CAPITULO 1 CONCEPTOS BASICOS

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1 CONTENIDO Prefacio v Introducción para el estudiante xi CAPITULO 1 CONCEPTOS BASICOS 1.0 Introducción 1 1.l Historia Modelos de circuitos de estado sólido Elementos de circuitos lineales y no lineales Señales analógicas en comparación con las digitales Fuentes dependientes Efectos de la frecuencia Análisis y diseño Comparación de diseño y análisis Origen de los requerimientos de diseño Qué significan extremo abierto y compromiso (trade off)? ll 1.8 Simulaciones por computadora 1.9 Componentes del proa Principios del Definición del problema Subdivisión del problema Documentación El diagrama esquemático La lista de componentes Listas de control de avance del proyecto y otros documentos Uso de documentos Lista de verificación del diseño Prototipo del circuito 21 Resumen x111

2 xiv Contenido CAPÍTULO 2 AMPLIFICADORES OPERACIONALES IDEALES Introducción Amplificadores operacionales ideales Fuentes dependientes Circuito equivalente de amplificador operacional Método de análisis El amplificador inversor El amplificador no inversor Resistencia de entrada de circuitos de amplificador operacional Entradas inversora y no inversora combinadas Diseño de circuitos de amplificador operacional Otras aplicaciones del amplificador operacional Circuito de impedancia negativa Generador de corriente dependiente Convertidor corriente-voltaje Convertidor voltaje-corriente Amplificador inversor con impedancias Aplicaciones de computadora analógica Integrador Miller no inversor 59 J. 1. I, Conducción materiales semiconductores Estructura cristalina Generación y recombinación de electrones y huecos Semiconductores contaminados Semiconductor tipo n Semiconductor tipo p Concentraciones de portadores Portadores de exceso Recombinación y generación de portadores de exceso Transporte de corriente eléctrica Difusión de portadores Arrastre en campo un eléctrico Diodos semiconductores Construcción del diodo Relación entre la corriente y el voltaje del diodo Operación del diodo Efectos de la temperatura 93

3 3.2.5 Modelos de circuito equivalente de diodo Análisis de circuitos con diodos Capacidad de manejo de potencia Capacitancia del diodo Rectificación Rectificación de media onda Rectificación de onda completa Filtrado Circuito duplicador de voltaje Diodos Zener Regulador con Zener Diodos Zener prácticos y regulación porcentual Recortadores y fijadores Recortadores Fijadores Circuitos con amplificadores operacionales que contienen diodos Tipos alternativos de diodos Diodos Schottky Diodos emisores de luz (LED) Fotodiodos Especificaciones del fabricante 132 Resumen 133 Problemas 134 Contenido xv CAPÍTULO 4 CIRCUITOS CON TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR Introducción Estructura de transistores bipolares Modelo del BJT para señal grande Deducción de modelos para ca de señal pequeña Modelos de ca para señal pequeña de dos puertos Curvas características Hojas de datos de fabricantes para BJT Modelos de BJT para simulaciones por computadora Configuraciones de amplificador de una etapa Polarización de amplificadores de una etapa Consideraciones de potencia Deducción de las ecuaciones de potencia Análisis y diseño de circuitos de polarización de amplificadores de voltaje Procedimiento de análisis 1 4. ll.2 Procedimiento de diseño 1; Fuentes de potencia del amp Selección de componentes Análisis y diseño de circuitos de polarización de amplificadores de corriente 184

4 xvi Contenido 4 13 No linealidades de transistores de unión bipolar Características de encendido/apagado de los circuitos con BJT Fabricación de circuitos integrados Transistores y diodos Resistores Capacitores Transistores laterales 194 Resumen 194 Problemas 195 CAPITULO 5 AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR O Introducción Amplificador en emisor común Fórmula de impedancia de ganancia Resistencia de entrada, Rin Ganancia de corriente, Ai Ganancia de voltaje, AV Resistencia de salida, R, Amplificador en emisor común con resistor en el emisor (amplificador Con resistor en el emisor) Resistencia de entrcida, Rin Ganancia de corriente, Ai Ganancia de voltaje, Av Resistencia de salida, R, ,Q--1:F;n.d nr pn rnlp&nr común (seguidor de emisor) Ganancia de voltaje, Av Resistencia de salida, R, Amplificador en base común Resistencia de entrada, Rin Ganancia de corriente, Ai Ganancia de voltaje, Av Resistencia de salida, R, Aplicaciones de los amplificadores con transistor Divisor de fase Acoplamiento de amplificadores Acoplamiento capacitivo Acoplamiento directo Acoplamiento con transformador Acoplamiento óptico Análisis de amplificadores multietapa Configuración cascodo 250.

5 Contenido xvii 5.10 Fuentes de corriente y cargas activas Una fuente de corriente simple Fuente de corriente Widlar Fuente de corriente Wilson Fuentes de corriente múltiples empleando espejos de corriente 258 Resumen 259 Problemas 262 CAPITULO 6 AMPLIFICADORES CON TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO Introducción Ventajas y desventajas de los FET FET de semiconductor de óxido metálico (MOSFET) Características terminales del MOSFET en modo de enriquecimiento MOSFET en modo de agotamiento Circuito equivalente para señal grande Modelo para señal pequeña del MOSFET Transistor de efecto de campo de unión (JFET) Variación del voltaje compuerta a fuente del JFET Características de transferencia del JFET Modelo de ca para señal pequeña del JFET Configuraciones y polarizadión de amplificadores con FET Polarización del MOSFET de componentes discretos Circuitos integrados con MOSFET Polarización de circuitos integrados con MOSFET Efecto cuerpo Comparación del MOSFET con el JFET Modelos del FET para simulaciones por computadora Configuraciones canónicas de amplificadores con FET Análisis de amplificadores con FET El amplificador CS (y con resistor en fuente) El amplificador CG El amplificador CD (SF) Diseño de amplificadores con FET El amplificador CS El amplificador CD El amplificador bootstrap SF Otros dispositivos Transistor de unión de barrera semiconductora metálica VMOSFET (VMOS) Otros dispositivos MOS 344 Resumen 345 Problemas 346

6 ... xv111 Contenido CAPÍTULO 7 ESTABILIDAD DE POLARIZACIÓN DE AMPLIFICADORES CON TRANSISTOR Introducción Tipos de polarización Polarización con retroalimentación de corriente Polarización de voltaje y de corriente Efectos de los cambios de parámetros-estabilidad de polarización Configuración CE Configuración SE Compensación con diodo Diseño para obtener estabilidad de polarización en amplificadores BJT Efectos de la temperatura en el FET Reducción de las variaciones de temperatura 377 Resumen 379 Problemas 380 CAPÍTULO 8 AMPLIFICADORES Y FUENTES DE POTENCIA Introducción Clases de amplificadores l Operación clase A Operación clase B Operación clase AB Operación clase C Circuitos amplificadores de potencia-operación clase A Amplificador acoplado inductivamente Amplificador de potencia acoplado con transformador Circuitos amplificadores de potencia-operación clase B Amplificadores de potencia clase B y AB de simetría complementaria Amplificadores de potencia clase B de simetría complementaria compensados por diodo (SCCD) Cálculos de potencia para el amplificador push-pu11 clase B Circuito Darlington Fuentes de potencia empleando transistores de potencia Fuente de potencia empleando componentes discretos Fuente de potencia empleando regulador de CI (regulador de tres terminales) Fuente de potencia utilizando un regulador ajustable de tres terminales Regulador de corrientes más altas Reguladores de conmutación Eficiencia de los reguladores de conmutación 425 Resumen 425 Problemas 426

7 Contenido xix CAPÍTULO 9 AMPLIFICADORES OPERACIONALES PRÁCTICOS Introducción Amplificadores diferenciales Características de transferencia de cd Ganancias en modo común y en modo diferencial Amplificador diferencial con fuente de corriente constante Amplificador diferencial con entrada y salida en un solo extremo Desplazadores de nivel El amplificador operacional típico Empaque Requerimientos de potencia El amplificador operacional Especificaciones del fabricante Amplificadores operacionales prácticos Ganancia de voltaje (G) en malla abierta Modelo del amplificador operacional modificado Rechazo en modo común Relación de rechazo a fuentes de potencia Resistencia de salida Simulación por computadora de circuitos con amplificador operacional Amplificador no inversor Resistencias de entrada y salida Ganancia de voltaje Amplificadores de entrada múltiple Amplificador inversor Resistencia de entrada y de salida Ganancia de voltaje Amplificadores de entrada múltiple Sumador diferencial Amplificadores con entradas o salidas balanceadas Acoplamiento entre entradas múltiples Amplificador de potencia de audio Amplificador operacional de potencia en puente COMPORTAMIENTO EN FRECUENCIA DE AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES Introducción Respuesta de amplificadores en baja frecuencia 5 13

8 xx Contenido Respuesta de baja frecuencia del amplificador con resistor de emisor Diseño para una característica de frecuencia dada Respuesta en baja frecuencia del amplificador en emisor común Respuesta en baja frecuencia del amplificador en fuente común Respuesta en baja frecuencia del amplificador en base común Respuesta en baja frecuencia del amplificador seguidor de emisor Respuesta en baja frecuencia del amplificador seguidor de fuente (drenaje común) Modelos de transistores para alta frecuencia Teorema de Miller Modelo BJT para alta frecuencia Modelo del FET para alta frecuencia Respuesta en alta frecuencia de amplificadores Respuesta en alta frecuencia del amplificador en emisor común Respuesta en alta frecuencia del amplificador en fuente común Respuesta en alta frecuencia del amplificador en base común Respuesta en alta frecuencia del amplificador seguidor de emisor Respuesta en alta frecuencia del amplificador en drenaje común (CD o SF) Amplificadores cascodo Diseño de amplificadores para alta frecuencia Respuesta de frecuencia de los circuitos con amplificadores operacionales Respuesta del amplificador operacional en malla abierta Corrimiento de fase Velocidad de respuesta (Slew-Rate) Diseño de amplificadores utilizando múltiples amplificadores operacionales Amplificador Resumen 570 Problemas 57 1 CAPÍTULO ll RETROALIMENTACIÓN Y ESTABILIDAD 585 ll.o Introducción 585 ll. 1 Consideraciones del amplificador retroalimentado 586 ll.2 Tipos de retroalimentación 587 ll.3 Amplificadores retroalimentados 588 ll.3.1 Retroalimentación de corriente-sustracci6n de voltaje en amplificadores discretos 588 ll.3.2 Retroalimentación de voltaje-sustracción de corriente en un amplificador discreto 592 ll.4 Amplificadores retroalimentados multietapa 594 ll.5 Retroalimentación en amplificadores operacionales 595 ll.6 Estabilidad de amplificadores retroalimentados 599

9 Contenido xxi ll.6.1 Estabilidad y respuesta de frecuencia del sistema 601 ll.6.2 Diagramas de Bode y estabilidad del sistema 605 ll.7 Respuesta de frecuencia-amplificador retroalimentado 610 ll.7.1 Amplificador de un polo 610 ll.7.2 Amplificador de dos polos 611 ll.8 Diseño de un amplificador de tres polos con ecualizador de adelanto ll.9 Ecualizador por atraso de fase 623 ll. 10 Efectos de la carga capacitiva 624 ll. ll Osciladores 625 ll. ll. 1 Los osciladores Colpitts y Hartley 625 ll. ll.2 Oscilador puente de Wien 626 ll, ll.3 El oscilador por corrimiento de fase 628 ll. ll.4 El oscilador con cristal 629 ll.l 1.5 Generador de tonos por contacto 63 1 Resumen 63 Problemas CAPÍTULO 12 FILTROS ACTIVOS Introducción Integradores y diferenciadores , Diseño de redes activas Filtros activos Propiedades y clasificación de filtros Filtros activos de primer orden Amplificador de señales, tipo general Filtros analógicos clásicos Filtros Butterworth Filtros Chebyshev Transformaciones Transformación de pasabajos a pasaaltos Transformación pasabajos a pasabanda Diseño de filtros Butterworth y Chebyshev Diseño del filtro pasabajos Orden del filtro Factores de escala de parámetros Filtro pasaaltos Diseño de filtros pasabanda y rechazabanda Filtros en circuitos integrados Filtros de capacitar conmutable Filtro pasabajos Butterworth de sexto orden con capacitar conmutable Comentarios finales 699 Resumen 699 Problemas 700

10 xxii Contenido CAPÍTULO 13 CIRCUITOS CUASILINEALES O Introducción Rectificadores Limitadores retroalimentados Comparadores Disparadores Schmitt Disparadores de Schmitt con limitadores Disparador Schmitt de circuito integrado Conversión entre analógico y digital Convertidor digital-analógico (D/A) Convertidor analógico-digital (A/D) 747 Resumen 75 1 Problemas 752 CAPÍTULO 14 FORMAS DE ONDA PULSÁTILES Y CIRCUITOS TEMPORIZADORES Introducción Red RC pasaaltos l Respuesta en estado estable de la red pasaaltos a un tren de pulsos Respuesta en estado estable de la red RC pasabajos a un tren de pulsos Diodos Respuesta en estado estable del circuito con diodo un tren de pulsos Circuitos de disparo Respuesta a un tren de pulsos El temporizador El oscilador de relajación El 555 como un oscilador El 555 como un circuito monoestable 794 Resumen 796 Problemas 797 CAPÍTULO 15 FAMILIAS LÓGICAS DIGITALES O Introducción Conceptos básicos de lógica digital l Definiciones de estado - lógica positiva y negativa Lógica independiente del tiempo o sin reloj Lógica dependiente del tiempo o de reloj Funciones lógicas elementales Álgebra booleana 8 ll 15.2 Construcción y empaque de CI Consideraciones prácticas en el diseño digital Características de circuitos digitales con BJT 817

11 15.5 Familias lógicas bipolares Lógica transistor-transistor (TTL) Configuraciones de colector abierto Pu11 up activo Compuertas H-TTL Compuertas TTL Schottky Compuertas de tres estados Lista de dispositivos Lógica de emisor acoplado (ECL) Lista de dispositivos Características de circuitos digitales con FET El MOSFET de enriquecimiento de canal n El MOSFET de enriquecimiento de canal p Familias de transistores FET MOS de canal MOS de canal p MOS complementaria (CMOS) Interruptor analógico CMOS Lista de dispositivos CMOS y reglas de uso Comparación de familias lógicas 845 Resumen 848 Problemas 848, CAPÍTULO 16 CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES Introducción Decodificadores y codificadores Selector de datos/multiplexor Decodificadores/codificadores de teclado Generadores/verificadores de paridad Manejadores y sistemas asociados Visualizador de cristal líquido (LCD) Flip-flops, cerrojos y registros de corrimiento Flip-flops 570 emorias 874 corrimiento 877 frecuencia 886 ntrolado por voltaje (OCV) 889 : serie 892 acceso aleatorio (RAM) 895 M Contenido xx111 *

12 xxiv Contenido 16.7 Circuitos más complejos Unidad de lógica aritmética (ULA) Sumadores completos Generadores de acarreo anticipado Comparador de magnitud Lógica de arreglo programable (PAL) Introducción a problemas Generación de números aleatorios Medición de ángulo mecánico o velocidad El interruptor de efecto Hall Uso de ventanas de tiempo Comentarios finales 907 Problemas 908 APÉNDICES A Micro-Cap y Spice 929 B Valores estándar de componentes 944 C Hojas de datos de fabricantes 946 D Respuestas a los problemas seleccionados 985 Indice 993