TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

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1 TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA Examen Final DPTO. DE ELECTRÓNICA E SISTEMAS APELLIDOS NOMBRE DNI CURSO 1º E.I. 1º E.T.I.S. CALIFICACIÓN: 1 er ejercicio 2 o ejercicio 3 er ejercicio 4 o ejercicio NOTA NORMAS PARA REALIZACIÓN DEL EXAMEN 1º.- Antes de comenzar cubra sus datos. 2º.- Este examen debe entregarse íntegramente al finalizar el mismo. 3º.- No pueden utilizarse otro tipo de hojas durante la realización del examen. 1.-DIODOS a) (0,5 p.) Diodos Zéner: Definición y condiciones de funcionamiento en zona zéner. Símbolos del diodo zéner. Mecanismos de ruptura. b) (0,5 p.) Para el diodo zéner D z dado por la característica V I linealizada de la figura 2, obtener los valores de: V Z, V γ, R Z, R f, y R r. c) Para el circuito recortador con diodo zéner D z de la figura 1, se pide: c-1) (1,0 p.) Obtener la característica de transferencia V o = f(v i ) para: 10 [V] V i 10 [V] c-2) (0,5 p.) Graficar la característica de transferencia V o = f(v i ) para 10 [V] V i +10 [V] indicando los valores más significativos. Figura 1 Figura 2 a) Son diodos diseñados para trabajar en la zona de ruptura. En dicha zona la corriente puede variar ampliamente, mientras que la tensión permanece constante. Para que el diodo Zéner trabaje normalmente en la zona de ruptura es necesario que lo haga dentro del margen de corrientes: I Zmax I Z I Zmin. Existen dos mecanismos para producir la ruptura de la unión del diodo: MULTIPLICACIÓN POR AVALANCHA: se produce por efecto de colisión, mediante electrones de elevada energía cinética en la banda de valencia, que arrancan por choque otros electrones de los enlaces de los átomos, creando nuevos pares electrón hueco, que a su vez pueden ionizar más átomos por choque en un proceso de colisión, ruptura y multiplicación. Examen Final Tecnología Electrónica -1- Curso 2009/2010. Junio 2010

2 Este efecto de avalancha se favorece dopando más el lado p de la unión que el lado n (esto se indica como p + ). En este caso la anchura de la zona de transición es grande: un electrón tendrá entonces allí mucho camino libre para ser acelerado y alcanzar energía suficiente para generar más colisiones. El efecto avalancha es mayoritario, con polarización inversa por encima de 6 [V] y presenta coeficiente de temperatura positivo (es decir: un aumento de la temperatura produce el aumento del voltaje umbral). RUPTURA ZÉNER: Se produce por la presencia de un campo eléctrico muy intenso en la unión, que es capaz de originar suficiente fuerza sobre los electrones como para que rompan directamente su enlace covalente, dando lugar a portadores de corriente. Este efecto se produce en diodos muy dopados, con polarización inversa por debajo de 6 [V] y presenta coeficiente de temperatura negativo. I -V Z -IZmín V -IZmáx I Z b) V Z = 6,6 [V]; V γ = 0,6 [V]; R Z = 6,8 [V] ( 6,6 [V])/( 2 [ma] 0 [ma]) = 0,1 [kω] = 100 [Ω]. R f = (0,8 [V] 0,6 [V])/(1 [ma] 0 [ma]) = 0,2 [kω] = 200 [Ω]; R r = c) c-1) Suponemos D Z OFF: V o = V R2 = V i 9[kΩ]/(1 [kω]+[9[kω]) = 0,9 V i [V] V AK = V o V R = 0,9 V i 3 Si D Z ON V AK = V γ 0,9 V i 3 = 0,6 V i = 3,6/0,9 = 4 [V] Si D Z Zona Zéner V AK = V Z 0,9 V i 3 = 6,6 V i = 3,6/0,9 = 4 [V] Entonces D Z OFF: 4 [V] V i +4 [V] V o = 0,9 V i Si V i 4 [V] D Z Zona Zéner V i = (I 1 +I 2 ) R 1 + I 1 R Z V Z + V R = (I 1 +I 2 )1 + I 1 0,1 3,6 V i = (I 1 +I 2 ) R 1 + I 2 R 2 = (I 1 +I 2 )1 + I 2 9 Dos ecuaciones con dos incógnitas: I 2 = (0,1 V i 3,6 )/ 10 V O = I 2.9 = 9 (0,1 V i 3,6) / 10 cuando V i 4 [V] Examen Final Tecnología Electrónica -2- Curso 2009/2010. Junio 2010

3 Si V i 4 [V] D Z ON V i = (I 1 +I 2 ) R 1 +I 1 R f + V γ + V R = (I 1 +I 2 )1 +I 1 0,2 + 3,6 V i = (I 1 +I 2 ) R 1 +I 2 R 2 = (I 1 +I 2 )1 +I 2 9 I 2 = (0,2 V i + 3,6 )/ 11 V O = I 2.9 = 9 (0,2 V i + 3,6) / 11 cuando V i + 4 [V] c-2) FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA: 2.- TRANSISTOR BIPOLAR PNP: a) (0,5 p.) Estructura interna. Corrientes con polarización en activa. El transistor PNP es un dispositivo electrónico de tres terminales, formado por un cristal de silicio (o germanio) en el que se crea una región de tipo n entre dos tipo tipo p. Las diferentes regiones y terminales extraídos de ellas reciben los nombres de: E: Emisor (región muy dopada de características puntuales). B: Base (región central, estrecha y poco dopada). C: Colector (región unida ampliamente a la base, cuyo objeto es captar los portadores inyectados en dicha región desde el emisor). Examen Final Tecnología Electrónica -3- Curso 2009/2010. Junio 2010

4 CORRIENTES CON POLARIZACIÓN EN ACTIVA: I C = α I E + I CO α = h FB = ganancia de corriente en base común (valores típicos: 0,90 a 0,998) I C = β I B + (β+1) I CO ; β = α /(1 α) β = h FE = ganancia de corriente en emisor común (valores típicos: 10 a 500) b) (0,5 p.) Condiciones que cumplen y modelos equivalentes lineales en E C en las diferentes zonas de funcionamiento. CORTE SATURACION ACTIVA V EB 0,5V 0,8V 0,7V I B -I CBO 0 I Bsat,min =I Csat /β I B I C I CBO 0 I Csat I C =βi B +(β+1)i CBO I E 0 I B +I Csat I E =(β+1)i B +(β+1)i CBO V EC?(V CC ) 0,2V 0,2V Modelos lineales equivalentes: En el circuito de la figura se pide determinar: hfe = 50 VBEact = 0,7[ V] Q 1,Q2 VBEsat = 0,8[ V] VBE γ = 0,5[ V] VCEsat = 0,2[ V] Examen Final Tecnología Electrónica -4- Curso 2009/2010. Junio 2010

5 c) (0,25 p.) Valor de V o para V i = 0 [V]. V i = 0 [V] Q 1 en corte Q 2 en corte I C2 = I E2 = 0 V o = 0 [V] d) (0,5 p.) Valor de V i para V o = 6 [V]. V o = 6 [V] I C2 = V o /R L = 6 [V]/100[Ω] = 60 [ma] Q 2 en zona activa I B2 = I C2 /β = 60 [ma]/50 = 1,2 [ma] V C1E1 =V CC V E2B2 I B2 R 2 =12[V] 0,7[V] 1,2[mA]4[kΩ] = 6,5 [V] (Q 1 en activa) I 1 = (V CC V C1E1 )/ R 1 = (12[V] 6,5[V])/ 1000[Ω] I 1 = 5,5 [ma]; I C1 = I 1 + I B2 = 5,5 [ma]+ 1,2 [ma] = 6,7 [ma] I B1 = I C1 /β = 6,7 [ma]/50 = 0,134 [ma] La malla se cierra por Vcc, VEB2, R2 y VCE1. Fíjate que Q2 es pnp y el terminal de emisor está a Vcc. V i = I B1 R B + V B1E1 = 0,134 [ma] 10 [kω] + 0,7 [V] = 2,04 [V] e )(0,5 p.) Valor de Vi que sitúa Q2 en el límite entre activa y saturación. Q 2 en el límite Activa/Saturación V E2C2 en saturación V E2C2 = 0,2 [V] V o = 11,8[V] I C2sat = (V CC V E2C2 )/R L = (12[V] 0,2[V])/100[Ω] = 118 [ma] I B2 = I C2sat /β = 118[mA]/50 = 2,36[mA] V C1E1 = V CC V E2B2sat I B2 R 2 = 12[V] 0,8[V] 2,36[mA]4[kΩ] = 1,76[V] (Q 1 en activa) I 1 = (V CC V C1E1 )/ R 1 = (12[V] 1,76[V]) / 1000[Ω] I 1 = 10,24 [ma] I C1 = I 1 + I B2 = 10,24 [ma]+ 2,36 [ma] = 12,6 [ma] I B1 = I C1 /β = 12,6 [ma]/50 = 0,252 [ma] V i = I B1 R B + V B1E1 = 0,252 [ma] 10 [kω] + 0,7 [V] = 3,22 [V] f) (0,25 p.) Valor de V i que sitúa Q 2 en el límite entre corte y conducción. Q 2 en límite corte/conducción I B2 = 0; V E2B2 = V EBγ = 0,5 [V] V C1E1 = V CC V E2B2 I B2 R 2 = 12[V] 0,5[V] 0[mA]4[kΩ] = 11,5[V] (Q 1 en activa) I C1 = I 1 = (V CC V C1E1 )/R 1 = (12[V] 11,5[V]) / 1000[Ω] I C1 = 0,5 [ma] I B1 = I C1 /β = 0,5 [ma]/50 = 0,01 [ma] V i = I B1 R B + V B1E1 = 0,01 [ma] 10 [kω] + 0,7 [V] = 0,8 [V] Examen Final Tecnología Electrónica -5- Curso 2009/2010. Junio 2010

6 3.- AMPLIFICADOR OPERACIONAL: a) (0,5 p.) Amplificador Integrador Inversor: Circuito, Tensión de salida. 1 V = V RC tf of oi i ti V(t)dt b) (0,5 p.) Amplificador Inversor: Circuito, Ganancia, Ganancia en db. A V = R 2 /R 1 ; A VdB = 20 log 10 R 2 /R 1 Se tiene un Amplificador Integrador Inversor (AII) con R = 5 [kω] y C desconocida, cuya salida se conecta a uno de los extremos de una resistencia R L = 100 [Ω]. En el otro extremo de dicha R L se conecta la salida de un Amplificador Inversor (AINV) con R 1 = 33 [kω](resistencia de conexión a la entrada) y R 2 = 330 [kω] (resistencia de realimentación). AII y AINV están alimentados por ± V CC = ± 10 [V]. c) (0,25 p.) Dibuje el circuito correspondiente (completo). d) (0,25 p.) Determinar el valor a la salida V oainv del amplificador inversor cuando su tensión de entrada es V iainv = 0,5 [V]. A VAINV = ( R 2 /R 1 ) = ( 330[kΩ]/33 [kω]) = 10; V oainv = A VAINV. V iainv = ( 10). 0,5 [V] = 5 [V] Examen Final Tecnología Electrónica -6- Curso 2009/2010. Junio 2010

7 e) (0,5 p.) Si se desconecta C del amplificador AII, determinar el valor y sentido de la corriente I L por la carga cuando V iaii = V iainv = 3 [V] (siendo V iaii la tensión de entrada del AII). V oainv = ( 10).( 3[V]) = +30 [V] > +V cc AINV Saturado V oainv = +V cc = +10 [V] Al desconectar (quitar) C, AII es un Amplificador de Lazo Abierto A VAII = V iaii = 3 [V] AII Saturado: V oaii = +V cc = + 10 [V] I L = (V oaii V oainv )/ R L = (10[V] 10 [V])/ 100 [Ω] = 0 [A] f) (0,5 p.) Si V iainv = 0,2 [V] = constante, calcular el valor de C para que, cuando a la entrada del AII se entregue una onda cuadrada como la de la gráfica superior, sobre R L circule una corriente (dirigida desde V oaii hacia V oainv ) como la de la gráfica inferior. V oainv = ( 10). 0,2 [V] = 2 [V]; Como en todos los tramos tenemos V iaii = constante = V iaiin, en donde el subíndice n indica en el intervalo t n = t n+1 t n, tendremos: 1 V V V V (t)dt V V t RC RC tn+ 1 iaiin oaii(n+ 1) = oaiin iaii oaii(n+ 1) = oaiin n tn En el instante t n, I L tendrá el valor: I Ln = (V oaiin V oainv )/ R L = {V oaiin ( 2 [V])}/ 100 [Ω] I Ln = (V oaiin +2) / 100 En t 0 = 0 [ms] = 1/1000 [s]; I L0 = 10/1000 [A] = 0,01 = (V oaii0 + 2) / 100 V oaii0 = 1 [V] En t 1 = 1 [ms] = 1/1000 [s]; I L1 = 0 [A] = (V oaii1 + 2) / 100 V oaii1 = 2 [V] ViAII VoAII1 = VoAII0 ( t1 t0 ) 2 = 1 0 C = F = 1[ µ F] 6 RC 5000 C Examen Final Tecnología Electrónica -7- Curso 2009/2010. Junio 2010

8 4.- FAMILIAS LÓGICAS a) (1,0 p.) Inversor CMOS: esquema del circuito y tabla de verdad indicando entrada, salida y estado de cada uno de los transistores. V i Q 1 Q 2 V o 0 (L) OFF ON V DD (H) V DD (H) ON OFF 0 (L) b) (1,5 p.) Dadas las siguientes posibilidades de interconexión, apoyándose en el cuadro comparativo, justificar detalladamente la posibilidad de la conexión (compatibilidad) y, para los casos afirmativos, determinar márgenes de ruido y fan-out. +5V +5V +5V +5V +5V +5V ALSTTL ACMOS ACMOS ALSTTL HCMOS LSTTL Elige, razonando con los cálculos, una de las tres posibilidades estableciendo el siguiente criterio: La posibilidad elegida será, de entre las compatibles, la que tenga mayor NML. En caso de empate entre varias se escogerá de entre esas la que tenga mayor NMH. En caso de persistir un empate entre varias se escogerá la que tenga mayor fan-out Vcc=+5V TTL LSTTL ALSTTL CMOS HCMOS ACMOS V ILMAX (V) 0,8 0,8 0,8 1,5 1,5 1,5 V IHMIN (V) ,5 3,5 3,5 V OLMAX (V) 0,4 0,5 0,5 0,5 0,1 0,1 V OHMIN (V) 2,4 2,7 2,5 4,5 4,9 4,9 I ILMAX (ma) -1,6-0,4-0,1-0,1µA -1µA -1µA I IHMAX (µa) ,1 1 1 I OLMAX (ma) , I OHMAX (ma) -0,4-0,4-0,4-0, Rango V CC (V) 5±5% 5±5% 5±10% 3 a 15 2 a 6 3 a 5,5 P d (mw)/1mhz ,5 0,5 0,5 t p (ns)/50pf f MAX (MHz) Examen Final Tecnología Electrónica -8- Curso 2009/2010. Junio 2010

9 COMPATIBILIDAD: ALSTTL ACMOS V OLMAX = 0,5[V] < V ILMAX = 1,5[V] V OHMIN = 2,5[V] < V IHMIN = 3,5[V] NO SON COMPATIBLES: un nivel alto de salida en ALSTTL no puede garantizarse como que será interpretada como nivel alto a la entrada del ACMOS ACMOS ALSTTL V OLMAX = 0,1[V] < V ILMAX = 0,8[V] V OHMIN = 4,9[V] > V IHMIN = 2[V] I OHMAX = 24[mA] > I IHMAX = 20[µA] I OLMAX = 24[mA] > I ILMAX = 0,1[mA] SON COMPATIBLES HCMOS LSTTL V OLMAX = 0,1[V] < V ILMAX = 0,8[V] V OHMIN = 4,9[V] > V IHMIN = 2[V] I OHMAX = 4[mA] > I IHMAX = 20[µA] I OLMAX = 4[mA] > I ILMAX = 0,4[mA] SON COMPATIBLES Por tanto, nos quedamos con las posibilidades ACMOS ALSTTL y HCMOS LSTTL. MÁRGENES DE RUIDO: ACMOS ALSTTL NML = V ILMAX V OLMAX = 0,8[V] 0,1[V] = 0,7[V] HCMOS ALSTTL NML = V ILMAX V OLMAX = 0,8[V] 0,1[V] = 0,7[V] Los márgenes de ruido a nivel bajo son iguales, calculamos los márgenes de ruido a nivel alto. ACMOS ALSTTL NMH = V OHMIN V IHMIN = 4,9[V] 2[V] = 2,9[V] HCMOS ALSTTL NMH = V OHMIN V IHMIN = 4,9[V] 2[V] = 2,9[V] Examen Final Tecnología Electrónica -9- Curso 2009/2010. Junio 2010

10 Los márgenes de ruido a nivel alto también son iguales, calculamos por último el fan out. FAN OUT: ACMOS ALSTTL min{ I OLMAX / I ILMAX = 24[mA]/0,1[mA] = 240; I OHMAX / I IHMAX = 24[mA]/10[mA]=1200} =240 HCMOS ALSTTL min{ I OLMAX / I ILMAX = 4[mA]/0,4[mA] = 10; I OHMAX / I IHMAX = 4[mA]/20[µA]=200} =10 ACMOS ALSTTL tiene mayor fan out, por tanto, según el criterio especificado, sería la posibilidad de interconexión elegida. Examen Final Tecnología Electrónica -10- Curso 2009/2010. Junio 2010