió lineal: guany, impedància d'entrada i de sortida.
7.6.2 El model ideal de l’amplificador en saturació.
7.7 El concepte de curtcircuit virtual.
7.8 Estructura interna de l’amplificador operacional.
7.9 Sistema general basat en l’amplificador operacional.
7.10 Modes d’operació de l’amplificador operacional.
7.10.1 L’amplificador operacional en llaç obert.
7.10.2 L’amplificador operacional en llaç tancat.
7.10.2.1 L’amplificador en llaç tancat amb realimentació positiva.
7.10.2.2 L’amplificador en llaç tancat amb realimentació negativa.
7.11 Sistemes basats en l’amplificador operacional.
7.11.1 Sistemes lineals.
7.11.1.1 Llaç tancat amb realimentació negativa amb components lineals.
7.11.1.1.1 Amplificador inversor.
7.11.1.1.2 Amplificador no inversor.
7.11.1.1.3 Amplificador diferencial o restador.
7.11.1.1.4 Amplificador sumador no inversor.
7.11.1.1.5 Amplificador sumador inversor.
7.11.1.1.6 Amplificador derivador inversor.
7.11.1.1.7 Amplificador integrador inversor.
7.11.1.1.8 Amplificador integrador no inversor
7.11.1.1.9 L’amplificador d’instrumentació.
7.11.2 Sistemes no lineals.
7.11.2.1 Llaç obert.
7.11.2.1.1 Comparador inversor.
7.11.2.1.2 Comparador no inversor.
7.11.2.2 Llaç tancat amb realimentació positiva.
7.11.2.2.1 Comparador inversor amb histèresis (Schmitt trigger inversor).
7.11.2.2.2 Comparador no inversor amb histèresis (Schmitt trigger).
7.11.2.3 Llaç tancat amb realimentació negativa i components no lineals.
7.11.2.3.1 Rectificador de precisió de mitja ona.
7.11.2.3.2 Circuit pràctic del rectificador de precisió de mitja ona.
7.11.2.3.3 Rectificador de precisió d’ona completa.
7.11.2.3.4 Amplificador logarítmic.
7.11.2.3.5 Amplificador antilogarítmic o exponencial.
7.11.2.3.6 Multiplicador analògic.
7.11.2.3.7 Sumador analògic.
7.11.2.3.8 Radicador analògic.
Exercicis: Anàlisi de circuits basats en l’amplificador operacional.
Exemples d’aplicació: Generador de senyal triangular basat en l’amplificador operacional, rectificació del senyal EMG amb un rectificador de precisió , el amplificador d’instrumentació per adquirir senyals d’ECG.
Tema 8. Filtres
8.1 El concepte de filtre analògic.
8.2 El concepte de freqüència angular.
8.3 La transformada de Fourier.
8.4 Classificació dels filtres. Analògic i digital.
8.5 Tipus dels filtres. Filtres Low-Pass, High-Pass i Band-Pass.
8.6 La multiplicació de convolució.
8.7 El teorema de convolució.
8.8 La transformada de Laplace.
8.9 La funció de transferència d’un sistema.
8.10 Ordre d’un sistema.
8.11 Arrels d’un sistema. Pols i zeros.
8.12 El filtre ideal.
8.13 Aproximacions dels filtres.
8.13.1 Aproximació de Butterworth.
8.13.2 Aproximació de Chebyshev.
8.13.3 Aproximació de Legendre.
8.14 Comparació de les aproximacions dels filtres.
8.15 Funcions de transferència normalitzades dels filtres.
8.16 Filtres analògics. Actius i passius.
8.16.1 Estructures primer ordre.
8.16.2 Estructures de segon ordre.
8.16.3 Estructures Sallen-Key.
Exercicis: Obtenció de la funció de transferència normalitzada de filtres actius i passius.
Metodologia i activitats formatives
Modalitat totalment presencial a l'aula
| ACTIVITAT FORMATIVA | METODOLOGIA | COMPETÈNCIES |
|---|---|---|
| L'aprenentatge orientat a projectes és un mètode basat en l'aprenentatge experiencial i reflexiu en el qual tenen una gran importància el procés investigador al voltant d'un tema, amb la finalitat de resoldre problemes complexos a partir de solucions obertes o abordar temes difícils que permetin la generació de coneixement nou i desenvolupament de noves habilitats per part dels estudiants. La classe magistral, serà l'escenari per: Aprendre i utilitzar la terminologia i estructures lingüístiques relacionades amb l'àmbit científic. Practicar i desenvolupar destreses de comunicació oral i escrita. I per aprendre com analitzar bibliografia i literatura sobre temes de Bioenginyeria. Practicar pautes per identificar i entendre les idees principals a durant la classe magistral. Aquesta activitat formativa és una eina essencial en la formació des del seu origen i ha de tenir una presència molt important en aquesta estructura de grau. Lectura de textos dirigits amb el fi d'accedir al pensament crític, el qual compleix un paper fonamental en la formació de ciutadans conscients i responsables Activitat no presencial, en aquesta activitat l'estudiant realitza una tasca de sedimentació i repòs del coneixement, necessari sempre abans de fer una tasca nova. El plantejament d'exercicis i problemes per part del professor, ajuda l'alumne a avançar en el procés enginyeril del disseny, guiat pel professor es van aconseguint fites parcials que faciliten la integració del coneixement teòric adquirit. | Les classes pràctiques permeten a l'alumne interactuar en primera persona amb les eines de treball, en petits grups o de forma individual es realitzen petites demostracions pràctiques dels coneixements teòrics adquirits durant les classes teòriques A les classes teòriques s'ha d'establir el saber fonamental i científic que s'assenten les bases del coneixement i rigor que exigeix l'estudi de l'enginyeria La metodologia docent basada en la reflexió, poden proporcionar a l'alumne en un menor espai de temps, coneixements i habilitats útils per abordar problemes d'una forma eficaç El treball individual, a través de l'estudi, la recerca d'informació, el processament de dades i la interiorització dels coneixements permeten a l'alumne consolidar el seu aprenentatge. | CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CE12 CE13 CE15 CE17 CE20 CE8 CG10 CG2 CG3 CG4 CG6 CG7 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 |
Sistemes i criteris d'avaluació
Modalitat totalment presencial a l'aula
La qualificació final de l'assignatura s'obtindrà com;
Nota=0,2·Nep +0,3·Nef +0,3·Nlab+0,2·Ntreb
On
Nep : Nota examen parcial
Nef : Nota examen final
Nlab : Nota pràctiques laboratori
Ntreb : Nota treballs de l'assignatura
Per a optar a l'apte és imprescindible realitzar les pràctiques de laboratori de l'assignatura.
Consideracions importants:
- Plagi, copiar o qualsevol altra acció que es pugui considerar trampa suposarà un zero en aquest apartat d'avaluació. Realitzar-en els exàmens suposarà el suspens immediat de l'assignatura.
- En segona convocatòria no es podrà obtenir la qualificació de "Matrícula d'Honor", de manera que la qualificació màxima serà de "Excel·lent".
- No s'acceptaran canvis en el calendari, dates d'exàmens o en el sistema d'avaluació.
- Els estudiants d'intercanvi (Erasmus i d'altres) o repetidors estaran sotmesos a les mateixes condicions que la resta de l'alumnat.
Bibliografia i recursos
Recursos:
Les diapositives de l'assignatura es troben disponibles al campus virtual del curs.
Bibliografia bàsica:
[1] Prat et al. Circuits i dispositius electrònics. Edicions UPC. Barcelona, 2002. ISBN: 848301574 9.
[2] William, Hayt H. 9ª ed. Análisis de circuitos en ingeniería. McGraw-Hill. México DF, 2019. ISBN: 9781456272135.
[3] John Semmlow. Third ed. Circuits, Signals and Systems for Bioengineers: A MATLAB-Based Introduction. Academic Press. London, 2017. ISBN: 978-0-12-809395-5
Bibliografia complementària:
[1] Keskin, Ali Ümit. 2017. Electrical Circuits in Biomedical Engineering. Problems with solutions. Springer. ISBN: 978-3-319-55101-2.
[2] Sedra, Adel S.; Kenneth C. Smith. 5ª ed. Circuitos Microelectrónicos. McGraw-Hill. Mexico DF, 2006. ISBN-13: 9789701054727.
[3] Fiore, James M. Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. Thomson. Madrid, 2002. ISBN: 8497320999.
Període d'avaluació
- E1 08/01/2021 P2A02 12:00h
- E2 18/06/2021 P2A03 13:00h