INDICE Capitulo 1. Análisis de circuitos con diodos semiconductores 1.1. Teoría de semiconductores 1.2. Diodos semiconductores

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1 INDICE Capitulo 1. Análisis de circuitos con diodos semiconductores 1.0. Introducción Teoría de semiconductores Conducción en los materiales Conducción en materiales semiconductores Materiales semiconductores Semiconductores contaminados Diodos semiconductores Construcción del diodo Operación del diodo Modelos de circuito equivalentes del diodo Física de los diodos de estado sólido Distribución de carga Relación entre la corriente y al tensión en un diodo Efectos de la temperatura Líneas de carga del diodo Capacidad de anejo de potencia Capacitancia del diodo Rectificación Rectificación de media Rectificación de onda completa Filtrado Desmodulación Diodos Zener Regulador Zener Diodos Zener prácticos y porcentaje de regulación Diseño de una fuente de pode usando un circuito integrado Recortadores y fijadores Recortadores Fijadores Tipos alternos de diodos Diodos Schotty Diodos varactor Diodos túnel (diodo Esaki) Diodos emisores de luz y fotodiodos Diodos PIN Especificaciones de los fabricantes 51 Problemas 53 Problemas adicionales 59 Capitulo 2. Amplificadores con transistores bipolares de unión 2.0. Introducción Fuentes de tensión y de corriente dependientes Transistores bipolares Operación del transistor Circuitos con transistores Configuraciones comunes en circuitos Curvas características 72

2 2.5. El amplificador EC El amplificador EC con resistor en el emisor Introducción al análisis y le diseño Consideraciones de potencia Derivación de las ecuaciones de potencia Capacitores de paso y de acoplamiento Capacitores de paso Capacitores de acoplamiento Línea de carga de ca para la configuración en EC La línea de carga de ca a través de cualquier punto Q Elección de la línea de carga de ca para máxima excursión simetría en la salida 2.9. Análisis y diseño en ca Procedimiento de análisis Procedimiento de diseño Diseño por debajo de máxima excursión Amplificador emisor seguidor (colector común) Análisis en ca y diseño de amplificadores ES 100 Problemas 103 Problemas adicionales 108 Capitulo 3. Diseño de amplificadores con transistores bipolares de unión 3.0 Introducción 3.1. Análisis de redes de dos puertos Formula de agracia de impedancia Parámetros híbridos Resistencia de entrada en cortocircuito Parámetros en EC Resistencia de entrada, Ren Ganancia de tensión, Av Ganancia de corriente, Ai Resistencia de salida, Ro Alinealidades de los BJT Parámetros para el amplificador CC (SE) Resistencia de entrada, Ren Ganancia de tensión, Av Ganancia de corriente, Ai Resistencia de salida, Ro Parámetros para el amplificador BC Resistencia de entrada, Ren Ganancia de corriente, Ai Ganancia de tensión, Av Resistencia de salida, Ro Aplicaciones de los amplificadores con transistores Acoplamiento de amplificadores Acoplamiento directo Acoplamiento capacitivo Acoplamiento por transformador Acoplamiento óptico

3 3.9. Divisor de fase Análisis del amplificador multietapa Dispositivos de cuatro capas Rectificador controlado de silicio (SCR) Conmutador controlado de silicio (SCS) DIAC y TRIAC 155 Problemas 156 Problemas adicionales 163 Capitulo 4. Amplificadores con transistores de efecto de campo 4.0. Introducción Ventajas y desventajas del FET 4.2. Tipos de FET Operación y construcción del JFET Variación de la tensión compuerta a fuente en el FET Características de transferencia del JFET Circuito equivalente, gm y rds Operación y construcción del MOSFET MOSFET de empobrecimiento MOSFET de enriquecimiento Polarización de los FET Análisis del amplificador FC Diseño de un amplificador FC Selección de componentes Análisis de amplificadores DC (FS) Procedimiento de diseño del amplificador DC Amplificador FS de refuerzo Transistor de unión con barrera metal semiconductor Otros dispositivos Transitorio de monounión VMOSFET (VMOS) Otros dispositivos MOS 209 Problemas 210 Problemas adicionales 214 Capitulo 5. Estabilidad de la polarización amplificadores con transistores Introducción 5.1. Tipos de polarización Polarización por corriente Polarización por tensión y por corriente Efectos de los cambios de parámetros: estabilidad de la 201 poralización Configuración EC Configuración ES Ejemplos de variación de parámetros Compensación por diodo Compensación por doble diodo Reducción de las variaciones en la temperatura Diseño para la estabilidad de la polarización de amplificadores con BJT 242

4 5.7. Efectos de la temperatura en FET Problemas 245 Problemas adicionales 247 Capitulo 6. Amplificadores de potencia y fuentes de alimentación 6.0. Introducción Clases de amplificadores Operación en clase A Operación en clase B Operación en clase AB Operación en clase C Circuitos amplificadores de potencia. Operación en clase A Amplificador acoplado en forma inductiva Amplificador de potencia acoplado por transformador Circuitos amplificadores de potencia. Operación en clase B Circuitos EC push-pull Amplificador de potencia clase B con simetría complementaria Cálculos de potencia para el amplificador push-pull clase B Circuito Darlington Amplificador clase AB cuasicomplementario con par 284 Darlington 6.6. Fuente de alimentación utilizando transistores de potencia Fuente de alimentación utilizando componentes discretos Fuente de alimentación utilizando un regulador de CI (regulador de tres terminales) Fuente de alimentación utilizando un regulador ajustable de tres terminales Reguladores conmutados Eficiencia de los reguladores conmutados 293 Problemas 293 Problemas adicionales 297 Capítulo 7. Circuitos integrados: amplificadores operacionales 7.0. Introducción Fabricación de CI Transistores y diodos Resistores Capacitores Transistores laterales Tecnología de unión Schotty Amplificadores de diferencia Características de transferencia en cd Ganancias en modo común y en modo diferencial Amplificador diferencial co fuente de corriente constante amplificador diferencial con terminales de entrada ay salida sencilla Fuentes de corriente, cargas activas y trasladores de nivel Fuente de corriente Widlar Fuente de corriente Wilson Espejos de corriente Fuentes de corriente como cargas activas 319

5 Trasladores de nivel Configuración cascode Empaquetado de los amplificadores operacionales Requerimientos de potencia 7.6. El amplificador operacional Circuitos de polarización Protección de cortocircuito Etapa de entrada Etapa intermedia Etapa de salida 7.7. Especificaciones del fabricante Problemas 333 Problemas adicionales 337 Capitulo 8. Amplificadores operacionales ideales 8.0. Introducción 8.1. Amplificadores operacionales ideales Método de análisis 8.2. El amplificador inversor El amplificador no inversor Resistencia de entrada de un circuito amplificador operacional con retroalimentación Entradas combinadas invertida y no invertida Diseño de circuitos con amplificador operacional Otras aplicaciones del amplificador operacional Circuito de independencia negativa Generador de corriente dependiente Integrador Miller no inversor Convertidor de impedancia Amplificadores operacionales y diodos 367 Problemas 370 Problemas adicionales 375 Capitulo 9. Amplificadores operacionales prácticos 9.0. Introducción 9.1. Amplificadores-operacionales prácticos Ganancia de tensión en lazo abierto (G) Tensión de desplazamiento en la entrada (Vio) Corriente de polarización de entrada (Ipol) Rechazo en modo común Razón de rechazo a la fuente de alimentación (PSRR) Desplazamiento de fase Razón de cambio (SR) Modelo mejorado para el amplificador operacional Amplificador no inversor Entrada no inversora y resistencia de salida Ganancia de tensión del amplificador no inversor Consideraciones de ancho de banda Amplificadores no inversores con entradas múltiples Amplificador inversor Amplificador inversor. Resistencia de entrada y salida

6 Ganancia de tensión en la entrada inversora Entradas múltiples. Amplificador inversor Suma diferencial Amplificador Amplificadores 101 no inversores Amplificador 101 inversores Diseño de amplificadores utilizando varios amplificadores operacionales Amplificadores con entradas y salidas balanceadas Acoplamiento entre entradas múltiples Amplificadores de audio 427 Problemas 428 Problemas adicionales 432 Capitulo 10. Características de la respuesta en frecuencia Introducción Diagramas de Bode Términos de la función G(s)H(s) La aproximación asintótica Ejemplo de diagramas de Bode Respuesta en frecuencia del amplificador operacional Respuesta en baja frecuencia: BJT Capacitancia de acoplamiento Diseño para una característica de frecuencia dada Capacitor de paso para el resistor de emisor Efecto combinado del capacitor de acoplamiento y el capacitor de paso Respuesta en baja frecuencia. Amplificador ES Respuesta en baja frecuencia. Amplificador BC Respuesta en baja frecuencia. Amplificadores con FET Respuesta en baja frecuencia para un amplificador FC Respuesta en baja frecuencia. Amplificador DC Respuesta en alta frecuencia. Amplificador con VBJT Respuesta del EC en alta frecuencia Respuesta del amplificador ES en alta frecuencia Respuesta del amplificador BC en alta frecuencia Respuesta en alta frecuencia. FET Amplificador FC Amplificador DC Amplificadores cascode Diseño de amplificadores en alta frecuencia Observaciones finales Problemas 506 Problemas adicionales 510 Capitulo 111. Retroalimentación y estabilidad Introducción Consideraciones de retroalimentación en amplificadores Tipos de retroalimentación Amplificadores retroalimentados Retroalimentación de corriente. Resta de tensión para 518

7 amplificadores discretos Retroalimentación de tensión. Resta de corriente para un amplificador discreto Amplificadores multietapa con retroalimentación Retroalimentación en amplificadores operacionales Estabilidad de amplificadores retroalimentados Producto ganancia por ancho de banda Respuesta en frecuencia. Amplificador retroalimentado Amplificador de polo simple Amplificador de dos polos Diseño de un amplificador de tres polos co igualador de 512 adelanto Igualador por retardo de fase Efectos de cargas capacitivas Osciladores 550 Problemas 556 Problemas adicionales 561 Capitulo 12. Circuitos no lineales Introducción Rectificadores Limitadores retroalimentados Comparadores Disparadores Schmitt Disparadores Schmitt con limitadores 594 Problemas 599 Problemas adicionales 603 Capitulo 13. Filtros activos Introducción Integradores y derivadores Diseño de redes activas Filtros activos Propiedades y clasificación de los filtros Filtros activos de primer orden Filtros generales de primer orden Amplificador de tipo general con un solo amplificador operacional Filtros de segundo orden con un solo amplificador Filtros analógicos clásicos Filtros Butterworth Filtros Chebyshev Transformaciones Transformación de pasa-bajas a pasa-altas Transformación de pasa-banda Procedimiento de diseño para filtros Butterworth y Chebyshev Diseño del filtro pasa-bajas Orden del filtro Factor de escala de los parámetros Filtro pasa-altas

8 Diseño de filtros pasa-banda y rechaza-banda Filtros en circuito integrado Filtros de capacitor conmutado Un filtro pasa-bajas Butterworth de sexto orden de capacitor 679 conmutado Conclusiones 681 Problemas 682 Problemas adicionales 686 Capitulo 14. Señales de pulso Introducción Redes RC pasa-altas Respuesta en estado estacionario. Red pasa-altas Red RC pasa-bajas Diodos Respuesta en estado estacionario de un circuito con diodo a trenes de pulsos Circuitos de disparo Respuesta a trenes de pulsos El generador de pulsos El oscilador de relajación El 555 como oscilador El 555 como circuito monoestable 720 Problemas 721 Problemas adicionales 726 Capitulo 15. Familias lógicas digitales Introducción Conceptos básicos de lógica digital Lógica independiente del tiempo, o asincrónica Lógica dependiente del tiempo, o sincrónica Funciones lógicas elementales Algebra de Boole Construcción y empaquetado de CI Consideraciones practicas en el diseño digital Características de los BJT en circuitos digitales Familias lógicas con BJT Lógica de transistor-transistor (TTL) Colector abierto Carga activa Compuertas H-TTL y LP-TTL Compuertas TTL Schotty Compuertas de tres estados Lista de dispositivos Lógica de emisor acoplado Lista de dispositivos Características de los FET en circuitos digitales MOSFET de enriquecimiento de canal n El MOSFET de enriquecimiento de canal p Familias con transistores FE MOS de canal n

9 MOS de canal de p MOS complementarios Lista de dispositivos CMOS y regalas de utilización Comparación de las familias lógicas Conclusiones Problemas 765 Problemas adicionales 771 Capitulo 16. Circuitos integrados digitales Introducción Descodificadores y codificadores Codificadores y descodificadores de teclado Generadores de paridad y verificadores Manejadores y sistemas asociados Biestables, memorias de paso y registros de 784 desplazamiento Biestables Memorias de paso y memorias Registros de desplazamientos Contadores Relojes Oscilador controlado por tensión (VCO) Conversión de analógica a digital Convertidor de digital a analógico CD/A) Convertidor A/D El convertidor A/D de 3 ½ dígitos Despliegue de cristal liquido Memorias Memorias de tipo serie Memoria de acceso aleatorio (RAM) ROM y PROM EPROM Circuitos mas complejos Unidad aritmética y lógica (ALU) Sumadores completos Generadores de acarreo adelantado Comparador de magnitudes Arreglo lógico programable (PAL) Problemas 826 Problemas adicionales 829 Capitulo 17. Diseño electrónico digital Introducción Principios de diseño Definición del problema Subdivisión del problema Documentación El diagrama esquemático La lista de partes Listas de ejecución y otra documentación Utilización de documentos

10 17.5. Verificación del diseño Armado de prototipos de circuitos digitales Ejemplos de diseño Introducción a los problemas Conclusiones 863 Problemas Problemas adicionales 878 Apéndice A Spice A.0. Introducción A-1 A.1. Información sobre programación A-3 A.1.1. Formato A-4 A.2. Datos de entrada A.2.1. Descripción de elementos A-5 A.2.2. descripción de fuente A-10 A.2.3. Subcircuitos A-12 A.2.4. Análisis requerido A-13 A.2.5. Salida requerida A-14 A.3. Ejemplos de programas A.3.1. Amplificador EC A-16 A.3.2. Amplificador FC A-21 A.3.3. Rectificador de onda completa A-26 A.3.4. Filtro pasa-bajas Chebyshev de cuarto orden A-30 A.3.5. Compuerta NAND de dos entradas A-33 Apéndice B. principios de física de semiconductores B.0. Introducción B.1. Semiconductores intrínsecos B.2. Impurezas en los semiconductores B.2.1. Semiconductores de tipo n B.2.2. Semiconductores de tipo P A-37 A-40 B.3. Concentración de portadores A-41 B.4. Portadoras excedentes B.5. Reconvicción y generación de portadores excedentes A-43 B.6. Transporte de corriente eléctrica A-44 B.7. Desplazamiento en un campo eléctrico A-45 B.8. Dependencia de la resistividad respeto a la temperatura B.9. Difusión en un gradiente de concentración A-48 B.10. Combinación de difusión y desplazamiento B.11. Las relaciones de Einstein A-49 B.12. Prueba de la ley np= constante A-50 B.13. Calculo del nivel de Fermi A-51 B.14. Derivación de la ecuación del diodo A-52 Apéndice C. La transformación de Laplace C.0. Introducción A-55 C.1. La transformada de Laplace de funciones A-56 C.2. La transformada de Laplace de operaciones A-57 C.3. Solución de ecuaciones diferenciales lineales ordinarias A-60 C.4. Expansión en fracciones parciales A-62 C.5. Propiedades adicionales de la transformada de Laplace C.5.1. Traslación real A-66

11 C.5.2. Segunda variable independiente A-67 C.5.3. Teoremas de los valores finales e inicial A-68 C.5.4. Teorema de la convolución Apéndice D. Hojas de datos de fabricantes A-69 D.1. Diodos D.1.1. Diodos 1N4001 a 1N4007 A-71 D.1.2. Diodos Zener 1N746 a 1N759 A-75 D.2. Transistores D.2.1. Transistores de silicio npn 2N3903 y 2N3904 A-81 D.2.2. Transistores de silicio pnp 2N3905 y 2N3906 A-87 D.2.3. Transistores de propósito general npn 2N2217 a 2N222 D.2.4. JFET de canal n 2N3821, 2N3822 y 2N3824 A-93 D.2.5. MOSFET de canal n 3N128 D.3. Dispositivos diversos D.3.1. Regulador de tensión en CI MC7800 A-97 D.3.2. Comparador de tensión LM139 A-104 D.4. AMP-OPS D.4.1. Amplicador operacional ua741 A-107 D.4.2. Amplicador operacional LM101 A-116 Apéndice E. Valores estándar de los componentes E.0. Introducción A-121 E.1. Resistores E.2. Capacitores A-122 Apéndice F. Ruido en sistemas electrónicos F.0. Introducción A-123 F.1. Fuentes de ruido F.1.1. Ruido de resistores A-124 F.1.2. Otros tipos de ruido 125 F.1.3. Ruido en el diodo F.1.4. Ruido en el BJT A-126 F.1.5. Ruido en el FET 127 F.2. Ruido en amplificadores operacionales A-128 F.2.1. Razón señal a ruido F.2.2. Cifra de ruido A-129 F.2.3. Consideraciones para la reducción del ruido A-130 Apéndice G. Respuestas a problemas seleccionados A-132 Bibliografías y referencias para estudio ulterior A-138 Índice de materias I-1