INDICE. VXII Capitulo 1 Introducción a la electrónica

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1 INDICE Prefacio VXII Capitulo 1 Introducción a la electrónica Breve historia de la electrónica: de los tubos de vacío a la integración a gran escala 1.2. Clasificación de señales electrónicas Señales digitales Señales analógicas Convertidores A/D y D/A: puente entre los dominios analógico y digital Convenciones de notación Método para resolver problemas 13 Qué números son razonables? Conceptos importantes de la teoría de circuitos División de voltaje y corriente Representaciones de circuito de Thévenin y Norton Espectro de frecuencia de señales Amplificadores Amplificadores operaciones ideales Respuesta en frecuencia del amplificador Variaciones de elementos en el diseño de circuitos Modelación matemática de tolerancias Análisis de peor caso Análisis de Montecarlo Coeficientes de temperatura Precisión numérica 34 Resumen Lecturas adicionales 37 Problemas Capitulo 2 Electrónica de estado sólido Materiales electrolitos de estado sólido 2.2. Modelo de enlace covalente Corrientes de arrastre y movilidad en semiconductores Corrientes de arrastre Movilidad Saturación de la velocidad (*tema avanzado) 2.4. Resistividad del silicio intrínseco Impurezas en semiconductores Impurezas del donador en silicio Impurezas aceptadoras en el silicio 2.6. Concentraciones de electrones y huecos en semiconductores adulterados (dopados) Material Tipo-n (ND>NA) Material Tipo-p(NA>ND) 54

2 2.7. Movilidad y resistividad en semiconductores adulterados (dopados) Corrientes de difusión Corriente total Modelo de bandas de energía Generación de pares electrón-hueco en un semiconductor 61 intrínseco Modelo de bandas de energía para un semiconductor adulterado Semiconductores compensados Panorama de la fabricación de circuitos integrados 64 Resumen 67 Lecturas adicionales Problemas 70 Capitulo 3 Diodos y circuitos de diodos de estado sólido El diodo de unión pn Electrostática de la unión pn Corrientes internas del diodo Características i-v del diodo 3.3. Educación del diodo: modelo matemático para el diodo Características del diodo bajo polarización inversa, cero y directa Polarización inversa Polarización cero Polarización directa 3.5. Coeficiente de temperatura del diodo Diodos bajo polarización inversa Corriente de saturaron en diodos reales Ruptura inversa Modelo del diodo para la región de ruptura 3.7. Capacitancia de unión pn Polarización inversa Polarización directa 3.8. Diodo de barrera Schottky Modelo del diodo y presentación en spice Análisis de circuitos de diodos Análisis de la línea de carga Análisis con el modelo matemático para el diodo El modelo del diodo ideal Modelo de caída de voltaje (o de tensión) constante Comparación y discusión de los modelos Circuitos de diodos múltiples Circuito de dos diodos Un circuito de tres diodos Análisis de diodos que operan en la región de ruptura Análisis de la línea de carga Análisis con el mundo lineal por secciones Regulación de voltaje Análisis incluyendo la resistencia Zener

3 Regulación de línea y de carga Circuitos rectificadores de medida onda Rectificador de media inda con carga resistiva Capacitor de filtrado del rectificador Rectificador de media onda con carga RC Voltaje de rizo e intervalo de conducción Corriente del diodo Sobrecorriente Valor nominal del voltaje inverso pico (VP) Disipación de corriente del diodo Rectificador de media onda con voltaje de salida negativo Circuitos rectificadores de onda completa de salida negativo Rectificador de onda completa con voltaje Puente rectificador de onda completa Comparación de rectificadores y compromisos de diseño Reguladores de voltaje de ci de tres terminales Convertidores de incremento de cc a cc (tema avanzado) El convertidor de incremento El convertidor de decremento Circuitos acondicionadores de onda El circuito de sujeción de restauración de cc Circuitos limitadores o reportadores Niveles de limitación dual Características de transferencia de voltaje lineales por secciones Comportamiento en comunicación dinámica del diodo Fotodiodos, celdas solares y diodos emisores de luz Fotodiodos y fotodetectores Generación de energía solar a partir de celdas solares Diodos emisores de luz (LED) 145 Resumen Lecturas adicionales 149 Problemas Capitulo 4 Transistores de efectivo de campo Características del Capacitor MOS Región de acumulación Región de agotamiento Región de inversión El transistor NMOS Comportamiento i-v cualitativo del transistor NMOS Características de la región del triodo del transistor NMOS Resistencia de encendido Uso del MOSFET como resistor controlado por voltaje Características de saturación i-v Modelo matemático en la región de estrangulamiento (estrechamiento) Transcoductancia 174

4 Modulación de la longitud del canal Características de transferencia y modo de agotamiento de los MOSFET Efecto cuerpo o sensibilidad del sustrato Transistores PMOS Símbolos de circuitos MOSFET Fabricación del transistor MOS y reglas del diseño de la distribución Tamaño característico mínimo y tolerancia de 183 alineamiento Distribuidor del transistor MOS Capacitancias en los transistores MOS Capacitancias del transistor NMOS en la región de triodo Capacitancias en la región de saturación Capacitancias en corte Modelado del MOSFET en SPICE Polarización del transistor de efecto de campo NMOS Polarización del transistor de efecto de campo PMOS Fuentes de corriente y le espejo de corriente MOS Análisis en cc del espejo de corriente NMOS Cambio de la razón del espejo MOS Resistencia de salida del espejo de corriente Plantilla del espejo de corriente Espejos de corriente múltiples Escalamiento del transistor MOS (temas avanzados) Corriente de drenado Capacitancia de la compuerta Circuito y densidades de potencia Producto potencia-retraso Frecuencia de corte Limitaciones del campo elevado Conducción en la región submral El transistor de efecto de campo de unión (JFET) (tema avanzado) El JEFET con polarización aplicada Canal JFET con polarización drenado fuente Características i-v del JFET de canal n El Jeet de canal p Símbolos de circuito y resumen del modelo JFET Capacitancias JFET JFE modelado en SPICE Polarización del JFET y le MOSFET en modo de agotamiento 231 Resumen Problemas 236 Capitulo 5 Transistores de unión bipolar 5.1. Estructura física del transistor bipolar 5.2. El modelo de transporte para los transistores npn Características directas

5 Características inversas Las ecuaciones del modelo de transporte completo para condiciones de polarización arbitrarias El transistor pnp Representaciones del circuito equivalente para los modelos de transporte El modelo de Ebers-Moll (tema avanzado) Características directas del transistor npn Características inversas del transistor npn El modelo de Ebers-Moll para el transistor npn El modelo de Ebers-Moll para el transistor pnp Representaciones de circuitos equivalentes para los modelos de Ebers-Moll 5.6. Las regiones de operación del transistor bipolar Características i-v del transistor bipolar Características de salida Características transferencia Voltaje de ruptura de unión Transporte de portadores minoritarios en la región de la base Tiempo de transito de la base Capacitancia de la difusión Simplificaciones del modelo de transporte Modelo simplificado para la región de corte Simplificaciones del modelo para la región activa directa dependencia de la frecuencia de la ganancia de corriente de emisor común Transcoductancia Modelo simp0lifgicado para la región activa inversa Modelado de operación en la región de saturación El efecto Early y le voltaje Early Modelado del efecto Early Origen del efecto Early Tecnología bipolar y modelo SPICE Descripción cualitativa Estaciones del modelo SPICE Alto desempeño de los transistores bipolares Circuitos de polarización prácticos para el BJT Red de polarización de cuatro resistores Objetivo de diseño para la red de polarización de cuatro resistores Fuentes de corriente y el espejo de corriente bipolar Espejo de corriente de transistor bipolar Análisis del espejo de corriente Alteración de la razón del espejo de corriente del BJT Resistencia de salida del espejo de corriente Tolerancia en circuitos de polarización Análisis de peor caso Análisis Montecarlo 303 Resumen

6 308 Problemas 309 Capitulo 6 Sistemas analógicos Ejemplo de un sistema electrónico analógico 6.2. Amplificación Ganancia de voltaje Ganancia de corriente Ganancia de potencia La escala de decibeles Polarización del amplificador para operación lineal Distorsión en amplificadores Modelo de dos puertos para amplificadores Los parámetros g Los parámetros híbridos o h La admitancia o parámetros y La impedancia o parámetros z Resistencias de carga y fuentes diferentes Amplificadores de voltaje Amplificadores de corriente Funciones de transferencia y respuesta en frecuencia del amplificador Diagramas de Bode El amplificador pasabajas El amplificador pasaaltas Amplificadores pasabanda Amplificadores de pasabanda de banda angosta o lata Q Amplificadores rechazabanda La función pasatodo Funciones de transferencia mas complejas 360 Resumen 362 Problemas Capitulo 7 Amplificadores operacionales 7.1. El amplificador diferencial Modelo del amplificador diferencial El amplificador diferencial ideal 7.2. El amplificador operacional ideal Suposiciones para el análisis del amplificador operacional ideal 7.3. Análisis de circuitos que contienen amplificadores operacionales ideales El amplificador inversor El amplificador no inversor El buffer de ganancia unitaria i seguidor de voltaje El amplificador sumador El amplificador de diferencias

7 El amplificador de instrumentación Un filtro pasabalas activo El integrador El diferenciador Amplificador en cascada Repaso de la terminología del amplificador Amplificadores operacionales no ideales Ganancia a lazo abierto finita Error de ganancia Resistencia de salida distinta de cero Resistencia de entrada finita Resumen de los amplificadores no ideales inversor y no inversor Razón de rechazo de modo común finito Resistencia de entrada de modo común Fuentes de error de cc Limites del voltaje y corriente de salida Respuesta en crecencia y ancho de banda de amplificadores operaciones Respuesta en frecuencia del amplificador no inversor Respuesta en frecuencia del amplificador inversor Respuesta en frecuencia del amplificadores en cascada Limitaciones de la señal grande (velocidad de respuesta y ancho de banda de potencia completa) Macromodelo para al respuesta en frecuencia del amplificador operacional Macromodelo del amp op completo en SPICE Ejemplo de amplificadores operacionales comerciales de propósito 437 general Resumen Problemas Capitulo 7 Amplificadores operacionales El amplificadores diferencial Modelo del amplificador diferencial El amplificador diferencial ideal 7.2. El amplificador operacional ideal Suposiciones para el análisis del amplificador operacional ideal 7.3. Análisis de circuitos que contiene amplificadores operacionales ideales El amplificador inversor El amplificador no inversor El buffer de ganancia unitaria o seguidor de voltaje El amplificador sumador El amplificador de diferencias El amplificador de instrumentación Un filtro pasabalas activo El integrado

8 El diferenciador Amplificadores en cascada Repaso de la terminología del amplificador Amplificadores operaciones no ideales Ganancia a lazo abierto finita Error de ganancia Resistencia de salida distinta de cero Resistencia de entrada finita Resumen de los amplificadores no ideales inversor y no inversor Razón de rechazo de modo común finito Resistencia de entrada de modo común Fuentes de error de cc Limites del voltaje y corriente de salida Respuesta en frecuencia y ancho de banda de amplificadores operacionales Respuesta en frecuencia del amplificador no inversor Respuesta en frecuencia del amplificador inversor Respuesta en frecuencia del amplificadores en cascada Limitaciones de la señal grande (velocidad de respuesta y ancho de banda de potencia competa) Macromodelo para la respuesta en creencia del amplificador operacional Macromodelo del amp op completo en SPICE Ejemplo de amplificadores operacionales comerciales de propósito 437 general Resumen Problemas 442 Capitulo 8 Aplicaciones del amplificador operacional 8.1. Filtros activos Sensibilidad Filtro pasaaltas con ganancia Filtro pasabanda El biquad Tow-Thomas Cambios en magnitud y frecuencia Circuitos de capacitores conmutados Integrador de capacitores conmutados Integrador SC no inversor Filtros de capacitores conmutados Conversión digital-analógica Fundamentos del convertidor D/A Errores del convertidor D/A Circuitos de convertidor digital-analógico Conversión analógica-digital Fundamentos del convertido A/D Errores de convertidores analógico-digital Técnicas de conversión A/D básicas

9 8.5. Aplicaciones de circuitos no lineales Rectificador de media onda de precisión Circuito rectificador de precisión no saturado Voltímetro de ca Circuitos que usan retroalimentación positiva El comprador y el disipador Schmitt El multivibrador estable El multivibrador monoestable o de un solo tiro (one schot) 506 Resumen Lecturas adicionales 510 Problemas 511 Capitulo 9 Modelado en señal pequeña y amplificación lineal El transistor como un amplificador El amplificador BJT El amplificador MOSFET Capacitores de acoplamiento y desacoplamiento Análisis de circuitos utilizando circuitos equivalentes de cc y de ca Menú para los análisis de cc y ca Introducción al modelado de señal pequeña interpretación grafica del comportamiento de señal pequeña del diodo Modelado de señal pequeña del diodo Atenuador controlador por corriente Modelos de señal pequeña para transistores de unión bipolar El modelo hibrido pi Ganancia de corriente de señal pequeña El factor de amplificador del BJT Formas equivalentes del modelo de señal pequeña Definición de una señal pequeña para el transistor bipolar Modelo de señal pequeña para el transistor pmp Análisis de ca contra análisis transitorio en SPICE 9.6. El amplificador de emisor común (E-C) BIT Ganancia de voltaje del amplificador de emisor común Simplificadores del modelo Guía de diseño para el amplificador de emisor común con carga resistiva Limite superior de la ganancia de voltaje de emisor común Modelos de señal pequeña para los transistores de efecto de campo Modelo de señal pequeña del MOSFET Factor de amplificación del MOSFET Definición de la operación de señal pequeña para del MOSFET Efecto del cuerpo en del MOSFET DE CUATRO TERMINALES Modelo de señal pequeña para el transistor PMOS Modelo de señal para el transistor de efecto de campo de unión Resumen y comparación de los modelos de señal pequeña del BIT y el FET

10 9.9. El amplificador de fuente común Ganancia del voltaje del amplificador de fuente común Guía de diseño para el amplificador de fuente común con carga resistiva Resistencias de entrada y salida de los amplificadores de emisor común y de fuente común Resistencia de entrada de emisor común Resistencia de entrada de fuente común Resistencia de salida de emisor común Resistencia de salida de fuente común Ejemplos de amplificadores de emisor común y de fuente común Amplificador de emisor común Análisis de ca contra análisis transitorio en SPICE (repaso) Amplificador MOSFET de fuente común Amplificador de fuente común JFET Comparación de los tres ejemplos de amplificadores Resumen del amplificador de emisor común y de fuente común Guías para ignorar la resistencia de salida del transistor Potencia e intervalo de la señal del amplificador Disipación de potencia Intervalo de la señal 588 Resumen 591 Problemas 592 Capitulo 10 Amplificadores de un solo transistor Clasificación de amplificadores Inyección y extracción de la señal del BJT Inserción y extracción de la señal (el FET) amplificadores generalizados de emisor común (E-C) y fuente común (S-C) Topologías de colector común (C-C) y de drenaje común (D-C) Amplificadores de base común (B-C) y de compuerta común (G- C) Amplificadores inversores (circuitos de emisor común y de fuente común) Ganancia de voltaje de terminal Resistencia de entrada Ganancia de voltaje de la fuente de la señal Limites importantes Resistencia de salida Incremento en el rango de la señal Cumplimiento de la condición gmre>> 1 o gmrs>> Ganancia de corriente Resumen del amplificador de E-C/SC Representación de transistor equivalente del transistor de e-c/sc generalizado Circuitos seguidores (amplificadores de colector común y de drenaje común)

11 Ganancia de voltaje de terminal Resistencia de entrada Ganancia de voltaje de la fuente de señales Intervalo de la señal del seguidor Resistencia de salida Ganancia de corriente Resumen del amplificador de C-C/D-C Amplificadores no inversores (circuitos de base común y de competencia común) Ganancia de voltaje terminal y resistencia de entrada Ganancia de voltaje de la fuente de la señal Intervalo de la señal de entrada Resistencia de salida Ganancia de corriente Resumen del amplificador de B-C/G-C Revisión y comparación del prototipo de amplificador Los amplificadores de BIT Los amplificadores de FET Diseño del capacitor de acoplamiento y de desacoplamiento Amplificadores de emisor y de fuente común Amplificadores de colector común y de drenaje común Amplificadores de base común y de compuerta común ajuste de la frecuencia de corte minima fl Ejemplos de diseño de amplificadores evaluaron Monte Carlo para el diseño del amplificador de base común Influencia del efecto de cuerpo en el desempeño del amplificador Amplificador de fuente común Amplificador de drenaje común Amplificador de compuerta común 672 Resumen 675 Lectura adicionales 676 Problemas 677 Capitulo 11 Amplificadores multietapa Amplificadores multietapa con acoplamiento de ca Ganancia de voltaje Resistencia de entrada Ganancia de voltaje de la fuente de señales Resistencia de salida Ganancia de corriente y potencia Intervalo de la señal de entrada Mejoramiento de la ganancia de voltaje del amplificador Amplificador emisor en cascada Amplificadores con acoplamiento directo Análisis del amplificador con acoplamiento de cc Análisis de cc Análisis de ca 704

12 configuraciones compuestas de transistores (circuitos Darlington y cascado) Amplificadores diferenciales Amplificadores diferenciales bipolar y MOS Análisis de cc del amplificador diferencial bipolar Características de trasferencia de señal pequeña para el amplificador diferencial bipolar Análisis de ca del amplificador diferencial bipolar Ganancia de modo diferencial uy resistencia de entrada Ganancia de modo común y resistencia entrada Razón de rechazo de modo común (RRMC) Análisis utilizando medios circuitos de modo diferencial y de modo común Polarización con fuentes de corriente electrónicas Modelado de la fuente de corriente electrónica en SPICE Análisis de cc del amplificador diferencial MOSFET Señales de entrada de modo diferencial Características de transferencia de señal pequeña para el amplificador diferencial MOS Señales de entrada de modo común Modelo de dos puertos para pares diferenciales Evolución hasta los amplificadores operacionales básicos Prototipo de dos etapas para un amplificador operacional Mejoramiento de la ganancia de voltaje del amp op Reducción de las resistencia de salida Prototipo del amplificador operacional CMOS Amplificadores BiCMOS Etapas de salida El seguidor de fuente (etapa de salida clase A) Seguidor de fuente con resistor de carga externa Etapa de salida push-pull clase B Amplificadores clase AB Etapas de salidas clase AB para amplificadores operacionales Protección contra cortocircuito Acoplamiento a transformador Fuentes de corrientes electrónicas Fuentes de corrientes de un solo transistor Cifra de merito para fuentes de corrientes Fuentes de resistencia de salida mas alta Fuentes de salida múltiples Ejemplos de diseño de la fuente de corriente 760 Resumen 769 Lectura adicionales 770 Problemas 771 Capitulo 12 Circuitos integrados analógicos Similaridad en los elementos de un circuito Espejos de corrientes

13 Análisis de cc del espejo de corriente del transistor MOS Cambio de la relación de espejo del MOS Análisis de cc del espejo de corriente con transistor bipolar Modificación de la relación de espejo de corriente del BIT Fuentes de corriente múltiples Espejo de corriente amortiguado Resistencia de salida de los espejos de corriente Modelo de dos puertos para el espejo de corriente La fuente de corriente de Wildar básica El voltaje PATA La versión MOS Espejos de corriente con lata resistencia de salida Las fuentes de corriente de Wilson Resistencia de salida de la fuente de Wilson Fuentes de corriente cascodo Resistencia de salida de las fuentes cascodo Resumen del espejo de corriente Generación de la cornete de referencia Dolarización independiente de la fuente de poder Celda de referencia MOS independiente de la fuente de poder Variaciones de la corriente de la celda de referencia con las 817 variaciones de la fuente de poder (tema avanzado) La referencia de banda de exclusión El espejo de corriente como una carga activa Amplificador diferencial CMOS con carga activa Amplificador diferencial bipolar con carga activa Cargas activas en amplificadores operacionales Ganancia de voltaje del amp pp CMOS Consideraciones del diseño de cc Amplificadores operacionales bipolares Amplificador BJT con ganancia de voltaje mejorada Ruptura de la etapa de entrada El amplificador operacional ua Circuitería de polarización Análisis de cc de la etapa de entrada del Análisis se ca de la etapa de entrada del Ganancia de voltaje del amplificador completo La etapa de salida del Resistencia de salida Protección contra cortocircuito Resumen de las características del amplificador operacional ua El multiplicador analógico de Gilbert Resumen 861 Lectura adicionales 862 s Problemas 863 Capitulo

14 Respuesta en frecuencia Respuesta en frecuencia del amplificador Respuesta en baja frecuencia Estimación de WL en la ausencia de un polo dominante Respuesta en alta frecuencia Estimación de WH en ausencia de un polo dominante Determinación directa de los polos y ceros a baja frecuencia (el amplificador de fuente común) Estimación de WL utilizando el método de la constante tiempo en cortocircuito Estimación de WL para el amplificador de emisor común Estimación de WL para el amplificador de fuente común Estimación de WL para el amplificador de base común Estimación de WL para el amplificador de compuesta común Estimación de WL para el amplificador de colector común Estimación de WL para el amplificador del drenado común Modelos de transistor a altas frecuencias Modelo hibrido pi dependiente de la frecuencia para el transistor 896 bipolar Modelación de Cn y Cu en SPICE Frecuencia de ganancia unitaria ft Modelo de alta frecuencia para el FET Modelación de CGS y CGD en SPICE Dependencia de la longitud del canal de ft Limitaciones de los modelos de alta frecuencia Resistencia de base en el modelo hibrido PI Efecto de la resistencia de la base en los amplificadores de banda media limitaciones de alta frecuencia de los amp0lificadores de colector común y de fuente común Ejemplo del análisis directo de alta frecuencia del amplificador de colector común) Factorizaron aproximada de polinomios Polos del amplificador de emisor común (la aproximación de CT) Limitaciones del producto ganancia-ancho de banda del amplificador de emisor común Polo dominante para el amplificador de fuente común Multiplicador de Miller Integrador de Miller Estimación de WH para amplificadores inversores, amplificadores no inversores y seguidores utilizando el método de la constante de tiempo en circuito abierto Intercambio ganancia-ancho de anda utilizando un resistor de emisor Polo dominante para el amplificador de base común Polo dominante para el amplificador de compuerta común Polo dominante para el amplificador de colector común Polo dominante para el amplificador de drenado común Resumen de as respuestas a lata frecuencia del amplificador de

15 una etapa Respuestas en frecuencia de amplificadores multietapa Amplificador diferencial La cascada colector común/base común Respuestas a alta frecuencia del amplificador cascodo Frecuencia de corte para el espejo de corriente Ejemplo del amplificador de tres etapas Compensación del amplificador operacional de un solo polo Análisis del amp op de tres etapas Ceros de transmisión en los amp op FET Compensación del amplificador bipolar Velocidad de respuesta del amplificador operacional Relaciones entre la velocidad de respuesta y el producto ganancia-ancho de banda Amplificadores sintonizados Amplificador de una sintonización sencilla Uso de un inductor con derivación (el autotransformador) Circuitos sintonizados múltiples (sintonización sintonizados múltiples) Moduladores y mezcladores balanceados Mezcladores de balance sencillo El multiplicador de Gilbert como mezclador/modulador de balanceo doble Ganancia de conversión 959 Resumen 960 s 961 Problemas 962 Apéndice A 972 Apéndice B 976 Índice 983