Universitat Internacional de Catalunya

Fundamentos y Sistemas Electrónicos

Fundamentos y Sistemas Electrónicos
6
12482
2
Primer semestre
OB
FORMACIÓN TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA
Lengua de impartición principal: castellano

Otras lenguas de impartición: catalán, inglés

Profesorado



Hay que convenir una cita con el profesor mediante correo electrónico institucional.

Presentación

En esta asignatura se reciben los fundamentos teóricos y prácticos necesarios para trabajar con circuitos y sistemas electrónicos. Desde los componentes pasivos más simples hasta los transistores, amplificadores operacionales y sus aplicaciones. Estos conocimientos se van trabajando en paralelo con las herramientas matemáticas necesarias orientadas al análisis de circuitos, como por ejemplo; resolución de matrices, ecuaciones diferenciales y transformada de Laplace. Desde el punto de vista práctico, los estudiantes trabajarán en laboratorio de electrónica donde pondremos practica la implementación de los circuitos más representativos estudiados en la asignatura.

Requisitos previos


Para poder cursar la asignatura de forma satisfactoria se recomienda que el estudiante haya cursado las siguientes asignaturas de primer curso:
-Álgebra
-Cálculo

Objetivos

El objetivo fundamental de la asignatura es introducir al estudiante en los conceptos básicos de los sistemas electrónicos y sus aplicaciones:

  1. Comprender el concepto de diferencia de potencial, intensidad y resistencia eléctrica (Conocimiento / Comprensión).
  2. Describir las leyes básicas de la teoría de circuitos. Leyes de Kirchhoff (Conocimiento / Comprensión).
  3. Describir los componentes electrónicos básicos y saber clasificar y componentes resistivos o reactivos (Conocimiento / Comprensión).
  4. Comprender la física de los materiales semiconductores (Conocimiento).
  5. Describir el funcionamiento del diodo semiconductor y sus regiones de trabajo (Conocimiento / Comprensión).
  6. Describir los circuitos rectificadores básicos de media onda y onda completa basados con diodos (Conocimiento).
  7. Describir el funcionamiento de los transistores y sus regiones de trabajo (Conocimiento / Comprensión).
  8. Definir el funcionamiento del amplificador operacional y sus regiones de trabajo (Conocimiento / Comprensión).
  9. Definir las características del amplificador operacional real e ideal (Conocimiento).
  10. Describir y saber identificar la realimentación negativa y positiva en un circuito con amplificadores (Conocimiento / Comprensión).
  11. Describir los operadores lineales y no lineales basados en el amplificador operacional (Comprensión).
  12. Describir el concepto de función de transferencia (Conocimiento).
  13. Describir el concepto frecuencial de corte (Conocimiento).
  14. Definir la transformada de Fourier y su aplicación en el diseño de filtros (Conocimiento / Comprensión).
  15. Describir el teorema de Convolución y su aplicación en el diseño de filtros (Conocimiento / Comprensión).
  16. Clasificar el circuitos de filtrado en función del tipo de filtrado y su orden (Conocimiento / Comprensión).
  17. Diferenciar entre filtraje activo y pasivo (Conocimiento).

Competencias

  • CB1 - Que los estudiantes hayan demostrado poseer y comprender conocimientos en un área de estudio que parte de la base de la educación secundaria general, y se suele encontrar a un nivel que, si bien se apoya en libros de texto avanzados, incluye también algunos aspectos que implican conocimientos procedentes de la vanguardia de su campo de estudio
  • CB2 - Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio
  • CB3 - Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética
  • CB4 - Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado
  • CB5 - Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía
  • CE12 - Realizar un proyecto en el ámbito de las tecnologías específicas de Bioingeniería de naturaleza profesional en el que se sinteticen e integren las competencias adquiridas en las enseñanzas.
  • CE13 - Identificar, entender y utilizar los principios de electrónica, sensores, acondicionadores y sistemas de adquisición de señales biomédica
  • CE15 - Tener la capacidad de realizar un proyecto mediante el uso de fuentes de datos, y la aplicación de metodologías, técnicas de investigación y herramientas propias de la Bioingeniería, y hacer una exposición y defensa pública del proyecto ante un público especializado de forma que se demuestre la adquisición de las competencias y conocimientos propios del Grado
  • CE16 - Aplicar la terminología propia de la Bioingeniería tanto oral como escrita en una tercera lengua.
  • CE17 - Ser capaz de identificar los conceptos de la ingeniería que se pueden aplicar en el campo de la biología y de la salud.
  • CE18 - Definir los principios fundamentales de las tecnologías que se emplean en el diseño y la fabricación de micro y nanosensores en áreas biotecnológicas.
  • CG10 - Saber trabajar en un entorno multilingüe y multidisciplinar
  • CG2 - Promover los valores propios de una cultura pacífica, contribuyendo a la convivencia democrática, el respeto de los derechos humanos y principios fundamentales como la igualdad y la no discriminación.
  • CG3 - Tener capacidad para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías y ser versátil para la adaptación a nuevas situaciones.
  • CG4 - Resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicación y transmisión de conocimientos, habilidades y destrezas en el campo de la Bioingeniería.
  • CG7 - Analizar y valorar el impacto social y medioambiental de las soluciones técnicas.
  • CG8 - Aplicar los principios y métodos de la calidad.
  • CG9 - Tener capacidad de organización y planificación en el ámbito de la empresa, y otras instituciones y organizaciones.
  • CT2 - Tener capacidad para relacionar el bienestar con la globalización y la sostenibilidad; lograr habilidades para utilizar de forma equilibrada y compatible la técnica, la tecnología, la economía y la sostenibilidad.
  • CT3 - Saber comunicarse de forma oral y escrita con otras personas sobre los resultados del aprendizaje, de la elaboración del pensamiento y de la toma de decisiones; participar en debates sobre temas de la propia especialidad
  • CT4 - Ser capaz de trabajar como miembro de un equipo interdisciplinar, ya sea como un miembro más o realizando tareas de dirección, con la finalidad de contribuir a desarrollar proyectos con pragmatismo y sentido de la responsabilidad, asumiendo compromisos teniendo en cuenta los recursos disponibles
  • CT5 - Realizar un uso solvente de los recursos de información. Gestionar la adquisición, la estructuración, el análisis y la visualización de datos e información en el ámbito de especialidad y valorar de forma crítica los resultados de dicha gestión.
  • CT6 - Detectar deficiencias en el propio conocimiento y superarlas mediante la reflexión crítica y la elección de la mejor actuación para ampliar dicho conocimiento.
  • CT7 - Dominar una tercera lengua, habitualmente el inglés, con un nivel adecuado oral y escrito y en consonancia con las necesidades que tendrán los titulados y tituladas

Resultados de aprendizaje

Saber calcular la variación de resistencia en función de la temperatura en conductor ideal (Aplicación).
Saber calcular la potencia en un circuito (Aplicación).
Resolver circuitos sencillos con componentes pasivos (Aplicación).
Resolver circuitos sencillos con diodos (Aplicación).
Resolver circuitos sencillos con transistores (Aplicación).
Resolver circuitos sencillos basados en el amplificador operacional (Aplicación).
Obtener la función de transferencia de circuitos filtrado activos y pasivos (Aplicación).

Contenidos

Tema 0. Introducción a la asignatura

0.1 Introducción a la electrónica analógica.

0.2 Introducción al fenómeno de la bioelectricidad y las células excitables.

 

Tema 1. Fundamentos físicos de la electricidad

1.1 Definición de la corriente eléctrica.

1.2 Sentido real y convencional de la corriente eléctrica.

1.3 Definición de campo eléctrico.

1.4 Diferencia de potencial.

1.5 Velocidad de los portadores de carga mayoritarios.

1.6 Concentración de portadores de carga mayoritarios.

1.7 Intensidad de la corriente eléctrica.

1.8 Resistencia eléctrica.

1.9 Conductividad.

1.10. Densidad de corriente.

1.11 Ley de Ohm microscópica y macroscópica.

1.12 Potencia eléctrica.

 

Ejemplos de aplicación.

 

Tema 2. Teoría de circuitos

2.1 Leyes básicas de los circuitos eléctricos.

2.1.1 Ley de Ohm.

2.1.2 Leyes de Kirchoff: Primera ley de Kirchoff (KCL) y segunda ley de Kirchoff (KVL).

2.1.3. Resistencia equivalente: agrupación en serie y agrupación en paralelo.

2.2 Circuitos básicos.

2.2.1 Divisor de voltaje.

2.2.2 Divisor de corriente.

 

Tema 3. Elementos de la teoría de circuitos

3.1 Clasificación de los elementos de un circuito.

3.2 Característica corriente-tensión (i-v).

3.3 Definición de una función lineal.

3.4 Definición temporal de potencia y energía.

3.5 Absorción y disipación de potencia.

3.6 Circuito abierto y circuito cerrado.

3.7 Cortocircuito virtual.

3.8 El resistor.

3.9 plan de fase corriente-tensión (i-v).

3.10 El condensador y la bobina.

3.11 Fuentes de voltaje corriente independientes.

3.12 Fuentes de voltaje corriente dependientes.

3.13 Efecto de la desconexión de fuentes.

3.14 Operación estática del condensador y la bobina.

3:15 Circuito equivalente.

3.15.1 Equivalente de Thevenin.

3.15.2 Equivalente de Norton.

 

Ejercicios: resolución de circuitos, análisis de circuitos en el dominio temporal.

Ejemplo de aplicación: el circuito cardiovascular.

 

Tema 4. El diodo semiconductor

4.1 Física de los materiales semiconductores.

4.1.1 Clasificación de los elementos semiconductores.

4.1.2 Conductividad de un material.

4.1.3 El modelo de bandas de energía.

4.1.4 Estabilidad de un material.

4.1.5 Materiales aislantes.

4.1.6 Materiales conductores.

4.1.7 Materiales semiconductores

4.1.7.1 Material semiconductor extrínseco.

4.1.7.2 Material semiconductor intrínseco.

4.2 El diodo semiconductor.

4.2.1 La unión pn.

4.2.2. Mecanismes de transporte de corriente.

4.2.2.1 Corriente de difusión.

4.2.2.2 Corriente de arrastre.

 4.2.3 Polarización del diodo.

 4.2.4 Característica corriente-tensión (i-v) del diodo.

 4.2.5 Modelos del diodo. Modelización segmental.

 

Ejercicios: resolución de circuitos con diodos.  

 

Tema 5. Circuitos rectificadores

5.1. Diagrama de bloques de una fuente de voltaje regulada.

5.2 Rectificador de media onda.

5.3 Rectificador de onda completa con toma de tierra media.

5.4 Rectificador de onda completa con puente de Graetz.

5.5 Rectificadores encapsulados.

5.6 El diodo Zener.

5.7 Esquema eléctrico de una fuente de voltaje regulada.

 

Tema 6. El transistor

6.1 El transistor genérico.

6.2 Clasificación de los transistores.

6.3 Aplicaciones del transistor.

6.4 Historia del transistor.

6.4.1 La válvula de vacío.

6.4.2 El descubrimiento del transistor.

6.5 El transistor bipolar de unión (BJT).

6.5.1 Amplificación con el transistor BJT.

6.5.2 Estructura interna del transistor BJT.

6.5.3 Encapsulados del transistor BJT.

6.5.4 Regiones de funcionamiento del transistor BJT, característica corriente-tensión (i-v).

6.5.5 Modelos de Ebers-Moll del transistor BJT.

6.5.6 Configuraciones típicas del transistor BJT.

6.5.7 Circuitos principales de polarización del transistor BJT.

6.5.8 Análisis del transistor en corriente continua (DC).

6.5.8.1 Análisis analítico en DC.

6.5.8.2 Análisis gráfico en DC (Recta de carga).

6.5.9 Configuraciones en cascada del transistor: Darlington y Sziklai.

6.6 Aplicaciones del transistor BJT.

6.6.1 Modos de operación del transistor BJT.

6.6.1.1 El transistor en régimen lineal. Funcionamiento como amplificador.

6.6.1.2 El transistor en conmutación. Funcionamiento como interruptor.

6.6.2 El transistor como controlador (driver).

6.6.3 El transistor en lógica digital.

6.7 El transistor de efecto campo (FET).

6.7.1 Estructura interna del transistor JFET.

6.7.2 Estructura interna del transistor MOSFET.

6.7.3 Regiones de funcionamiento del transistor JFET.

6.7.4 Regiones de funcionamiento del transistor MOSFET.

6.7.5 Ecuación de Shockley para el transistor JFET.

6.7.6 Modelos de Ebers-Moll del transistor JFET.

6.7.7 Ecuación de Shockley para el transistor MOSFET.

6.7.8 Modulación de la longitud del canal.

6.7.9 Modelos de Ebers-Moll del transistor MOSFET.

 

Ejercicios: resolución de circuitos con transistores.

 

Tema 7. El amplificador operacional

7.1. Concepto de amplificador operacional.

7.2 Alimentación de un amplificador operacional: alimentación bipolar y unipolar.

7.3 Tensión de entrada del amplificador: tensión diferencial y en modo común.

7.4 Regiones de funcionamiento.

7.5 El modelo real del amplificador.

7.6 El modelo ideal del amplificador.

7.6.1 El modelo ideal del amplificador en región lineal: ganancia, impedancia de entrada y de salida

7.6.2 El modelo ideal del amplificador en saturación.

7.7 El concepto de cortocircuito virtual.

7.8 Estructura interna del amplificador operacional.

7.9 Sistema general basado en el amplificador operacional.

7.10 Modos de operación del amplificador operacional.

7.10.1 El amplificador operacional en lazo abierto.

7.10.2 El amplificador operacional en lazo cerrado.

7.10.2.1 El amplificador en lazo cerrado con realimentación positiva.

7.10.2.2 El amplificador en lazo cerrado con realimentación negativa.

7.11 Sistemas basados en el amplificador operacional.

7.11.1 Sistemas lineales.

7.11.1.1 Lazo cerrado con realimentación negativa con componentes lineales.

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 El amplificador de instrumentación.

7.11.2 Sistemas no lineales.

7.11.2.1 Lazo abierto.

7.11.2.1.1 Comparador inversor.

7.11.2.1.2 Comparador no inversor.

7.11.2.2 Lazo cerrado con realimentación positiva.

7.11.2.2.1 Comparador inversor con histéresis (trigger Schmitt inversor).

7.11.2.2.2 Comparador no inversor con histéresis (trigger Schmitt).

7.11.2.3 Lazo cerrado con realimentación negativa y componentes no lineales.

7.11.2.3.1 Rectificador de precisión de media onda.

7.11.2.3.2 Circuito práctico del rectificador de precisión de media onda.

7.11.2.3.3 Rectificador de precisión de onda completa.

7.11.2.3.4 Amplificador logarítmico.

7.11.2.3.5 Amplificador antilogarítmicos o exponencial.

7.11.2.3.6 Multiplicador analógico.

7.11.2.3.7 Sumador analógico.

7.11.2.3.8 Radicador analógico.

 

Ejercicios: Análisis de circuitos basados en el amplificador operacional.

Ejemplos de aplicación: Generador de señal triangular basado en el amplificador operacional, rectificación de la señal EMG con un rectificador de precisión, el amplificador de instrumentación para adquirir señales de ECG.

 

Tema 8. Filtros

 

8.1 El concepto de filtro analógico.

8.2 El concepto de frecuencia angular.

8.3 La transformada de Fourier.

8.4 Clasificación de los filtros. Analógicos y digitales.

8.5 Tipos de los filtros. Filtros Low-Pass, High-Pass y Band-Pass.

8.6 La multiplicación de convolución.

8.7 El teorema de convolución.

8.8 La transformada de Laplace.

8.9 La función de transferencia de un sistema.

8.10 Orden de un sistema.

8.11 Raíces de un sistema. Polos y ceros.

8.12 El filtro ideal.

8.13 Aproximaciones de los filtros.

8.13.1 Aproximación de Butterworth.

8.13.2 Aproximación de Chebyshev.

8.13.3 Aproximación de Legendre.

8.14 Comparación de las aproximaciones de los filtros.

8.15 Funciones de transferencia normalizadas de los filtros.

8.16 Filtros analógicos. Activos y pasivos.

8.16.1 Estructuras primer orden.

8.16.2 Estructuras de segundo orden.

8.16.3 Estructuras Sallen-Key.

 

Ejercicios: Obtención de la función de transferencia normalizada de filtros activos y pasivos.

Metodología y actividades formativas

Modalidad totalmente presencial en el aula



ACTIVIDAD FORMATIVAMETODOLOGÍACOMPETENCIAS
El aprendizaje orientado a proyectos es un método basado en el aprendizaje experiencial y reflexivo en el que tienen una gran importancia el proceso investigador alrededor de un tema, con la finalidad de resolver problemas complejos a partir de soluciones abiertas o abordar temas difíciles que permitan la generación de conocimiento nuevo y desarrollo de nuevas habilidades por parte de los estudiantes.
La clase magistral, será el escenario para: Aprender y utilizar la terminología y estructuras lingüísticas relacionadas con el ámbito científico. Practicar y desarrollar destrezas de comunicación oral y escrita. Y para aprender como analizar bibliografía y literatura sobre temas de Bioingeniería. Practicar pautas para identificar y entender las ideas principales en durante la clase magistral. Esta actividad formativa es una herramienta esencial en la formación desde su origen y debe tener una presencia muy importante en esta estructura de grado.
Lectura de textos dirigidos con el objeto de acceder al pensamiento crítico, el cual cumple un papel fundamental en la formación de ciudadanos conscientes y responsables
Actividad no presencial, en esta actividad el estudiante realiza una labor de sedimentación y reposo del conocimiento, necesario siempre antes realizar una tarea nueva.
El planteamiento de ejercicios y problemas por parte del profesor, ayuda al alumno a avanzar en el proceso ingenieril del diseño, guiado por el profesor se van consiguiendo metas parciales que facilitan la integración del conocimiento teórico adquirido.
Las clases prácticas permiten al alumno interactuar en primera persona con las herramientas de trabajo, en pequeños grupos o de forma individual se realizan pequeñas demostraciones prácticas de los conocimientos teóricos adquiridos durante las clases teóricas.
En las clases teóricas se debe establecer el saber fundamental y científico que asientan las bases del conocimiento y rigor que exige el estudio de la ingeniería
La metodología docente basada en la reflexión, pueden proporcionar al alumno en un menor espacio de tiempo, conocimientos y habilidades útiles para abordar problemas de una forma eficaz
El trabajo individual, a través del estudio, la búsqueda de información, el procesamiento de datos y la interiorización de los conocimientos permiten al alumno consolidar su aprendizaje.
CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CE12 CE13 CE15 CE17 CE20 CE8 CG10 CG2 CG3 CG4 CG6 CG7 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7

Sistemas y criterios de evaluación

Modalidad totalmente presencial en el aula



  La calificación final de la asignatura se obtendrá como;

Nota=0,2·Nep +0,3·Nef +0,3·Nlab+0,2·Ntreb

donde

Nep : Nota examen parcial

Nef : Nota examen final

Nlab : Nota prácticas laboratorio

Ntreb : Nota trabajos de la asignatura

 

Para optar al apto es imprescindible realizar las prácticas de laboratorio de la asignatura.

 

Consideraciones importantes:

  1. Plagio, copiar o cualquier otra acción que se pueda considerar trampa supondrá un cero en ese apartado de evaluación. Realizarlo en los exámenes supondrá el suspenso inmediato de la asignatura.
  2. En segunda convocatoria no se podrá obtener la calificación de "Matrícula de Honor", por lo que la calificación máxima será de "Excelente". 
  3. No se aceptarán cambios en el calendario, fechas de exámenes o en el sistema de evaluación.
  4. Los estudiantes de intercambio (Erasmus y otros) o repetidores estarán sometidos a las mismas condiciones que el resto del alumnado.

Bibliografía y recursos

Recursos:

Las diapositivas de la asignatura se encuentran disponibles en el campus virtual del curso.


Bibliografía básica:

[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 

Bibliografía complementaria:

[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.

Periodo de evaluación

E: fecha de examen | R: fecha de revisión | 1: primera convocatoria | 2: segunda convocatoria:
  • E1 09/01/2023 A10 12:00h