Fabricación de Circuitos Integrados, Amplificadores Operacionales y Sistemas de Control

Fabricación de Circuitos Integrados

1. Proceso de fabricación de un circuito integrado:

1. Se parte de una oblea extraída del lingote.
2. Mediante crecimiento epitaxial, se crea una capa de material tipo P sobre la capa original de tipo N.
3. Se introduce en un horno a unos 1.000°C, para formar una película aislante de dióxido de silicio (SiO2).
4. Se aplica una película de material fotosensible (fotorresina sensible a la luz ultravioleta).
5. Se coloca una “máscara” sobre la película anterior, que contiene zonas obscuras y zonas transparentes. Se aplica luz ultravioleta colimada, que hace que la resina correspondiente a las zonas transparentes se polimerice.
6. Se aplica un revelador para eliminar la fotorresina de las zonas opacas, que la luz no ha polimerizado.
7. Se trata la oblea con ácido fluorhídrico para eliminar el dióxido de silicio que ha quedado expuesto.
8. Se introduce en un horno a alta temperatura y con una atmósfera rica en partículas tipo N, que penetrarán por difusión en las zonas abiertas de la etapa anterior.
9. Se repone la capa de dióxido de silicio en el horno.
10. Se vuelve a aplicar la fotorresina y nueva máscara. Se aplica luz ultravioleta para polimerizar las zonas expuestas.
11. Se aplica de nuevo el revelado y el ácido fluorhídrico.
12. Se deposita aluminio sobre la oblea para formar los terminales de conexión.

Amplificadores Operacionales

Definición y Características

2. Definición y características del amplificador operacional:

Un amplificador operacional es un circuito integrado analógico que funciona prácticamente como un amplificador ideal. Entre sus características destacan:

• Ganancia de tensión muy elevada (200.000).
• Impedancia de entrada muy elevada (2 MΩ).
• Impedancia de salida prácticamente nula.
• Ancho de banda muy elevado (amplio rango de frecuencias).
• Está constituido por decenas de transistores y resistencias dispuestas sobre una sola pastilla de silicio.
• Cuenta con al menos estos terminales:
  • Entrada inversora: Se considera la entrada negativa.
  • Entrada no inversora: Se considera la entrada positiva.
  • Salida: La salida del amplificador operacional.
  • Alimentación positiva: Hay que alimentar el operacional con corriente continua (en un 741 entre +5 y +18 V).
  • Alimentación negativa: Hay que alimentar el operacional con corriente continua (en un 741 entre -5 y -18 V).
  • Offset null: La mayoría de los amplificadores operacionales lo incluyen, y sirven para corregir los errores de asimetría en las señales de entrada.

Amplificador Operacional en Lazo Abierto

3. El amplificador operacional en lazo abierto:

• La tensión (V0) en la salida del operacional es proporcional a la ganancia y a la diferencia de tensiones entre sus entradas (Vp y Vn). V0 = A · (Vp - Vn)
• El valor de la salida del operacional está limitado por la propia alimentación del chip (tensión de saturación). Por ejemplo, si el operacional está alimentado a ±15V, tiene una ganancia de 100.000 y la diferencia de tensión entre VP – VN es de 1V no significa que la salida sea de 100.000V, sino que la salida será de ≈15V.
• Si relacionamos la tensión de salida con la de entrada (VP – VN), se observa que hay un tramo recto que pasa por el origen llamado zona lineal de funcionamiento.
• La principal aplicación es trabajar como comparador
  • Si VP = VN, la tensión de salida será nula.
  • Si VP > VN, la tensión de salida será positiva.
  • Si VP < VN, la tensión de salida será negativa.

Amplificador Operacional en Lazo Cerrado

4. Definición de amplificador operacional en lazo cerrado. Tipos de montajes de amplificadores operacionales en lazo cerrado (breve descripción y dibujo de cada uno de ellos):

Un amplificador operacional funciona en lazo cerrado cuando tiene realimentación. Con este montaje es posible controlar la ganancia de forma sencilla en función de la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada: G = VOUT/VIN

Entre los distintos tipos distinguiremos:

• Amplificador Inversor: La ganancia es G = - R2/R1. La señal de salida es amplificada y su polaridad es contraria a la señal de entrada.
• Amplificador no Inversor: La ganancia es G =1+R2/R1 La señal de salida es amplificada y su polaridad es igual a la de la señal de entrada.
• Seguidor de Tensión: La ganancia es G =1. La señal de salida es igual a la de la señal de entrada. Se utiliza para adaptar impedancias y lograr la máxima transferencia de potencia.
• Sumador Ponderado: Suma varias señales de forma ponderada (importancia diferente a cada una). La tensión de salida será: VO= -RF*[(V1/R1) + (V2/R2) + (V3/R3)] El signo negativo es debido a que estamos utilizando la entrada inversora. se utiliza en mezcladores de audio y en convertidores digital a analógico. Por ejemplo, un reproductor de música en formato MP3.
• Amplificador Diferencial: También llamado restador. Este circuito restará las dos señales de entrada y amplificará el resultado. La tensión de salida es: 𝑉0 = 𝑅2 𝑅1 · (𝑉2 − 𝑉1 ) Se emplea habitualmente en instrumentación.
• Derivador: La tensión de salida del circuito depende de cómo varíe la señal de entrada respecto al tiempo. Cuanto más rápida sea la variación de la tensión de la onda de entrada, mayor será la tensión de salida.
• Integrador: La tensión de salida del circuito depende de la tensión de entrada y del tiempo transcurrido. A mayor tensión de entrada y mayor tiempo transcurrido, mayor tensión de salida.

Sistemas de Control

1. Definición de sistema. Definición y diagrama de un sistema:

Solución:

Un sistema es la combinación de componentes que actúan conjuntamente, encaminados a un determinado propósito. Todo sistema consta de:

• Variables de control: es la señal de entrada que determina el funcionamiento del sistema.
• Variable de salida: es el parámetro físico sobre el que actúa el sistema (magnitud controlada). Puede ser cualquier magnitud física: temperatura, presión, posición relativa, caudal, etc.
• Perturbación: es una magnitud externa no deseada que afecta (modifica) al valor de la variable de salida.

2. Clasificación las variables del sistema de control automático atendiendo a su función:

Solución:

Las variables de entrada y salida pueden depender de diversas magnitudes: presión, temperatura, caudal, intensidad, posición, etc. y dependiendo de sus función podemos clasificarlas como:

• Señal de mando (w): es la señal de entrada al mando de control que nosotros hemos seleccionado. Ej: selector de temperaturas.
• Variable controlada (x): es la variable de salida del sistema controlado. En un sistema de lazo cerrado, esta será también la señal de realimentación capturada por el transductor. Un transductor es un dispositivo que transforma magnitudes físicas en señales eléctricas o viceversa. Ej: el termostato de un horno.
• Desviación (xw): es la señal de error resultante de comparar (restar) la variable controlada (x) proveniente de la realimentación y la señal de mando (w). La desviación puede ser positiva o negativa dependiendo de cuál es el mayor valor de las variables de entrada al comparador. En la mayoría de los circuitos de control, el comparador será un amplificador operacional trabajando en lazo cerrado como comparador.
• Variable de control (y): es la variable capaz de modificar el estado de funcionamiento de un sistema. En el caso del horno, la variable de control residirá en un termopar, cuyos dos posibles estados serán conectado o desconectado.
• Perturbación (z): es una señal externa no deseada, que modifica el valor de la variable controlada. En el caso del horno, la perturbación será la pérdida de calor sufrida a través de puerta y paredes (perturbación negativa) o el aumento de temperatura por un exceso de calor emitido por la resistencia de caldeo (perturbación positiva).

1. Partes del sistema de control automático:

Independientemente del tipo de parámetro que deban controlar (temperatura, presión, posición…) los sistemas de control constan de:

• Comparador: se encarga de comparar la señal de mando con la variable controlada proveniente de la realimentación. Se compone de un amplificador operacional funcionando como comparador. En el horno se compara la señal del termostato con la del selector de temperaturas. Al comparador pueden llegar varias señales de mando y varias señales de realimentación en función de la complejidad del sistema. Ej: el sistema de control de combustible para un motor de turbina recibe información del sensor de revoluciones, temperatura, presión, etc. y además la señal de mando proveniente de la palanca de la palanca de potencia del motor, todo ellos para controlar el caudal de combustible que se inyecta a la turbina.
• Regulador (controlador): es el elemento más importante del sistema de control. Recibe la señal del comparador y “decide” cuál será la variable de control para disminuir la desviación. En el ejemplo del horno es el encargado de conectar o desconectar la resistencia de caldeo (un termopar, por ejemplo).
• Accionador: se encarga de amplificar la señal de salida del regulador para enviarla al sistema de control de actuadores. Ej: en un piloto automático, la señal del regulador será tan pequeña, que será incapaz de mover los alerones, pero será suficiente para mover la electroválvula, que abra el paso del sistema hidráulico para activar los actuadores de los alerones y/o timón. Este accionador es hidráulico, pero puede ser neumático, electrónico, mecánico… De este modo con un servomecanismo podemos mover pesadas cargas a partir de señales muy pequeñas de forma muy precisa.
• Sistema: se conoce también como planta o proceso. Es aquello que se pretende controlar, tal y como hemos estudiado anteriormente.
• Transductor: un elemento capaz de convertir una magnitud física en una eléctrica y/o viceversa. Un sensor, es un ejemplo típico de transductor.

Sensores

2. Sensores resistivos: definición y tipos:

Los sensores resistivos son aquellos que modifican su valor óhmico en función del valor de la magnitud que detectan. Son transductores analógicos y los principales son:

• Potenciómetro: se emplea tanto para detectar una posición angular como lineal. Se emplea como elemento selector, introduciendo la señal de mando al sistema.
• LDR: resistor dependiente de la luz. Se emplea como detector de luminosidad. Cuanto mayor es la luz, menor es su resistencia.
• Termistor: resistor dependiente de la temperatura. Se emplea tanto PTC (termistor con coeficiente positivo), como el NTC (termistor con coeficiente negativo).
• Banda extensiométrica: se emplea para medir deformaciones en estructuras sometidas a esfuerzos y tensiones como puede ser el tren de aterrizaje o la hélice de un avión. Su funcionamiento se basa en la variación de resistencia, que presenta un conductor al modificar su longitud.

Cuanto mayor sea la carga a la que sometemos un material, mayor será su deformación, por tanto, si adherimos un conductor a la estructura, este aumentará o disminuirá su longitud proporcionalmente al esfuerzo aplicado, y en la misma medida modificará su resistencia eléctrica.

1. Define dibuja y explica los sensores electromagnéticos:

Solución:Los sensores inductivos basan su funcionamiento en las propiedades electromagnéticas de los materiales ferromagnéticos y la inducción magnética.

Algunos sensores inductivos varían su coeficiente de autoinducción en función de la posición de su núcleo [gráfico (a)].

Otros consisten en un imán, que induce una corriente en la bobina, como en el caso del captador electromagnético de vibraciones [gráfico (b)] o los captadores magnéticos de posición lineal y angular [gráfico (c)] y finalmente los sensores de efecto Hall [gráfico (d)].

Respecto a los últimos, sensores de efecto Hall, se basan en las fuerzas que aparecen cuando se somete a un conductor recorrido por una corriente eléctrica a un campo magnético perpendicular a la misma. Dicha fuerza será perpendicular a ambos (corriente y campo) y obligará a la corriente a desviarse en la dirección de la fuerza.

1. Transformadores E – I.

Solución:

Uno de los transductores más utilizados es el transformador E-I.

Su nombre deriva de su configuración, (ver figura al margen parte izquierda). En el núcleo con forma de E se montan una bobina primaria en el centro y dos bobinas de secundario en los extremos conectadas en serie y bobinadas en sentido contrario de modo que sus tensiones inducidas se oponen mutuamente. La armadura con forma de I puede pivotar sobre su centro de modo que al cambiar su posición cambiará la reluctancia del circuito magnético, lo cual cambiará la tensión inducida en el secundario.

El transformador E – I en la configuración anterior se utiliza para variaciones angulares, pero también puede utilizarse en la detección de movimientos lineales. Bastará con permitir a la armadura movimientos laterales, en lugar de giros.

Los transformadores E – I se emplean en las aeronaves como transductores en altímetros, sensores de aceleración del sistema de navegación inercial, instrumentación, sensores de presión etc.

1. Definición de sincro. Sincro de torsión.

Solución:

Un sincro es un transductor de posición angular de tipo electromagnético. Consiste en un transformador en el cual una de sus bobinas (primario o secundario) puede rotar en torno a su eje permaneciendo la otra fija.

A este conjunto básico se le denomina transmisor/receptor de par.

La bobina primaria suele ser monofásica con terminales R1 y R2 mientras que la secundaria, con terminales S1, S2 y S3 es trifásica en estrella. Los sincros son partes fundamentales en el aeronave (piloto automático, navegación, instrumentación, etc.), alimentándose habitualmente con tensiones alternas de 26 V y frecuencias de 400 Hz.

El sincro más elemental es el sincro de torsión. Consta de un transmisor (TX) y un receptor (TR) de forma idéntica.

En principio, se parte de la posición neutral (ver gráfico inferior – graf. [1]). Los rotores actúan como primario, mientras que los estatores lo hacen como secundario. Las ondas de tensión inducidas dependen de las posiciones relativas entre las bobinas. Dado que las posiciones relativas en transmisor y receptor son las mismas, las tensiones inducidas son las también las mismas y se anulan entre sí, la corriente inducida será nula.

Si por la acción de una fuerza externa, se desvía el rotor del transmisor un ángulo α de su posición de equilibrio (gráfico inferior – graf. [2]), las tensiones inducidas en el estátor del transmisor se modifican y ya no estarán equilibradas con las del receptor, esto provoca que se generen corrientes en los estatores, lo que inducirá campos magnéticos que ejercerán fueras sobre el rotor del receptor.

Finalmente (gráfico inferior – graf. [3]), las fuerzas magnética moverán el rotor del receptor un ángulo α igual al de transmisor, este hecho hará que las tensiones en los secundarios se equilibren de nuevo, y las corrientes entre secundarios desaparezcan.

La ventaja de este sistema consiste en que solo consume potencia cuando se está moviendo, puesto que, por el principio de funcionamiento de un transformador, si por el secundario no circula corriente, por el primario tampoco lo hará.

La única desventaja del sistema es el bajo par que genera, por lo que sólo es posible usarlo en instrumentación.

Finalmente, un aspecto a tener en cuenta de los sincros de torsión consiste en que, si permutamos las conexiones de los bobinados del estátor, el rotor del receptor seguirá girando el mismo ángulo α que el del transmisor, pero en sentido contrario.