Dominando la Electrónica: Componentes, Protocolos y Arquitecturas Clave

Conceptos Fundamentales en Diseño Electrónico

Diseño y Fabricación de Circuitos Integrados

• Electronic Design Automation (EDA): Conjunto de herramientas de software que permiten diseñar, verificar y fabricar circuitos integrados (CI) desde cero.
• ASIC (Application-Specific Integrated Circuit): Circuito integrado diseñado para una aplicación específica, optimizado para rendimiento y eficiencia en esa tarea. Su fabricación a menudo se realiza en salas limpias.

Arquitecturas de Procesadores y Memoria

• Arquitectura Harvard: Caracterizada por tener memorias separadas para datos e instrucciones, lo que permite accesos simultáneos y mejora el rendimiento de la CPU.
• RAM Estática (SRAM): Memoria ultrarrápida, utilizada comúnmente como memoria caché, no requiere refresco para retener la información.
• RAM Dinámica (DRAM): Más económica que la SRAM, pero necesita refresco cada pocos milisegundos para no perder la información. Es la memoria principal típica de los ordenadores.
• ROM (Read-Only Memory): Memoria de solo lectura, cuyo contenido no se puede modificar fácilmente.
• HDD (Hard Disk Drive): Disco magnético, un tipo de almacenamiento no volátil más lento y con menor coste por bit en comparación con las memorias de estado sólido.
• Memoria Flash: Basada en transistores con puertas reprogramables. Ofrece velocidades intermedias entre los discos duros y la RAM, siendo ampliamente utilizada como almacenamiento principal en PCs, dispositivos móviles y unidades USB.
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): Tipo de memoria no volátil que puede ser borrada y reprogramada eléctricamente. Retiene la información sin alimentación eléctrica, aunque con menor capacidad que la memoria Flash.

Protocolos de Comunicación Electrónica

Comunicación Serie

• RS-232: Protocolo de comunicación serie con 2 pines (Tx/Rx). Ofrece comunicación full-duplex con niveles de voltaje de ±12V. Su velocidad máxima es de 115 Kbits/segundo.
• SPI (Serial Peripheral Interface): Protocolo de comunicación síncrono y ultrarrápido (hasta 10 Mbits/segundo), ideal para la comunicación entre dispositivos embebidos. Utiliza 4 pines (MOSI, MISO, SCK, SS).
• I²C (Inter-Integrated Circuit): Protocolo de comunicación síncrono y rápido (hasta 3.4 Mbits/segundo), ampliamente utilizado en dispositivos embebidos. Requiere 2 pines (SDA, SCL) y soporta hasta 2⁷ (128) nodos.
• 1-Wire: Protocolo de comunicación de acceso lento (hasta 16.3 Kbits/segundo) que utiliza un solo hilo para datos y alimentación. Permite direccionar dispositivos con una ID de 64 bits. Aplicaciones comunes incluyen llaveros electrónicos y sensores sencillos.

Comunicación Analógica e Industrial

• Comunicación Analógica: Las señales viajan por las pistas de los circuitos impresos en formato analógico, siendo susceptibles al ruido y a la atenuación del cable. Frecuentemente, la señal se modula (AM, FM) para mejorar su transmisión.
• Bucle de Corriente 4-20mA: Estándar industrial donde el valor 'cero' de la señal se representa con 4mA, lo que permite detectar fallos en el cableado. Utiliza 2 hilos para transmitir corriente, lo que lo hace muy inmune a las interferencias. La tensión de alimentación típica es de 24V.

Almacenamiento de Energía y Gestión de Potencia

Baterías Recargables

La vida útil de las baterías recargables se mide en ciclos de carga y descarga (entre 1.000 y 10.000). Son sensibles a temperaturas extremas (calor y frío) y pueden presentar riesgos si no se manejan adecuadamente.

• Níquel-Hidruro Metálico (Ni-MH): 1.2V por celda. Ofrecen entre 500 y 1.000 ciclos de carga. Capacidad típica de 0.8 a 2.9 Amperio-hora (Ah). Densidad de energía de hasta 100 Wh/kg.
• Litio-Cobalto (Li-Co): Alta densidad de energía (hasta 450 Wh/dm³). Voltaje nominal de 3.7V. Vida útil de 1.000 a 5.000 ciclos.
• Litio-Ferrofosfato (LiFePO₄): Densidad de energía de 220 Wh/dm³. Voltaje nominal de 3.2V.

Condensadores de Alta Capacidad

• Supercondensadores (EDLC - Electric Double-Layer Capacitors): Capacidades de hasta cientos de Faradios (ej. 100F). Ofrecen una vida útil superior a 1 millón de ciclos a temperaturas inferiores a 85°C y voltajes de carga por debajo de 2.5V. Densidad de energía de hasta 15 Wh/kg. Permiten cargas y descargas extremadamente rápidas (en segundos).
• Ultracondensadores: Término a menudo usado indistintamente con supercondensadores, aunque a veces se refiere a dispositivos de mayor capacidad (hasta 1000F) con voltajes nominales más bajos (ej. 1.8V).

Regulación y Filtrado de Tensión

• Regulador de Tensión Lineal: Reduce la tensión de salida disipando la diferencia de voltaje en forma de calor (efecto Joule). Además, eliminan el rizado de la señal y ofrecen protección contra cortocircuitos en la entrada.
• Convertidor DC/DC (Buck/Boost): Transforman la tensión continua de entrada a una tensión continua de salida diferente, con alta eficiencia. A diferencia de los reguladores lineales, no disipan la energía excedente en calor, sino que la transforman. Un convertidor 'Buck' reduce la tensión de salida, mientras que un 'Boost' la aumenta.
• Filtro RC (Resistencia-Condensador): Un filtro pasivo que utiliza un condensador (a menudo electrolítico) para suavizar la tensión de salida. El condensador se carga durante los picos de la señal y se descarga lentamente durante los valles, reduciendo el rizado.
• Filtro Pi (π) o CRC (Condensador-Resistencia-Condensador): Configuración de filtro más avanzada que el RC simple, diseñada para reducir aún más el rizado de la tensión de salida.

Componentes Avanzados y Periféricos

Circuitos Programables y Sistemas Integrados

• FPGA (Field-Programmable Gate Array): Circuito integrado digital avanzado que contiene miles de bloques lógicos configurables y reconfigurables, interconectables mediante lenguajes de descripción de hardware (HDL) como VHDL o Verilog.
• SoC (System on a Chip): Circuito integrado que integra en un solo chip todos o la mayoría de los componentes de un sistema electrónico, como CPU, GPU, memoria (RAM, Flash), periféricos y, en ocasiones, incluso una FPGA.

Dispositivos Conectables a una CPU

• Convertidores de Niveles de Tensión: Adaptan los niveles de voltaje entre diferentes componentes (ej. de 5V a 3.3V) para asegurar la compatibilidad.
• Convertidores de Protocolo: Permiten la comunicación entre dispositivos que utilizan diferentes protocolos (ej. conectar una CPU con interfaz I²C o SPI a una red Ethernet o Bluetooth).
• Expansores de Puertos: Convierten una señal de un bus serie (ej. I²C) en múltiples puertos paralelos (ej. de 8 o 16 bits) para leer o escribir datos, aumentando el número de pines de E/S disponibles.
• Real-Time Clock (RTC): Circuito integrado que mantiene la hora y la fecha actuales, incluso cuando el sistema principal está apagado, gracias a una batería de respaldo.

Procesadores de Señal Digital

• DSP (Digital Signal Processor): Procesador especializado en el procesamiento de señales digitales en tiempo real. Ejemplos de series y aplicaciones: DSP2000 (motores y automoción), DSP5000 (Wi-Fi, Bluetooth), DSP6000 (señales de vídeo y audio). Fabricantes destacados incluyen Texas Instruments (TI) y, históricamente, Lucent.

Unidad de Control

• Unidad de Control (UC): Componente de la CPU encargado de gestionar y coordinar la ejecución de las instrucciones del programa.