MODULO ELECTRÓNICA ANÁLOGA OMAR TOVAR TOVAR

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1 MODULO ELECTRÓNICA ANÁLOGA OMAR TOVAR TOVAR Editado por: IVAN CAMILO NIETO SÁNCHEZ UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD BOGOTA 2010

2 GUÍA DIDÁCTICA ELECTRÓNICA Universidad Nacional Abierta y a Distancia ISBN 2009 Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje Primera versión: febrero 7 de 2009 OMAR TOVAR TOVAR

3 ÍNDICE PRIMERA UNIDAD FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES CAPÍTULOS 1 GENERALIDADES DE LOS SEMICONDUCTORES 1. Historia de los semiconductores 2. Conceptos y elementos de los semiconductores 3. Clases de semiconductores CAPITULO 2 DIODOS SEMICONDUCTORES Símbolo de un Diodo Clases de diodos Polarización de un diodo Curvas características del diodo. Diodos de propósitos especial CAPITULO 3 TRANSISTORES BIPOLARES Descripción. Tipos de transistores de unión bipolar. Funcionamiento básico. Polarización de un transistor. Zona de trabajo. SEGUNDA UNIDAD TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO CAPITULO 4 TRANSISTORES FET Tipo de FET. Operación y construcción de FET. Características de funcionamiento. Principales aplicaciones. CAPITULO 5 MOSFET 1. Breve historia. 2. Funcionamiento. 3. Estado de funcionamiento de un transistor MOSFET.

4 4. Aplicaciones. 5. Ventajas. CAPITULO 6 Amplificadores 1. Generalidades 2. Amplificadores de señal pequeña 3. Amplificadores en Cascada TERCERA UNIDAD AMPLIFICADORES CAPITULO 7 Amplificadores de Potencia 1. Generalidades 2. Clasificación CAPITULO 8 Amplificadores de tensión 1. Generalidades 2. Clasificación CAPITULO 9 Amplificadores Operacionales Generalidades Comportamiento en continua (CD). Comportamiento en Alterna (CA). Tipos de circuitos. Clasificaciones Estructuras

5 UNIDAD No 1 FUNDAMENTOS DE SEMICONDUCTORES CAPITULO 1 1. Generalidades De Los Semiconductores 1.1. Historia De Los Semiconductores En los últimos años las investigaciones realizadas por un gran número de científicos, sobre el comportamiento al paso de la corriente eléctrica en los materiales llamados semiconductores, han dado por resultado una serie de descubrimientos y adelantos de tal naturaleza que su desenlace es casi imposible prever. Desde que apareció la primera aplicación en 1915 con el detector de galena, hasta , se puede decir que fue un periodo de incertidumbre, luego en 1948, apareció el transistor de puntas; en 1950 el transistor de Shockley; en 1953 el diodo de túnel; en 1958 el tecnetrón, y en 1960 los circuitos integrados, etc..quizá ninguna técnica ha hecho tan rápidos progresos como la de los semiconductores, los cuales son capaces de representar los mismos papeles que los tubos de vacío, pero con numerosas ventajas. El más conocido de estos elementos es el transistor que, sin embargo, no es más que un brillante representante de un grupo vastísimo. Por medio de los métodos químicos y físicos habituales, y la paciencia de grandes científicos es imposible descubrir estos residuos tan nimios de impurezas. Ha sido necesario idear nuevos procedimientos de análisis basados en los fenómenos eléctrico-magnéticos, fotomagneto-eléctricos, etc. Antes de 1940, los fenómenos que se desarrollaban en los semiconductores eran, desde muchos puntos de vista, bastante misteriosos. La conductibilidad eléctrica de estos cuerpos, siendo notablemente inferior a la de los metales, no era suficientemente alta para considerarlos como aislantes; además, en muchos casos aumentaba rápidamente la conductibilidad con la temperatura, lo que constituía un fenómeno desconocido en los metales.

6 Actualmente, en el vasto campo de los semiconductores se emplean mezclas de óxidos de metales: cobre, uranio, manganeso, níquel, cobalto, hierro, etc., según sea su aplicación y el fenómeno que se desee utilizar, pues en unos su resistencia eléctrica varia con el calor, en otros con el potencial eléctrico empleado, en otros aún con la luz o con la cantidad de flujo magnético a que estén sometidos. También son muy empleados el selenio, el silicio, el germanio, etc., y ahora empiezan a emplearse combinaciones como antimoniouro de indio, seleniuro de cadmio, sulfuro de plomo, etc. Igualmente se utilizan mezclas de óxidos tales como el óxido ferroso-férrico o magnetita y combinaciones oxigenadas de titanio, Magnesio, Cromo, Circonio, etc. El Titanato de cinc y el Aluminato de Magnesio, etc., se emplean principalmente para la fabricación de los llamados termistores, cuyo nombre deriva de la contracción del término inglés thermal-resistor (resistencia térmica) o resistencias NTC ( Negative Temperature Coefficient ). En el año 1947 un grupo de científicos de los Laboratorios BELL, John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, descubrieron uno de los primeros Semiconductores que podría reemplazar al TUBO, y ese sería el DIODO hecho de GERMANIO (ubicado en la TABLA PERIÓDICA dentro del grupo de los Metaloides), que teniendo una cierta cantidad de impurezas podría trabajar como rectificador Concepto Y Elementos Semiconductores Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente. Elemento Cd (Cadmio) Grupo Electrones en la última capa II B 2 e-

7 Al, Ga, B, In (Aluminio, Galio, Boro, Indio) Si, Ge (Silicio, Germanio) P, As, Sb (Fosforo, Arsénico, Antimonio) Se, Te, (S) (Selenio, Telurio, Asufre) III A 3 e- IV A 4 e- VA 5 e- VI A 6 e- El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p² Clases De Semiconductores Semiconductores Intrínsecos Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía necesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,12 y 0,67 ev para el silicio y el germanio respectivamente. Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de

8 conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que: ni = n = p siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción Semiconductores Extrínsecos Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio Semiconductor Tipo N Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones). Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.

9 El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones portadores en el material. Para ayudar a entender como se produce el dopaje tipo n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero Semiconductor Tipo P Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.

10 CAPITULO 2 2. DIODOS SEMICONDUCTORES Presentación física de los diodos semiconductores. Tipos de diodos de estado sólido Diodo de alto vacío Un diodo (del griego "dos caminos") es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un cortocircuito con muy pequeña resistencia eléctrica.

11 Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest Símbolos De Un Diodo Semiconductor Los diodos semiconductores se representan: Símbolos gráficos El material tipo P recibe el nombre de ánodo El material tipo N recibe el nombre de cátodo. La flecha indica el sentido convencional de la corriente 2.2. Clases De Diodos Diodo pn o Unión pn Los diodos pn, son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal, el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0).

12 Formación de la zona de carga espacial Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je). Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de deplexión, de vaciado, etc. A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

13 Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V 0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio. La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor. Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito, tal que no se encuentra sometido a una diferencia de potencial externa, se dice que no está polarizado. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose por la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C (o K). Existen también diodos de protección térmica los cuales son capaces de proteger cables. A (p) C ó K (n) Representación simbólica del diodo pn Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

14 Polarización Directa E Inversa Polarización directa En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que: El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n. El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n. Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo

15 hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería. De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final Polarización inversa En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación: El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos. El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con

16 los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos. Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería. En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μa) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable Curva característica del diodo

17 Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ). La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente. Corriente máxima (Imax ). Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo. Corriente inversa de saturación (Is ). Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura. Corriente superficial de fugas. Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas. Tensión de ruptura (Vr ). Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha. Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto

18 avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos: Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V. Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores. Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos. Modelos matemáticos El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

19 Donde: I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo VD es la diferencia de tensión entre sus extremos. IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10 12A) q es la carga del electrón cuyo valor es 1.6 * T es la temperatura absoluta de la unión k es la constante de Boltzmann n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio). El término VT = kt/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mv a temperatura ambiente (300 K ó 27 ºC) Diodos De Proposito Especial Diodo avalancha Un diodo avalancha, es un diodo semiconductor diseñado especialmente para trabajar en tensión inversa. En estos diodos, poco dopados, cuando la tensión en polarización inversa alcanza el valor de la tensión de ruptura, los electrones que han saltado a la banda de conducción por efecto de la temperatura se aceleran debido al campo eléctrico incrementando su energía cinética, de forma que al colisionar con electrones de valencia los liberan; éstos a su vez, se aceleran y colisionan con otros electrones de valencia liberándolos también, produciéndose una avalancha de electrones cuyo efecto es incrementar la corriente conducida por el diodo sin apenas incremento de la tensión. USOS Protección La aplicación típica de estos diodos es la protección de circuitos electrónicos contra sobretensiones.

20 El diodo se conecta en inversa a tierra, de modo que mientras la tensión se mantenga por debajo de la tensión de ruptura sólo será atravesado por la corriente inversa de saturación, muy pequeña, por lo que la interferencia con el resto del circuito será mínima; a efectos prácticos, es como si el diodo no existiera. Al incrementarse la tensión del circuito por encima del valor de ruptura, el diodo comienza a conducir desviando el exceso de corriente a tierra evitando daños en los componentes del circuito. Fuentes de ruido de RF Los diodos avalancha generan ruido de radio frecuencia; son comúnmente utilizados como fuentes de ruido en equipos de radio frecuencia. También son usados como fuentes de ruido en los analizadores de antena y como generadores de ruido blanco Fotodiodo Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad. Principio de operación Un fotodiodo es una unión P-N o estructura P-I-N. Cuando una luz de suficiente energía llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente Diodo Gunn

21 Es una forma de diodo usado en la electrónica de alta frecuencia. A diferencia de los diodos ordinarios construidos con regiones de dopaje P o N, solamente tiene regiones del tipo N, razón por lo que impropiamente se le conoce como diodo. Existen en este dispositivo tres regiones; dos de ellas tienen regiones tipo N fuertemente dopadas y una delgada región intermedia de material ligeramente dopado. Cuando se aplica un voltaje determinado a través de sus terminales, en la zona intermedia el gradiente eléctrico es mayor que en los extremos. La frecuencia de la oscilación obtenida a partir de este efecto, es determinada parcialmente por las propiedades de la capa o zona intermedia del diodo, pero también puede ser ajustada exteriormente. Los diodos Gunn son usados para construir osciladores en el rango de frecuencias comprendido entre los 10 Gigahertz y frecuencias aún más altas (hasta Terahertz). Este diodo se usa en combinación con circuitos resonantes construidos con guias de ondas, cavidades coaxiales y resonadores YIG (monocristal de granate Itrio e hierro, Yttrium Iron Garnet por sus siglas en inglés) y la sintonización es realizada mediante ajustes mecánicos, excepto en el caso de los resonadores YIG en los cuales los ajustes son eléctricos. Los diodos Gunn suelen fabricarse de arseniuro de galio para osciladores de hasta 200 GHz, mientras que los de Nitruro de Galio pueden alcanzar los 3 Terahertz Diodo láser El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD. Algunas aplicaciones Comunicaciones de datos por fibra óptica. Lectores de CDs, DVDs y formatos derivados. Interconexiones ópticas entre circuitos integrados. Impresoras láser. Escáneres o digitalizadores. Sensores.

22 Diodo LED (e IRED) Diodo emisor de luz, también conocido como LED es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia. El color (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta el infrarrojo. Los diodos emisores de luz que emiten luz ultravioleta también reciben el nombre de UV LED (UltraV'iolet Light-Emitting Diode) y los que emiten luz infrarroja suelen recibir la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode) Diodo p-i-n Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia 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 Diodo Schottky o diodo de barrera Schottky

23 El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns en dipositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella como "knee", o sea, de rodilla). La tensión de codo es la diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito abierto; esto, claro, dejando de lado la región Zener, que es cuando más bien existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que -a pesar de estar polarizado en contra del flujo de corriente- éste opere de igual forma como lo haría regularmente Diodo Shockley (diodo de cuatro capas) Un diodo Shockley es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estados estables: OFF o de alta impedancia y ON o baja impedancia. No se debe confundir con el diodo de barrera Schottky. Está formado por cuatro capas de semiconductor tipo n y p, dispuestas alternadamente. Es un tipo de tiristor Diodo túnel o diodo Esaki El Diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica corriente-tensión.

24 La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente activo (amplificador/oscilador) Diodo Varicap El Diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varie en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pf. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V. La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (Oscilador controlado por tensión) Diodo Zener

25 Un diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. El diodo Zener se representa en los esquemas con el siguiente símbolo: 2.5. Circuito Equivalente De Un Diodo Ideal Si el diodo está polarizado directamente, su circuito equivalente es el un conmutador cerrado, la resistencia es pequeña. Con polarización inversa, el circuito representa un conmutador abierto, gran resistencia.

26 CAPITULO No 3 3. TRANSISTORES BIPOLARES 3.1. Descripción El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones: Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor Tipos De Transistores De Unión Bipolar NPN NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los

27 "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo. PNP El otro tipo de transistor bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias. Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

28 Transistor NPN Estructura de un transistor NPN Transistor PNP Estructura de un transistor PNP Transistor Bipolar de Heterounión El transistor bipolar de heterounión (TBH) es una mejora del BJT que puede manejar señales de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es un dispositivo muy común hoy en día en circuitos ultrarrápidos, generalmente en sistemas de radiofrecuencia. Los transistores de heterojuntura tienen diferentes semiconductores para los elementos del transistor. Usualmente el emisor está compuesto por una banda de material más larga que la base. Esto ayuda a reducir la inyección de portadores minoritarios desde la base cuando la juntura emisor-base está polarizada en directa y esto aumenta la eficiencia de la inyección del emisor. La inyección de portadores mejorada en la base permite que esta pueda tener un mayor nivel de dopaje, lo que resulta en una menor resistencia. Con un transistor de juntura bipolar convencional, también conocido como transistor bipolar de homojuntura, la eficiencia de la inyección de portadores desde el emisor hacia la base está principalmente determinada por el nivel de dopaje entre el emisor y la base. Debido a que la base debe estar ligeramente dopada para permitir una alta eficiencia de inyección de portadores, su resistencia es relativamente alta Funcionamiento Básico

29 Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base del transistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya que, toda la tensión se encuentra entre Colector y Emisor. (Figura 1). F.1 F.2 Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por la Base. Así el transistor disminuirá su resistencia entre Colector y Emisor por lo que pasará una intensidad muy grande, haciendo que se encienda la lámpara. (Figura 2). En general: IE > IC > IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE 3.4. Polarizacion De Un Transistor Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP.

30 Polarización de un transistor NPN Polarización de un transistor PNP Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamente y la unión base - colector inversamente Zonas De Trabajo CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto. IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma, se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el Colector. IB IC ; Vbat = RC X IC. ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente. Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor. La ganancia de corriente es un parámetro también importante para los transistores ya que relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de características, también aparece con la denominación hfe. Se expresa de la siguiente manera: β = IC / IB

31 En resumen: Saturación Corte Activa VCE 0 VCC Variable VRC VCC 0 Variable IC Máxima = ICEO 0 Variable IB Variable =0 Variable VBE 0,8v < 0,7v 0,7v Los encapsulados en los transistores dependen de la función que realicen y la potencia que disipen, así nos encontramos con que los transistores de pequeña señal tienen un encapsulado de plástico, normalmente son los más pequeños ( TO- 18, TO-39, TO-92, TO ); los de mediana potencia, son algo mayores y tienen en la parte trasera una chapa metálica que sirve para evacuar el calor disipado convenientemente refrigerado mediante radiador (TO-220, TO-218, TO247...) ; los de gran potencia, son los que poseen una mayor dimensión siendo el encapsulado enteramente metálico. Esto, favorece, en gran medida, la evacuación del calor a través del mismo y un radiador (TO-3, TO-66, TO-123, TO213...). Para conocer los encapsulados de los transistores más utilizados: El aspecto de los primeros transistores: Los transistores unipolares o de Efecto de Campo (FET)

32 UNIDAD No 2 TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO CAPITULO 4 4. El transistor de Efecto de Campo Los Transistores de Efecto de Campo son dispositivos en los que la corriente se controla mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran una corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada. Características generales: Por el terminal de control no se absorbe corriente. Una señal muy débil puede controlar el componente La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico Se consideran tres tipos principales de FET: 1. FET de unión (JFET) 2. FET metal óxido semiconductor de empobrecimiento (MOSFET de empobrecimiento) 3. FET metal óxido semiconductor de enriquecimiento (MOSFET de enriquecimiento) 4.1. Transistor Efecto De Campo FET (Field Effect Transistor) Tipos De FET Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o de canal N. Sus símbolos son los siguientes: Símbolo de un FET de canal N Símbolo de un FET de canal P

33 Ventajas y desventajas del FET Las ventajas del FET pueden resumirse como sigue: 1. Son dispositivos sensibles a la tensión con alta impedancia de entrada (del orden de 107). Como esta impedancia de entrada es considerablemente mayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la etapa de entrada de un amplificador multietapa. 2. Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT. 3. Los FET so más estables con la temperatura que los BJT. 4. Los FET son, en general, más fáciles de fabricar que los BJT pues suelen requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones. Es posible fabricar un mayor número de dispositivos en un circuito integrado (es decir, puede obtener una densidad de empaque mayor). 5. Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para valores pequeños de tensión de drenaje a fuente. 6. La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento. 7. Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes. Existen varias desventajas que limitan la utilización de los FET en algunas aplicaciones: 1. Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacitancia de entrada. 2. Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy pobre. 3. Los FET se pueden dañar al manejarlos debido a la electricidad estática Operación y Construcción del JFET Al igual que el BJT, el FET es un dispositivo de tres terminales, pero solo tiene una unión Pn en vez de dos, como en el BJT. El JFET de canal n se construye utilizando una cinta de material de tipo n con dos materiales de tipo p difundidos en ella, uno en cada lado. El JFET de canal p tiene una cinta de material de tipo p con dos materiales de tipo n difundidos en ella. El FET es un dispositivo controlado por tensión y se controla mediante v GS. Antes de analizar estas curvas, tómese nota de los símbolos para los JFET de canal n y

34 de canal p. Estos símbolos son iguales excepto por la dirección de la flecha. Conforme se incrementa vgs (más negativo para un canal n y más positivo para un canal p) se forma la región desértica y se cierra para un valor menor que id. Características de transferencia del JFET De gran valor en el diseño con JFET es la característica de transferencia, que es una gráfica de la corriente de drenaje, id, como función de la tensión compuerta a fuente, vgs, por encima del estrangulamiento. Por tanto, solo se necesita conocer IDSS y VP, y toda la característica quedara determinada. Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dos parámetros, por la que se puede construir la característica de transferencia. El parámetro de control para el FET es la tensión compuerta-fuente en lugar de la corriente de base, como en el BJT. La región entre el estrangulamiento y la ruptura por avalancha se denomina región activa, región de operación del amplificador, región de saturación o región de estrangulamiento. La región ohmica (antes del estrangulamiento) a veces se denomina región controlada por tensión. El FET opera en esta región cuando se desea un resistor variable y en aplicaciones de conmutación. La tensión de ruptura es función de vgs así como de vds. Conforme aumenta la magnitud entre compuerta y fuente (más negativa para el canal n y más positiva para el canal p), disminuye la tensión por ruptura. Con v GS = VP, la corriente de drenaje es cero (excepto por una pequeña corriente de fuga), y con vgs = 0, la corriente de drenaje se satura a un valor id = IDSS Donde IDSS es la corriente de saturación drenaje a fuente. Curva Característica De Transferencia Indican la variación entre la intensidad de drenador en función de la tensión de puerta.

35 4.3. Característica De Funcionamiento. Los parámetros que definen el funcionamiento de un FET se observan en la siguiente figura: Parámetros de un FET de canal N Parámetros de un FET de canal P La curva característica del FET define con precisión como funciona este dispositivo. En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes:

36 Zona lineal El FET se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la tensión VGS. Zona de saturación A diferencia de los transistores bipolares en esta zona, el FET, amplifica y se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión que existe entre Puerta (G) y Fuente o surtidor (S), V GS. Zona de corte La intensidad de Drenador es nula. Como en los transistores bipolares existen tres configuraciones típicas: Surtidor común (SC), Drenador común (DC) y Puerta común (PC). La más utilizada es la de surtidor común que es la equivalente a la de emisor común en los transistores bipolares. Las principales aplicaciones de este tipo de transistores se encuentran en la amplificación de señales débiles. Curva Características De Salida

37 Al variar la tensión entre drenador y surtidor varia la intensidad de drenador permaneciendo constante la tensión entre puerta y surtidor. En la zona óhmica o lineal se observa como al aumentar la tensión drenador surtidor aumenta la intensidad de drenador. En la zona de saturación el aumento de la tensión entre drenador y surtidor produce una saturación de la corriente de drenador que hace que esta sea constante. Cuando este transistor trabaja como amplificador lo hace en esta zona. La zona de corte se caracteriza por tener una intensidad de drenador nula. La zona de ruptura indica la máxima tensión que soportará el transistor entre drenador y surtidor. Es de destacar que cuando la tensión entre puerta y surtidor es cero la intensidad de drenador es máxima Principales aplicaciones Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar: APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOS Aislador o separador (buffer) Impedancia de entrada alta y de salida baja Uso general, equipo de medida, receptores

38 Amplificador de RF Bajo ruido Sintonizadores de FM, equipo para comunicaciones Mezclador Baja distorsión de intermodulación Receptores de FM y TV, equipos para comunicaciones Amplificador con CAG Facilidad para controlar ganancia Receptores, generadores de señales Amplificador cascodo Baja capacidad de entrada Instrumentos de medición, equipos de prueba Troceador Ausencia de deriva Amplificadores de cc, sistemas de control de dirección Resistor variable por voltaje Se controla por voltaje Amplificadores operacionales, órganos electrónicos, controlas de tono Amplificador de baja frecuencia Capacidad pequeña de acoplamiento Audífonos para sordera, transductores inductivos Oscilador Mínima variación de frecuencia Generadores de frecuencia patrón, receptores Circuito MOS digital Pequeño tamaño Integración en gran escala, computadores, memori

39 CAPITULO 5 5. MOSFET MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos de transistores integrados en un sustrato de silicio. Cada uno entrega una parte a la corriente total. Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolares presentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión, Es un dispositivo extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangular o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión por fase Breve Historia Fue ideado teóricamente por el alemán Julius von Edgar Lilienfeld en 1930, aunque debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acerca de cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se pudieron fabricar hasta décadas más tarde. En concreto, para que este tipo de dispositivos pueda funcionar correctamente, la intercara entre el sustrato dopado y el aislante debe ser perfectamente lisa y lo más libre de defectos posible. Esto es

40 algo que sólo se pudo conseguir más tarde, con el desarrollo de la tecnología del silicio Funcionamiento Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje: Tipo nmos: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n. Transistor MOSFET de empobrecimiento canal N Tipo pmos: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p. Transistor MOSFET de empobrecimiento canal P

41 Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el conductor entre ellos es la puerta(gate) Estados De Funcionamiento Del Transistor MOSFET : Estado de corte Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador aunque se aplique una diferencia de potencial entre ambos. También se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes.. Conducción lineal Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pmos) o positiva (nmos), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en nmos, huecos en pmos) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta. Saturación

42 Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debida al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales. Modelos matemáticos Para un MOSFET de canal inducido tipo n en su región lineal: donde en la que b es el ancho del canal, μ n la movilidad de los electrones, ε es la permitividad eléctrica de la capa de óxido, L la longitud del canal y W el espesor de capa de óxido. Cuando el transistor opera en la región de saturación, la fórmula pasa a ser la siguiente: Estas fórmulas son un modelo sencillo de funcionamiento de los transistores MOSFET, pero no tienen en cuenta un buen número de efectos de segundo orden, como por ejemplo: Saturación de velocidad: La relación entre la tensión de puerta y la corriente de drenador no crece cuadráticamente en transistores de canal corto. Efecto cuerpo: La tensión entre fuente y sustrato modifica la tensión umbral que da lugar al canal de conducción Modulación de longitud de canal Aplicaciones

43 La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pmos y nmos complementarios. Véase Tecnología CMOS Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son: Resistencia controlada por tensión. Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc). Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta Ventajas La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, nmos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares: Consumo en modo estático muy bajo. Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra). Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño. Funcionamiento por tensión. Un circuito realizado con MOSFET no necesita resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.

44 CAPITULO 6 6. AMPLIFICADORES 6.1. Generalidades Un amplificador aumenta, o amplifica la magnitud de una señal eléctrica, y es el más utilizado para la construcción de sistemas electrónicos, como elemento individual. Si el amplificador se optimiza para amplificar la señal de voltaje, se le conoce como amplificador de voltaje. En el caso de amplificación de señal de corriente, se denomina amplificador de corriente. Y para el caso de proporcionar una señal de potencia, a este generalmente se le clasifica como amplificador de potencia. Para que un transistor opere como amplificador debe estar polarizado en la región activa. El problema de polarización es el de establecer una corriente de cd. Constante en el emisor (o colector). Esta corriente debe ser predecible e insensible a variaciones en temperatura Amplificadores De Señal Pequeña Los comportamientos de los amplificadores de señal pequeña se puede determinar con ayuda de algunas ecuaciones sencillas. Estas ecuaciones se basan en modelos o circuitos equivalentes del amplificador en cuestión. En este caso los amplificadores BJT y FET de señal pequeñas. En el análisis de los amplificadores es deseable considerar las escalas específicas de frecuencias de las señales, esto permitirá el desarrollo de modelos simples y proporcionará una visión del comportamiento del amplificador. Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores de señal pequeña con transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación, y se dice que el transistor no está

45 conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0) Presentacion De Amplificadores Bjt Estos amplificadores vienen en las siguientes situaciones: - Amplificador emisor común - Amplificador colector común Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores. Amplificador emisor común Características: Para que una señal sea amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna. No tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, porque ésta no lleva ninguna información. En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y continua). La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de operación del amplificador. Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada. En el diagrama se ve que la base del transistor está conectada a dos resistores (R1 y R2). Estos dos resistores forman un divisor de voltaje que permite tener en la base del transistor un voltaje

46 necesario para establecer la corriente de polarización de la base. El punto de operación en corriente continua está sobre una línea de carga dibujada en la familia de curvas del transistor. Esta línea está determinada por fórmulas que se muestran. Hay dos casos extremos: - Cuando el transistor está en saturación (Ic max.), que significa que Vce es prácticamente 0 voltios y... - Cuando el transistor está en corte (Ic = 0), que significa que Vce es prácticamente igual a Vcc. Ver la figura. Si se modifica R1 y/o R2 el punto de operación se modificará para arriba o para abajo en la curva pudiendo haber distorsión Si la señal de entrada (Vin) es muy grande, se recortarán los picos positivos y negativos de la señal en la salida (Vout) Amplificador colector común El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja. Nota: La impedancia de entrada alta es una característica deseable en un amplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pasa la señal que se desea amplificar. Este circuito no tiene resistencia en el colector y la salida está conectada a la resistencia del emisor (ver la figura).

47 El voltaje se salida "sigue" al voltaje en el emisor, sólo que es de un valor ligeramente menor (0.6 voltios aproximadamente) Ve = Vb Voltios La ganancia de tensión es: Av = Vout / Vin = Ve / Vb. Como Ve es siempre menor que Vb, entonces la ganancia siempre será menor a 1. La impedancia de entrada se obtiene con la siguiente fórmula: Zin = (β + 1) x Re Donde: β es la ganancia de corriente del transistor (dato del fabricante) Del gráfico anterior. Si Re = 2.2 Kilohmios (2.2 K) y β = 150 Zin = (β + 1) x Re = ( ) x 2200 Ohmios = 332,000 Ohmios (332 K) Este amplificador aparenta una impedancia de entrada de 332,000 Ohmios a la fuente de la señal que se desea amplificar. Este tipo de circuito es muy utilizado como circuitos separadores y como adaptadores de impedancia entre las fuentes de señal y las etapas amplificadoras Presentación De Amplificadores Tipo Fet El transistor FET (Transistor de efecto de campo) se puede utilizar como elemento activo de muchos amplificadores. Una de las configuraciones es: El Amplificador seguidor de cátodo al que se le conoce también con el nombre de circuito drenador común o ánodo común Este tipo de amplificador tiene una baja impedancia de salida, por lo que es utilizado principalmente como adaptador de impedancias. La salida se obtiene del resistor RS y la ganancia es aproximadamente igual a 1.

48 Esta ganancia no es 1 debido a que existe una pequeña diferencia de tensión entre la entrada (patilla compuerta G) y la salida (patilla fuente S): VGS. La ganancia de este amplificador se obtiene con la ayuda de la fórmula: AV = gm x Rs / [ 1 + (gm x Rs) ] De la fórmula se deduce que la señal de salida está en fase con la señal de entrada pues no existe el signo menos que indica inversión de fase La impedancia de salida se obtiene con la siguiente fórmula: Ro = Rs / [ 1 + (gm x Rs) ] Amplificadores con FET (transistor efecto de campo) Amplificador surtidor común El FET, por sus características especiales, (alta impedancia de entrada, mejor respuesta de frecuencia que los transistores bipolares, bajo ruido) se utiliza con frecuencia en amplificadores.

49 En el primer circuito se grafica un amplificador que utiliza dos baterías (después de verá cómo hacerlo funcionar con solo una) La batería VGG se utiliza para polarizar la compuerta del transistor. La tensión en la compuerta será negativa (-VGG), pues no hay caída de tensión, en corriente continua, en la resistencia RG. (Acordarse de que no hay paso de corriente entre la compuerta G y el surtidor S y la corriente que suministra la fuente Vin es de corriente alterna) De esta manera la tensión en la compuerta será más negativa que la tensión en el surtidor. Autopolarización Para utilizar sólo una batería, la batería de polarización VGG se reemplaza por un resistor Rs, que se conecta entre el terminal surtidor S y el común (ver punto T). La corriente continua que pasa por el surtidor también pasará por el resistor RS y causará una caída de tensión VS = IS x RS. La corriente de surtidor y la corriente de drenaje son iguales (IS = ID) debido a que no existe corriente de compuerta. Entonces la caída de tensión en RS es igual a VS = ID x RS. Esta caída de tensión tiene una polaridad con el signo (+) en el terminal surtidor del FET y de signo (-) en el común (ver punto T). Esto significa que el común tiene una tensión inferior o más negativa que el terminal S del FET. Como no hay caída de tensión en la resistencia RG (se explicó anteriormente) la tensión en VG es inferior a la tensión en VS. De esta manera se logra polarizar la compuerta G del FET con una sola batería y a este tipo de polarización se le llama autopolarización Amplificadores En Cascada

50 Con el objeto de obtener mayor ganancia de la señal, es posible a partir de una sola etapa amplificadora, se ponen en cascada varias etapas. Entrada A1 A2 An salida En un amplificador en cascada, la etapa de salida de un amplificador se acopla a la entrada de la siguiente etapa. Si las etapas no interactúan, es decir, si no hay un cambio apreciable de la ganancia o en algún otro parámetro de una etapa individual cuando se pone en cascada, la ganancia total es igual al producto de las ganancias individuales. El acoplamiento de etapas en cascada se da a través de dos métodos: Acoplamiento resistivo capacitivo (RC). Acoplamiento directo (DC).

51 UNIDAD No 3 AMPLIFICADORES CAPITULO 7 7. AMPLIFICADORES DE POTENCIA 7.1. GENERALIDADES La primera clasificación que podemos hacer con los amplificadores viene determinada por las frecuencias con las que van a trabajar. Si las frecuencias están comprendidas dentro de la banda audible los amplificadores reciben el nombre de amplificadores de audio frecuencia o amplificadores de Baja frecuencia. (amplificadores A.F. o amplificadores B.F., respectivamente). Dentro de las dos gamas de amplificadores vistas, también, podemos hacer una clasificación atendiendo a su forma de trabajo: a) Amplificadores de tensión: son los que su principal misión es suministrar una tensión mayor en su salida que en su entrada b) Amplificadores de potencia: aquellos que, aparte de suministrar una mayor tensión, suministran también un mayor corriente (amplificación de tensión y amplificación de corriente y, por ende, amplificación de potencia) Podemos, según esto, tener: amplificadores de tensión (tanto para B.F. como para R.F.) y amplificadores de potencia (también, para ambas gamas de frecuencias). En este tema únicamente vamos a entrar en los amplificadores de potencia, que son los que nos interesan para iniciar el campo de las R.F., el resto los damos por estudiados y aprendidos (porque son los montajes de amplificadores que se estudian en los principios básicos) Clasificación de amplificadores de potencia

52 Este tipo de amplificadores (amplificadores de potencia, ya sean para B.F. o para R.F.), tienen la particularidad de que en su salida tenemos ganancia de tensión y de corriente con respecto a la señal de entrada. Este tipo de amplificadores pueden entregarnos en su salida toda la señal de entrada o una parte de la misma; atendiendo a esta característica, los amplificadores de potencia, podemos clasificarlos de la siguiente forma: Amplificadores de clase A: Un amplificador de potencia funciona en clase A cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante todo el período de la señal de entrada Amplificadores de clase B: Un amplificador de potencia funciona en clase B cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante un semiperíodo de la señal de entrada Amplificadores de clase AB: son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificador de potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un período y más de un semiperíodo de la señal de entrada Amplificadores de clase C: Un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un semiperíodo de la señal de entrada.

53 Alguien puede que haya visto, en algún libro o manual de reparación, una notación tipo a esto: Amplificador clase AB1 o también amplificador clase B2; estas notaciones vienen de los antiguos amplificadores con válvulas. Los subíndices 1 y 2 indicaban que no existía corriente de reja (el 1) o que si existía (el 2), esto era debido a que en la polarización de la válvula, la reja se hacía positiva con respecto al cátodo (para los que nunca hayan oído hablar de las válvulas, diremos, que la reja se correspondería con la base de un transistor y el cátodo con el terminal de salida, que en los transistores, dependiendo del tipo de conexión, puede ser el emisor o el colector). En los amplificadores de clase A no hay nunca corriente de reja (base) por lo que es indiferente decir que el amplificador es de clase A1 o de clase A. Lo contrario ocurre en los amplificadores de clase C donde siempre va a existir corriente de reja (base), en este caso es indiferente decir que el amplificador es de clase C2 o de clase C (a secas). En los amplificadores de clase B y AB, puede que exista o no la corriente de base (o reja) por lo que sí es importante que nos especifiquen el tipo de amplificador del que se trata (AB1 diría que no tiene corriente de base y B2 indicaría que sí hay corriente de base). Este tipo de notación también podemos encontrarla en los amplificadores transistorizados.

54 CAPITULO 8 8. EL AMPLIFICADOR DE TENSIÓN 8.1. Generalidades Nos centrarnos en un único montaje: el amplificador de tensión clase A con conexión emisor común. En este tipo de montaje, para que el amplificador nos entregue en su salida la señal de entrada convenientemente amplificada, y sin recortes de esta señal, debemos polarizar el transistor de forma que en reposo la tensión de polarización de la base (Vb) lleve a éste, al transistor, a un punto medio, aproximadamente, de su curva característica estática (gráfico inferior). Estas curvas del transistor son diferentes para cada carga conectada a la salida del transistor y junto con la recta de carga nos sirven para determinar la característica de transferencia dinámica del transistor, es decir, la relación entre la corriente de colector y la corriente de base (en el tipo de montaje que estamos examinando).

55 Otra característica, de este tipo de amplificadores, era que la señal de salida sale invertida con respecto a la señal de entrada (por eso se le denomina, también, "amplificador inversor de fase"), es decir cuando la señal de entrada se encuentra en el valor de pico del semiciclo negativo, en la salida nos encontraremos en el pico del semiciclo positivo Clasificación Amplificadores clase B Uno de los principales inconvenientes de los amplificadores en clase A es que, en reposo, están consumiendo corriente por lo que el rendimiento de conversión se hace bastante bajo. Para mejorar este rendimiento, y por tanto aprovechar al máximo la potencia entregada por la fuente de alimentación, los amplificadores se suelen construir en clase B Por norma general, los amplificadores que se van a hacer trabajar en clase B, se montan con transistores que trabajen en contrafase (push-pull); con el fin de minimizar los armónicos que se pueden generar en este tipo de montajes, estos amplificadores adoptan una serie de montajes determinados.

56 Señal de entrada y salida para amplificadores clase A y clase B En la figura, vemos como el amplificador en clase A (en azul), debido a que su curva de respuesta es casi continua, la continuación en las senoides de la señal de salida es uniforme; en el amplificador de clase B (en rojo), debido al desplazamiento de las curvas, se produce un pequeño salto entre las senoides de la señal de salida (se producen armónicos). A este salto entre las dos senoides es a lo que se le conoce como distorsión de cruce del amplificador; el "aplanamiento" al que tiende la señal es debido a que en la señal de salida se producen armónicos impares de la frecuencia de la señal. En este tipo de montajes, una cuestión a tener en cuenta (muy importante) es que los dos transistores deben tener las mismas características en cuanto a tensiones, ganancias, etc. Si no ponemos dos transistores con las mismas características, puede ocurrir que, uno de los semiciclos tenga más amplitud que el otro (debido a que un transistor tiene más ganancia que otro) con lo que aumentaríamos la distorsión de la etapa. Para minimizar el efecto de la distorsión de cruce, los transistores se suelen polarizar de forma que se les introduce una pequeña polarización directa. Con esto conseguimos desplazar las curvas y disminuimos dicha distorsión de cruce Amplificador de potencia en contrafase de clase B

57 En el montaje de la figura, la resistencia Re (resistencia de emisor) debe ser muy pequeña (menor de 1 W); el valor de esta resistencia, junto con los valores de R1 y R2, deben escogerse de forma que los transistores trabajen con las condiciones de polarización correctas y que tengan una buena estabilidad térmica. El condensador sirve para el desacoplo armónico; a veces, en paralelo con R2 se coloca un diodo con el fin de mejorar la estabilidad térmica. En este tipo de circuitos, el rendimiento de conversión suele estar cerca del 78%, mientras que en los de clase A este rendimiento suele estar en torno al 36,4% (aprovechamos la potencia de la fuente de alimentación más del doble, por eso se recurre a este tipo de montaje) Amplificador en contrafase simétrico complementario En el esquema anterior hemos visto un montaje con dos transistores NPN, a veces se recurre a montar dos transistores de tipo complementario (uno NPN y otro PNP), en este caso el esquema lo vemos en el gráfico siguiente. Este montaje, además, tiene la particularidad de ser un amplificador en clase B sin transformador de salida, recibe el nombre de amplificador en contrafase simétrico complementario. La señal de entrada se aplica simultáneamente a la base de los dos transistores, en el semiciclo positivo el que conduce es el transistor PNP, mientras que el NPN

58 está bloqueado. En el semiciclo negativo el que conduce es el transistor NPN; el PNP, en este caso, está bloqueado Amplificador clase B sin transformador de salida En los equipos receptores de R.F., las etapas finales son, lógicamente, amplificadores de B.F. que excitan un altavoz. En estas ocasiones se suele recurrir a montajes como el que vemos en la imagen de arriba; ese montaje no difiere de los esquemas estudiados hasta ahora, la única salvedad es que, en vez de tener un transformador de salida, el amplificador ataca directamente el altavoz; con este tipo de montaje hacemos que el amplificador rinda un 15% más que si utilizásemos dicho transformador. En esta ocasión (esquema superior) el altavoz es de doble bobinado; debido a la complejidad de fabricación de estos altavoces, se recurre a montajes como el de la figura inferior, en el que se puede apreciar que el altavoz, a pesar de no tener transformador de salida, solo tiene un bobinado.

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60 CAPITULO 9 9. AMPLIFICADORES OPERACIONALES 9.1. Generalidades El extraordinario desarrollo de la tecnología de los CI monolíticos ha hecho que el amplificador operacional (amp op) sea tal vez el componente con mayor flexibilidad en electrónica. Con una adecuada selección de los elementos de retroalimentación, el amplificador operacional se puede utilizar como amplificador de ganancia variable de precisión, como amortiguador, sumador, fuente de corriente, convertidor, oscilador y en otras muchas aplicaciones más. Por lo general su campo se encuentra limitado por la ingenuidad y falta de imaginación con que se utilicen. Un amplificador operacional (A.O., habitualmente llamado op-amp) es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G (V+ V ) El primer amplificador operacional monolítico data de los años 1960, era el Fairchild μa702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μa709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μa741(1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar. Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre. El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero. Notación

61 El símbolo de un MONOLITICO es el mostrado en la siguiente figura: Los terminales son: V+: entrada no inversora V-: entrada inversora VOUT: salida VS+: alimentación positiva VS-: alimentación negativa Las terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad Comportamiento En Continua (DC) Lazo abierto Si no existe realimentación la salida del A.O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de (que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A.O. estará saturado si se da este caso. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será la que corresponde a la alimentación V S+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - la salida será la alimentación VS-.

62 Lazo cerrado Se conoce como lazo a la realimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la patilla + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la patilla -, la tensión en esta patilla también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor. Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito: V+ = VI+ = I - = Comportamiento En Alterna (AC) En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones) Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op Análisis Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero uno habitual es: 1. Comprobar si tiene realimentación negativa 2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado anterior 3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito 4. Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en los de salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber la corriente que sale de ellos)

63 5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la tensión en los nodos donde no se conozca. Configuraciones Esta es una aplicación sin la realimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos Tipo De Circuitos Seguidor Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin

64 Zin = Inversor Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados. El análisis de este circuito es el siguiente: o V+ = V- = 0 o Definiendo corrientes: y de aquí se despeja o Para el resto de circuitos el análisis es similar. Zin = Rin Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección de R1 Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del derivador, integrador, sumador No inversor

65 Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión. Zin = Sumador inversor La salida está invertida Para resistencias independientes R1, R2,... Rn o La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Zn = Rn Restador

66 Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4: o Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales La impedancia diferencial entre dos entradas es Z in = R1 + R Integrador ideal Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo) o Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que

67 definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su capacitor Derivador ideal Deriva e invierte la señal respecto al tiempo Este circuito también se usa como filtro NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable, esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando el ruido por mucho Otros Circuitos Osciladores, como el puente de Wien Convertidores carga-tensión Convertidores corriente-tensión Filtros activos Girador permite construir convertidores de inmitancias (empleando un condensador simular un inductor, por ejemplo) 9.5. Aplicaciones Calculadoras analógicas Filtros Preamplificadores y buffers de audio y video Reguladores

68 Conversores Evitar el efecto de carga Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL) 9.6. Estructura Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá entender mejor las limitaciones que presenta. Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O. tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas: 1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial. 2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión. 3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Ejemplo del 741

69 Diagrama electrónico del operacional 741. En el diagrama se destaca en azul el amplificador diferencial. Éste es el responsable de que las corrientes de entrada no sean cero, pero si respecto a las de los colectores (Nótese como a pesar de aproximar las corrientes de entrada a 0, si éstas realmente fueran 0 el circuito no funcionaría). La impedancia de entrada es de unos 2MΩ. Las etapas en rojo son espejos de corriente. El superior de la izquierda sirve para poder soportar grandes tensiones en modo común en la entrada. El superior de la derecha proporciona una corriente a la circuitería de salida para mantener la tensión. El inferior tiene una baja corriente de colector debido a las resistencias de 5kΩ. Se usa como conexión de gran impedancia a la alimentación negativa para poder tener una tensión de referencia sin que haya efecto de carga en el circuito de entrada. Los pines llamados Offset null son usados para eliminar las tensiones de offset que pueda haber en el circuito. La etapa de ganancia en tensión es NPN.