Lenguajes de descripción de hardware (HDLs)

·         Estos lenguajes fueron desarrollados para hacer frente a la creciente complejidad de los diseños.

·         Se puede hacer una analogía con los que se pueden llamar lenguajes de descripción de software:

Los HDLs son usados para modelar la arquitectura y comportamiento de sistemas electrónicos discretos.

• Se utilizan en la fase de diseño

• Necesidad de Simulador lógico

– Herramienta necesaria para reproducir el comportamiento del sistema modelado

– Permite la verificación del sistema diseñado.

• Actualmente existen herramientas software que permiten pasar de dichas descripciones a diseños a nivel de puertas: SÍNTESIS

Síntesis lógica

Síntesis lógica: convierte una descripción de un sistema digital mediante un HDL en una implementación tecnologíca.

Descripcion HDL                                                            Puertas

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity puertas is

port ( A, B, C : in std_logic;

Y: out std_logic

);

end puertas;

ARCHITECTURE a of puertas is

begin

Y <= (A and B) or C;

end a;

-El hecho de realizar una síntesis lógica obliga a ciertas restricciones en la tarea de realizar las descripciones con HDLs.

-No se pueden utilizar todas las construcciones de los lenguajes, y las que están permitidas hay que utilizarlas adecuadamente.

-Cada uno de los sintetizadores que existen actualmente en el mercado tienen unas restricciones distintas, si bien, son muy parecidas en cada uno de ellos.

Ventajas del uso de HLDs

• El lenguaje es independiente de la tecnología:

– El mismo modelo puede ser sintetizado en librerías de distintos vendedores.

– Reducción de la dependencia con el fabricante de ASICs, ya que la portabilidad a otra tecnología es mucho más rápida.

– Reutilizar el diseño en componentes tan distinto como ASICs o FPGAs con un esfuerzo mínimo.

•Soportan tres estilos de descripción básicos:

– DESCRIPCIÓN COMPORTAMENTAL (behavioral)

– DESCRIPCIÓN DE FLUJO DE DATOS (data-flow)

– DESCRIPCIÓN ESTRUCTURAL (estructural)

Un diseño puede ser descrito con una combinación de los tres estilos.

•Se puede verificar la funcionalidad del diseño muy pronto en el proceso de diseño.

La simulación del diseño a tan alto nivel, antes de la implementación a nivel de puertas, permite testar la arquitectura y rectificar decisiones en las primeras fases de diseño, con un esfuerzo mucho menor que si se realizase en fases posteriores.

•Sencillez

– Como la descripción se centra más en la funcionalidad que en la implementación, resulta más sencillo para una persona comprender qué función realiza el diseño a partir de una descripción HDL que a partir de un esquemático de interconexión de puertas

begin

Y <= (A and B) or C;

end a;

•Ahorro de tiempo

– Facilita las correcciones en el diseño debidas a fallos de diseño o cambio de especificaciones.

– La existencia de herramientas comerciales automáticas (sintetizadores RTL) que permiten crear descripciones gate-level a partir de los modelos a nivel RTL

– Si bien, el diseño final no suela estar tan optimizado como si lo hubiera realizado un humano, la mayoría de las veces es necesario sacrificar un mínimo en las prestaciones, para poder llevar a cabo el proyecto.

Para ello se necesita la disponibilidad de dichas herramientas, las librerías de síntesis del fabricante y sus archivos de tecnología.

• Los "Test Bench" pueden ser escritos en el mismo lenguaje que con el que han sido modelados los diseños (HDL).

– Esto permite un mejor manejo del modelo, ya que se puede asociar el modelo a sus estímulos de simulación.

Inconvenientes del uso de HDLs

• Supone un esfuerzo de aprendizaje, ya que prácticamente se puede considerar como nueva metodología.

• Necesaria la adquisición de nuevas herramientas:

– Simuladores

– Sintetizadores de HDL, teniendo que mantener el resto de las herramientas para otras fases del diseño.

• El uso de estos lenguajes hace que involuntariamente se pierda un poco de control sobre el aspecto físico del diseño, dándole una mayor importancia a la funcionalidad de dicho diseño.

Circuitos Eléctricos     6SC5

TRABAJO ‘HDL’

García Hernández José Alberto      10210581

Pérez Ramírez Eduardo 10210582

Martínez Olague Irving Iván 10210587

M.C. Jorge Carlos Ríos

Tijuana Baja California a 04 de JUNIO de 2012

Diodo Schottky

A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N, el diodo schottky tiene una unión Metal-N.

Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios).

El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia.

Estas son:

- El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha).

Esta característica no permite que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente que tienen que conducir en sentido directo es bastante grande.

- El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).

El proceso de rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene que soportar el diodo sea grande.

Símbolo del diodo Schottky

Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad como en computadoras.

En estas aplicaciones se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo causa poco gasto de energía.

El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, se llama así en honor del físico alemán Walter H. Schottky.

Diodo Varactor
Ver el símbolo del diodo varactor o varicap en el gráfico de la derecha
 

Todos los diodos cuando están polarizados en sentido opuesto tienen una capacitancia que aparece entre sus terminales.
Los diodos varactores o varicap han sido diseñados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tengan una característica capacitancia-tensión dentro de límites razonables.
En el gráfico inferior se muestran las similitudes entre un diodo y un capacitor.
Debido a la recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura.
Esta zona de agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente.

Las áreas exteriores a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor). Se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante).
La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con una fuente externa. Esto causa que se aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este último disminuye la capacitancia.
Entonces la capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo.
- Si la tensión aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye
- Si la tensión disminuye la capacitancia aumenta



Diodo Varistor
Uno de los dispositivos empleados para estabilizar la línea, es el varistor; también es conocido como supresor de transitorios.

Este dispositivo equivale a dos diodos zéner conectados en paralelo, pero con sus polaridades invertidas y con un valor de tensión de ruptura muy alto.
Los varistores son construidos para diferentes valores de tensión de ruptura; por ejemplo, un varistor con un voltaje de ruptura de 150V conectado a la línea comercial de 110V, se mantendrá como un dispositivo inactivo hasta que en sus extremos se presente un transitorio con un voltaje igual o superior a los 150V; entonces el dispositivo, disparándose, conduce (su resistencia interna se hace casi cero) y reduce el efecto dañino del transitorio en el circuito.
En suma, el varistor como dispositivo de protección recorta a todos los transitorios que se presenten en la línea; con ello, se evita daños a los circuitos posteriores.

Diodo PIN
Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo el intermedio semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa n de alta resistividad (ν).

El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:
-conmutador de RF
-resistencia variable
-protector de sobretensiones
-fotodetector

 

Capas de un diodo PIN

http://ladelec.com/teoria/informacion-tecnica/323-diodos-varistores
http://www.unicrom.com/Tut_diodo_varactor.asp
http://www.unicrom.com/Tut_shottky_tunnel.asp
http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_PIN

Capacitores y bobinas( inductores)


-Caracteristicas

Capacitor

se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.
Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia, así como en :

VENTILADORES

MOTORES DE AIRE ACONDICIONADO

ILUMINACIÓN

REFRIGERACIÓN,

COMPRESORES

BOMBAS DE AGUA

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Bobina

Para las bobinas hay una fórmula que nos permite obtener la inductividad de una bobina basándose en sus dimensiones físicas y tipo de material, la cual nos permitá calcular que resultado nos dará una bobina "teórica". El logro de la inductividad deseada solo será el resultado de una serie de pruebas-error. (al menos sabremos qué tendremos antes de empezar a enrollar alambre).

L= u 1.257 ( n"al cuadrado" s/10"a la 8" l )

Donde L es la inductividad de la bobina en henrios (H), u(mu) es la permeabilidad del núcleo, n es el número de espiras de la bobina, s la superficie cubierta por el núcleo en cm2 y l la longitud de la bobina en cm.

-Tipos

Capacitores

Capacidad eléctrica y tensión de trabajo (WV).- Cuando dos conductores permanecen próximos entre sí, aparece cierta capacidad entre ellos.
La magnitud de esta capacidad es directamente proporcional al área de los conductores, e inversamente proporcional a la distancia de éstos y en el caso de un condensador plano de placas paralelas vale:

donde C es la capacidad en Faradios
e es la constante dieléctrica y vale 8.85 x 10^-12 Culombios^2/(N x m^2) para el vacío.
A es el área de las placas en m^2
d es la distancia que las separa en metros.

El dieléctrico.- En la figura se representa un condensador plano de placas paralelas; el dieléctrico se interpone entre ambas placas, evitando que éstas entren en contacto.
 
Condensador electrolítico.- Se hacen formando un arrollamiento de película de aluminio, e inicialmente separadas por una capa de un material absorbente como tela o papel impregnado con una solución o gel, aunque modernamente se emplea óxido de aluminio o tántalo.

 
Condensadores de película.- Todos los condensadores de película son no polarizados, es decir, no requieren marcar una patilla como positiva o negativa, siendo indiferente su conexión en el circuito. Son los preferidos en los circuitos de audio de calidad, siempre que el tamaño lo permita, por sus pocas pérdidas y distorsión reducida.



Condensadores de mica.- Es un dieléctrico de unas características intermedias entre los condensadores electrolíticos y los de película, teniendo una rigidez dieléctrica alta y otras características excelentes, como muy bajas pérdidas, pero su capacidad se limita hasta los 4700 pF aproximadamente.
 
Condensadores cerámicos.- Son los que tienen un mayor rango de valores de su constante dieléctrica, pudiendo llegar a un valor de 50000 veces superior a la del vacío. Se basan en varias mezclas de óxido de titanio y zirconio, o bien en titanatos o zirconatos de calcio, bario, estroncio o magnesio,



Condensador ideal y condensador real. El condensador real siempre tiene una componente inductiva y una parte resistiva, así como otros elementos, como las pérdidas en el dieléctrico.



Absorción dieléctrica (DA).- Un factor poco conocido de los condensadores, y algunos autores le achacan a esta propiedad ser la responsable de porqué sólo es admisible la utilización de condensadores de película en circuitos de audio de calidad.

Bobinas

FIJAS

Con núcleo de aire:

El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y
posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle.
Se utiliza en frecuencias elevadas.

Con núcleo sólido:

Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores
debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un
material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube.

-Comportamiento en Circuitos( RC,RL,RLC)


- Un capacitor (condensador) se cargue a un 63.2 % de la carga total (máximo voltaje) después de que una fuente de corriente directa se haya conectado a un circuito RC. o ...

- Un inductor (bobina) este siendo atravesada por el 63.2 % de la corriente total (máxima corriente), después de que una fuente de corriente directa se haya conectado a un circuito RL.

Si transcurre una nueva constante de tiempo el condensador se habrá cargado ahora a un 86.5 % de la carga total y por la bobina circulará un 86.5 % de la corriente total.

Esta situación es similar cuando el capacitor e inductor se descargan:

Cuando la fuente de voltaje en CD se retira de un circuito RC o RL y ha transcurrido una constante de tiempo el voltaje en el capacitor ha pasado de un 100% hasta un 36.8 % (se ha perdido un 63.2% de su valor original). Igual sucede con el inductor y la corriente que pasa por él.

-un circuito RLC es un circuito lineal que contiene una resistencia eléctrica, una bobina (inductancia) y un condensador (capacidad).

Existen dos tipos de circuitos RLC, en serie o en paralelo, según la interconexión de los tres tipos de componentes. El comportamiento de un circuito RLC se describen generalmente por una ecuación diferencial de segundo orden (en donde los circuitos RC o RL se comportan como circuitos de primero orden).

CONDUCTORES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES

QUE SON ?

Conductores

Se aplica este concepto a los cuerpos capaces de conducir o transmitir la electricidad.
Un conductor eléctrico está formado primeramente por el conductor propiamente tal, usualmente de cobre.
Este puede ser alambre, es decir, una sola hebra o un cable formado por varias hebras o alambres retorcidos entre sí.
Los materiales más utilizados en la fabricación de conductores eléctricos son el cobre y el aluminio.




LISTA DE 15 CONDUCTORES:  Hidrogeno(No metal), Plata (Metal), Cobre(Metal), Oro(Metal), Aluminio(Metal), Berilio (Metal) , Sodio (Metal) , Magnesio (Metal) , Rodio (Metal) , Molibdeno (Metal) , Iridio (Metal) , Volframio (Metal) , Lantano (Metal) , Zinc (Metal) , Potasio (Metal)

Estructura de los Conductores

Semiconductores

Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
Gracias a los semiconductores la tecnología del estado sólido a sido reemplazada por completo a los tubos al vació, estos materiales están formados por electrones externos de un átomo, y los cuales son conocidos como electrones de valencia.

Existen dos tipos de semiconductores los de tipo N y los de tipo P y la unión de estos dos formando así un tercero llamado unión PN.

SEMICONDUCTOR TIPO N:

Este tipo de semiconductor trata de emparejar los materiales con respecto a sus cargas y lo realiza con enlace de impurezas a ambos materiales. Por lo tanto, la impureza puede donar cargas con carga negativa al cristal, lo cual nos explica el nombre de tipo N (por negativo).

SEMICONDUCTOR TIPO P:

El semiconductor tipo P se produce también comercialmente por el proceso de contaminación, en este caso el contaminante tiene una carga menos que el semiconductor tipo N, entre los mas comunes podemos encontrar el aluminio, boro, galio y el indio.

SEMICONDUCTOR UNION PN:

Al combinar los materiales de tipo P y N se obtienen datos y cosas muy curiosas pero lo mas importante y relevante es la formación del tipo unión PN. Una unión se compone de tres regiones semiconductoras, la región tipo P, una región de agotamiento y la región tipo N.

Aislantes

Aislante o no Conductor, hace referencia a cualquier material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas: con masa que impide el transporte de energía.

Las dos clases de aislantes mas importantes que existen son:


Aislantes Eléctricos.
Como su nombre lo dice es perfecto para las aplicaciones eléctricas y sería aun mas perfecto si fuera absolutamente no conductor, pero claro ese tipo de material no existe.

Aislantes Térmicos
El aislamiento térmico puede cumplir una o más de estas tres funciones: reducir la conducción térmica en el material, que corresponde a la transferencia de calor mediante electrones; reducir las corrientes de convección térmica que pueden establecerse en espacios llenos de aire o de líquido, y reducir la transferencia de calor por radiación, que corresponde al transporte de energía térmica por ondas electromagnéticas.

Resistividad

SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS Y EXTRINSECOS

Ø  Semiconductores Intrínsecos

            Son aquellos materiales cuyas conductividades eléctricas se encuentran entre la de los metales, altamente conductores y la de los aislantes, pobremente conductores. Son semiconductores puros cuya conductividad eléctrica está determinada por sus propiedades conductoras innatas. Los elementos Si y Ge puros son materiales semiconductores intrínsecos.

Ø  Semiconductores Extrínsecos

            Son soluciones sólidas muy diluidas donde existen impurezas con características de valencia distintas a las de la red que actúa como disolvente. La concentración de las impurezas está entre 100 y 1000 partes por millón.

Propiedades Físicas

CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA

Ø  Semiconductores intrínsecos: La conductividad eléctrica se produce cuando un electrón de la banda de valencia (llena) absorbe la suficiente energía para saltar a la banda de conducción (vacía) creando dos portadores de carga, un electrón y un hueco positivo.

Ø  Semiconductores extrínsecos: La conductividad eléctrica se ve favorecida por la acción de las impurezas existentes en estos materiales.

Relación Conductividad/Temperatura

Ø  Semiconductores intrínsecos

            La conductividad aumenta con la temperatura de forma lineal rápidamente, ya que los electrones de la banda de valencia se activan térmicamente saltando a la banda de conducción.

Ø  Semiconductores extrínsecos

            En la relación conductividad/temperatura podemos diferenciar tres rangos:

            Rango extrínseco: Se da a bajas temperaturas, la conductividad no se ve muy afectada por el aumento de la temperatura.

            Rango de agotamiento ( tipo n) o Rango de saturación (tipo p): donde la conducción se mantiene constante debido a que los átomos donores y aceptores se encuentran todos ionizados.

            Rango intrínseco: Se da a altas temperaturas, se comporta igual que un semiconductor intrínseco.

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Son malos conductores térmicos debido a que los átomos de la red cristalina están unidos mediante enlaces covalentes que impiden la movilidad de los átomos y por lo tanto la difusión del calor. Esta propiedad es importante de cara a sus aplicaciones como componentes electrónicos.