Fundamentos y Sistemas Electrónicos
Módulo: FORMACIÓN TECNOLÓGICA
Materia: TECNOLOGÍA
Lengua de impartición principal: castellano
Otras lenguas de impartición: catalán, inglés
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Responsable
Dr. Xavier MARIMON - xmarimon@uic.es
Horario de atención
Hay que convenir una cita con el profesor mediante correo electrónico institucional.
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.
Para poder cursar la asignatura de forma satisfactoria se recomienda que el estudiante haya cursado las siguientes asignaturas de primer curso:
-Álgebra
-Cálculo
El objetivo fundamental de la asignatura es introducir al estudiante en los conceptos básicos de los sistemas electrónicos y sus aplicaciones:
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).
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.
ACTIVIDAD FORMATIVA | METODOLOGÍA | COMPETENCIAS |
---|---|---|
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 |
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:
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.
E: fecha de examen | R: fecha de revisión | 1: primera convocatoria | 2: segunda convocatoria: