208044 MODULO ELECTRONICA BASICA

MODULOELECTRÓNICA ANÁLOGA

OMAR TOVAR TOVAR Editado por:IVAN CAMILO NIETO SÁNCHEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD BOGOTA

2010

Camilo

Texto escrito a máquina

GUÍA DIDÁCTICAELECTRÓNICA ANÁLOGA

@Copyright

Universidad Nacional Abierta y a Distancia

ISBN

2009Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje

Primera versión: febrero 7 de 2009

OMAR TOVAR TOVAR

mailto:@Copyright

ÍNDICE

PRIMERA UNIDADFUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES

CAPÍTULOS 1 GENERALIDADES DE LOS SEMICONDUCTORES

1. Historia de los semiconductores2. Conceptos y elementos de los semiconductores3. Clases de semiconductores

CAPITULO 2 DIODOS SEMICONDUCTORES

1. Símbolo de un Diodo2. Clases de diodos3. Polarización de un diodo4. Curvas características del diodo.5. Diodos de propósitos especial

CAPITULO 3 TRANSISTORES BIPOLARES

1. Descripción.2. Tipos de transistores de unión bipolar.3. Funcionamiento básico.4. Polarización de un transistor.5. Zona de trabajo.

SEGUNDA UNIDADTRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

CAPITULO 4 TRANSISTORES FET

1. Tipo de FET.2. Operación y construcción de FET.3. Características de funcionamiento.4. Principales aplicaciones.

CAPITULO 5 MOSFET

1. Breve historia.2. Funcionamiento.3. Estado de funcionamiento de un transistor MOSFET.

4. Aplicaciones.5. Ventajas.

CAPITULO 6 Amplificadores

1. Generalidades2. Amplificadores de señal pequeña3. Amplificadores en Cascada

TERCERA UNIDADAMPLIFICADORES

CAPITULO 7 Amplificadores de Potencia

1. Generalidades2. Clasificación

CAPITULO 8 Amplificadores de tensión

1. Generalidades2. Clasificación

CAPITULO 9 Amplificadores Operacionales

1. Generalidades2. Comportamiento en continua (CD).3. Comportamiento en Alterna (CA).4. Tipos de circuitos.5. Clasificaciones6. Estructuras

UNIDAD No 1

FUNDAMENTOS DE SEMICONDUCTORES

CAPITULO 1

1. Generalidades De Los Semiconductores1.1. Historia De Los Semiconductores

En los últimos años las investigaciones realizadas por un gran número decientíficos, sobre el comportamiento al paso de la corriente eléctrica en losmateriales llamados semiconductores, han dado por resultado una serie dedescubrimientos y adelantos de tal naturaleza que su desenlace es casi imposibleprever.

Desde que apareció la primera aplicación en 1915 con el detector de galena, hasta1939-40, 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 eldiodo de túnel; en 1958 el tecnetrón, y en 1960 los circuitos integrados, etc. .Quizáninguna 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 másque un brillante representante de un grupo vastísimo.

Por medio de los métodos químicos y físicos habituales, y la paciencia de grandescientíficos es imposible descubrir estos residuos tan nimios de impurezas. Ha sidonecesario idear nuevos procedimientos de análisis basados en los fenómenoseléctrico-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 eléctricade estos cuerpos, siendo notablemente inferior a la de los metales, no erasuficientemente alta para considerarlos como aislantes; además, en muchos casosaumentaba rápidamente la conductibilidad con la temperatura, lo que constituía unfenómeno desconocido en los metales.

Actualmente, en el vasto campo de los semiconductores se emplean mezclas deóxidos de metales: cobre, uranio, manganeso, níquel, cobalto, hierro, etc., segúnsea su aplicación y el fenómeno que se desee utilizar, pues en unos su resistenciaeléctrica varia con el calor, en otros con el potencial eléctrico empleado, en otrosaún 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 ahoraempiezan a emplearse combinaciones como antimoniouro de indio, seleniuro decadmio, sulfuro de plomo, etc. Igualmente se utilizan mezclas de óxidos talescomo 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 primerosSemiconductores que podría reemplazar al TUBO, y ese sería el DIODO hecho deGERMANIO (ubicado en la TABLA PERIÓDICA dentro del grupo de losMetaloides), que teniendo una cierta cantidad de impurezas podría trabajar comorectificador.

1.2. Concepto Y Elementos Semiconductores

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o comoaislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Loselementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tablasiguiente.

Elemento Grupo Electrones enla última capa

Cd

(Cadmio)II B 2 e-

Al, Ga, B, In

(Aluminio, Galio, Boro, Indio)III A 3 e-

Si, Ge

(Silicio, Germanio)IV A 4 e-

P, As, Sb

(Fosforo, Arsénico, Antimonio)V A 5 e-

Se, Te, (S)

(Selenio, Telurio, Asufre)VI A 6 e-

El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idénticocomportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y IIIcon los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd ySCd). 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 siliciouna configuración electrónica s²p².

1.3. Clases De Semiconductores1.3.1. Semiconductores Intrínsecos

Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbonomediante enlaces covalentes entre sus átomos. Cuando el cristal se encuentra atemperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energíanecesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco enla banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de1,12 y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electronespueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de

conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A estefenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinadatemperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación seigualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permaneceinvariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" laconcentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de latemperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen doscorrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libresde la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de loselectrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos(2), originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campoeléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda deconducción.

1.3.2. Semiconductores Extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeñoporcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, elsemiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalinasustituyendo al correspondiente átomo de silicio.

1.3.2.1. Semiconductor Tipo N

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopadoañadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar elnúmero de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones).

Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones másdébilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agentedopante es también conocido como material donante ya que da algunos de suselectrones.

El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electronesportadores en el material. Para ayudar a entender como se produce el dopaje tipon considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valenciaatómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de losátomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, talescomo los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) oantimonio (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", elnúmero de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, enese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son losportadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones devalencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores.Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un iondopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una cargaeléctrica neta final de cero....

1.3.2.2. 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 elnúmero de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).

Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmentevinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es tambiénconocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdidoun electrón son conocidos como huecos.

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 permiteel paso de la corriente eléctrica en una única dirección con característicassimilares a un interruptor. De forma simplificada, la curva característica de undiodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, secomporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como uncortocircuito con muy pequeña resistencia eléctrica.

Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que sondispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. Suprincipio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.

2.1. Símbolos De Un Diodo Semiconductor

Los diodos semiconductores se representan:

2.2. Clases De Diodos

2.2.1. Diodo pn o Unión pn

Los diodos pn, son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tiposp y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacarque ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que encada cristal, el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemosdecir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0).

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

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 ladosde la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de cargaespacial, de agotamiento, de deplexión, de vaciado, etc.

A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial vaincrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de launión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de ionesnegativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre loselectrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento,que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensiónentre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso delsilicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.

La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele serdel orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopadoque 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 diceque no está polarizado. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose porla 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 protegercables.

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 eldiodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.





A (p) C ó K (n)







A (p) C ó K (n)



2.2.2. Polarización Directa E Inversa.

2.2.2.1. Polarización directa

En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de cargaespacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; esdecir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.

Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polopositivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estascondiciones podemos observar que:

El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con loque 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 mayorque la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electroneslibres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecosdel 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 lazona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona pconvirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón esatraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo

hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hiloconductor y llega hasta la batería.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendoelectrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corrienteeléctrica constante hasta el final.

2.2.3. Polarización inversa

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polopositivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensiónen dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y comose explica a continuación:

El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, loscuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual sedesplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libresabandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, alverse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquierenestabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor yátomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en ionespositivos.

El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentesde la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones devalencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con













los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo elelectrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando loselectrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro deestos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8electrones 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 espacialadquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido alefecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de launión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominadacorriente inversa de saturación. Además, existe también una denominadacorriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduceuna pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, losátomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatroenlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomosde la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en suorbital 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 superficialde fuga es despreciable.

2.3. Curva característica del diodo









Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).

La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarizacióndirecta coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodono polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicialse va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% dela nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral,la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementosde tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

Corriente máxima (Imax ).

Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sinfundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calorque 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 diodopor 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 (verpolarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada aldiodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial defugas.

Tensión de ruptura (Vr ).

Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse elefecto avalancha.

Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corrienteinversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de latensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto

avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que laruptura puede deberse a dos efectos:

Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa segeneran pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa desaturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleranincrementando su energía cinética de forma que al chocar con electronesde valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estoselectrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión,chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. Elresultado es una avalancha de electrones que provoca una corrientegrande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a6 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 Epuede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d;cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campoeléctrico será grande, del orden de 3·105 V/cm. En estas condiciones, elpropio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valenciaincrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 Vo menores.

Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, comolos Zener, se puede producir por ambos efectos.

Modelos matemáticos

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a WilliamBradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en lamayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y ladiferencia de potencial es:













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 * 10 − 19

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 de2 (para el silicio).

El término VT = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, delorden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K ó 27 ºC).

2.4. Diodos De Proposito Especial.

2.4.1. Diodo avalancha

Un diodo avalancha, es un diodo semiconductor diseñado especialmente paratrabajar en tensión inversa.

En estos diodos, poco dopados, cuando la tensión en polarización inversa alcanzael valor de la tensión de ruptura, los electrones que han saltado a la banda deconducción por efecto de la temperatura se aceleran debido al campo eléctricoincrementando su energía cinética, de forma que al colisionar con electrones devalencia los liberan; éstos a su vez, se aceleran y colisionan con otros electronesde valencia liberándolos también, produciéndose una avalancha de electronescuyo efecto es incrementar la corriente conducida por el diodo sin apenasincremento de la tensión.

USOS

Protección

La aplicación típica de estos diodos es la protección de circuitos electrónicoscontra sobretensiones.

El diodo se conecta en inversa a tierra, de modo que mientras la tensión semantenga por debajo de la tensión de ruptura sólo será atravesado por la corrienteinversa de saturación, muy pequeña, por lo que la interferencia con el resto delcircuito será mínima; a efectos prácticos, es como si el diodo no existiera. Alincrementarse la tensión del circuito por encima del valor de ruptura, el diodocomienza a conducir desviando el exceso de corriente a tierra evitando daños enlos componentes del circuito.

Fuentes de ruido de RF

Los diodos avalancha generan ruido de radio frecuencia; son comúnmenteutilizados como fuentes de ruido en equipos de radio frecuencia.

También son usados como fuentes de ruido en los analizadores de antena y comogeneradores de ruido blanco.

2.4.2. Fotodiodo

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a laincidencia de la luz visible o infrarroja.

Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que seproducirá 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 elpositivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente enausencia 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 suficienteenergía llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco concarga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o auna distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por elcampo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente.

2.4.3. Diodo Gunn

Es una forma de diodo usado en la electrónica de alta frecuencia. A diferencia delos diodos ordinarios construidos con regiones de dopaje P o N, solamente tieneregiones 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 Nfuertemente dopadas y una delgada región intermedia de material ligeramentedopado. Cuando se aplica un voltaje determinado a través de sus terminales, en lazona intermedia el gradiente eléctrico es mayor que en los extremos.

La frecuencia de la oscilación obtenida a partir de este efecto, es determinadaparcialmente por las propiedades de la capa o zona intermedia del diodo, perotambién puede ser ajustada exteriormente.

Los diodos Gunn son usados para construir osciladores en el rango de frecuenciascomprendido entre los 10 Gigahertz y frecuencias aún más altas (hasta Terahertz).Este diodo se usa en combinación con circuitos resonantes construidos con guiasde ondas, cavidades coaxiales y resonadores YIG (monocristal de granate Itrio ehierro, Yttrium Iron Garnet por sus siglas en inglés) y la sintonización es realizadamediante ajustes mecánicos, excepto en el caso de los resonadores YIG en loscuales los ajustes son eléctricos.

Los diodos Gunn suelen fabricarse de arseniuro de galio para osciladores de hasta200 GHz, mientras que los de Nitruro de Galio pueden alcanzar los 3 Terahertz.

2.4.4. Diodo láser

El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero quebajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodosláser 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.

2.4.5. Diodo LED (e IRED)

Diodo emisor de luz, también conocido como LED es un dispositivosemiconductor (diodo) que emite luz incoherente de espectro reducido cuando sepolariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corrienteeléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia. El color (longitudde onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción deldiodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta elinfrarrojo. Los diodos emisores de luz que emiten luz ultravioleta también recibenel nombre de UV LED (UltraV'iolet Light-Emitting Diode) y los que emiten luzinfrarroja suelen recibir la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode).

2.4.6. Diodo p-i-n

Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermediasemiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructuraP-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca sesustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa n dealta resistividad (ν).

El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:

conmutador de RF resistencia variable protector de sobretensiones fotodetector

2.4.7. Diodo Schottky o diodo de barrera Schottky

El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físicoalemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporcionaconmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa(menos de 1ns en dipositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajastensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglésse refieren a ella como "knee", o sea, de rodilla). La tensión de codo es ladiferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductoren lugar de circuito abierto; esto, claro, dejando de lado la región Zener, que escuando más bien existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativapara que -a pesar de estar polarizado en contra del flujo de corriente- éste operede igual forma como lo haría regularmente.

2.4.8. Diodo Shockley (diodo de cuatro capas)

Un diodo Shockley es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estadosestables: OFF o de alta impedancia y ON o baja impedancia. No se debe confundircon el diodo de barrera Schottky.

Está formado por cuatro capas de semiconductor tipo n y p, dispuestasalternadamente. Es un tipo de tiristor.

2.4.9. Diodo túnel o diodo Esaki

El Diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual seproduce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa enun cierto intervalo de la característica corriente-tensión.













La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización comocomponente activo (amplificador/oscilador).

2.4.10. Diodo Varicap

El Diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo quebasa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera depotencial en una unión PN varie en función de la tensión inversa aplicada entresus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera,disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene uncondensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidosvan 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 osciladorescontrolados por voltaje (Oscilador controlado por tensión).

2.4.11. Diodo Zener





2.4.11. Diodo Zener





2.4.11. Diodo Zener

Un diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione enlas zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, eldiodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes conindependencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, dela 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 unconmutador cerrado, la resistencia es pequeña.

Con polarización inversa, el circuito representa un conmutador abierto, granresistencia.











CAPITULO No 3

3. TRANSISTORES BIPOLARES

3.1. Descripción

El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglasBJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PNmuy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través desus terminales.

Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica.También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL oBICMOS.

Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristalsemiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedanformadas 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.

3.2. 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 diferentesregiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en díason NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los

"huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidadesde operación.

Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P(la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corrienteingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salidadel colector.

La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apuntaen la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivoestá 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 deltransistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPNbrinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado Nentre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmenteoperados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de lafuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeñacorriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circuledesde el emisor hacia el colector.

La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en ladirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está enfuncionamiento activo.

Transistor NPN Estructura de untransistor NPN

TransistorPNP

Estructura de untransistor PNP

Transistor Bipolar de Heterounión

El transistor bipolar de heterounión (TBH) es una mejora del BJT que puedemanejar señales de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es undispositivo muy común hoy en día en circuitos ultrarrápidos, generalmente ensistemas de radiofrecuencia.

Los transistores de heterojuntura tienen diferentes semiconductores para loselementos del transistor. Usualmente el emisor está compuesto por una banda dematerial más larga que la base. Esto ayuda a reducir la inyección de portadoresminoritarios desde la base cuando la juntura emisor-base está polarizada endirecta y esto aumenta la eficiencia de la inyección del emisor. La inyección deportadores mejorada en la base permite que esta pueda tener un mayor nivel dedopaje, lo que resulta en una menor resistencia. Con un transistor de junturabipolar convencional, también conocido como transistor bipolar de homojuntura, laeficiencia de la inyección de portadores desde el emisor hacia la base estáprincipalmente determinada por el nivel de dopaje entre el emisor y la base.Debido a que la base debe estar ligeramente dopada para permitir una altaeficiencia de inyección de portadores, su resistencia es relativamente alta.

3.3. Funcionamiento Básico


TransistorPNP







TransistorPNP






Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base deltransistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya que, toda la tensión seencuentra entre Colector y Emisor. (Figura 1).

F.1 F.2

Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por laBase. Así el transistor disminuirá su resistencia entre Colector y Emisor por lo quepasará una intensidad muy grande, haciendo que se encienda la lámpara. (Figura2).

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 lomismo polarizar un transistor NPN que PNP.


F.1 F.2






F.1 F.2





Polarización de un transistor NPN Polarización de un transistor PNP

Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamentey la unión base - colector inversamente.

3.5. Zonas De Trabajo

CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector yEmisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. Eltransistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.

SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia unincremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistorentre 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 enel Colector.

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 enconmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor.

La ganancia de corriente es un parámetro también importante para lostransistores ya que relaciona la variación que sufre la corriente de colector parauna variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sushojas de características, también aparece con la denominación hFE. Se expresa dela siguiente manera:

IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat

IB IC ; Vbat = RC X IC.

β = IC / IB

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 lapotencia que disipen, así nos encontramos con que los transistores de pequeñaseñal tienen un encapsulado de plástico, normalmente son los más pequeños (TO- 18, TO-39, TO-92, TO-226 ... ); los de mediana potencia, son algo mayores ytienen en la parte trasera una chapa metálica que sirve para evacuar el calordisipado convenientemente refrigerado mediante radiador (TO-220, TO-218, TO-247...) ; los de gran potencia, son los que poseen una mayor dimensión siendo elencapsulado enteramente metálico . Esto, favorece, en gran medida, laevacuación del calor a través del mismo y un radiador (TO-3, TO-66, TO-123, TO-213...).

Para conocer los encapsulados de los transistores más utilizados:

El aspecto de los primeros transistores:

Los transistores unipolares o de Efecto de Campo (FET)

En resumen:






VBE ≈ 0,8v < 0,7v ≈ 0,7v





En resumen:






VBE ≈ 0,8v < 0,7v ≈ 0,7v





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 secontrola mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran unacorriente 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 ode canal N. Sus símbolos son los siguientes:

Símbolo de un FET de canal N Símbolo de un FET de canal P

UNIDAD No 2


CAPITULO 4









enriquecimiento)




UNIDAD No 2


CAPITULO 4









enriquecimiento)




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 (delorden de 107). Como esta impedancia de entrada es considerablementemayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la etapa deentrada 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 fabricarun mayor número de dispositivos en un circuito integrado (es decir, puedeobtener una densidad de empaque mayor).

5. Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión paravalores pequeños de tensión de drenaje a fuente.

6. La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga eltiempo suficiente para permitir su utilización como elementos dealmacenamiento.

7. Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutarcorrientes grandes.

Existen varias desventajas que limitan la utilización de los FET en algunasaplicaciones:

1. Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la altacapacitancia 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.

4.2. Operación y Construcción del JFET

Al igual que el BJT, el FET es un dispositivo de tres terminales, pero solo tiene unaunión Pn en vez de dos, como en el BJT. El JFET de canal n se construyeutilizando una cinta de material de tipo n con dos materiales de tipo p difundidosen ella, uno en cada lado. El JFET de canal p tiene una cinta de material de tipo pcon dos materiales de tipo n difundidos en ella.

El FET es un dispositivo controlado por tensión y se controla mediante vGS. Antesde analizar estas curvas, tómese nota de los símbolos para los JFET de canal n y

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 uncanal 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 esuna gráfica de la corriente de drenaje, iD, como función de la tensión compuerta afuente, vGS, por encima del estrangulamiento.

Por tanto, solo se necesita conocer IDSS y VP, y toda la característica quedaradeterminada. Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dosparámetros, por la que se puede construir la característica de transferencia. Elparámetro de control para el FET es la tensión compuerta-fuente en lugar de lacorriente de base, como en el BJT.

La región entre el estrangulamiento y la ruptura por avalancha se denomina regiónactiva, región de operación del amplificador, región de saturación o región deestrangulamiento. La región ohmica (antes del estrangulamiento) a veces sedenomina región controlada por tensión. El FET opera en esta región cuando sedesea un resistor variable y en aplicaciones de conmutación.

La tensión de ruptura es función de vGS así como de vDS. Conforme aumenta lamagnitud entre compuerta y fuente (más negativa para el canal n y más positivapara el canal p), disminuye la tensión por ruptura. Con vGS = VP, la corriente dedrenaje es cero (excepto por una pequeña corriente de fuga), y con vGS = 0, lacorriente 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 depuerta.

4.3. Característica De Funcionamiento.

Los parámetros que definen el funcionamiento de un FET se observan en lasiguiente 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 estedispositivo. En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes:









Zona lineal

El FET se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la tensiónVGS.

Zona de saturación

A diferencia de los transistores bipolares en esta zona, el FET, amplifica yse comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión queexiste entre Puerta (G) y Fuente o surtidor (S) , VGS.

Zona de corte

La intensidad de Drenador es nula.

Como en los transistores bipolares existen tres configuraciones típicas: Surtidorcomún (SC), Drenador común (DC) y Puerta común (PC). La más utilizada es lade surtidor común que es la equivalente a la de emisor común en los transistoresbipolares.

Las principales aplicaciones de este tipo de transistores se encuentran en laamplificación de señales débiles.

Curva Características De Salida

Al variar la tensión entre drenador y surtidor varia la intensidad de drenadorpermaneciendo constante la tensión entre puerta y surtidor.

En la zona óhmica o lineal se observa como al aumentar la tensióndrenador surtidor aumenta la intensidad de drenador.

En la zona de saturación el aumento de la tensión entre drenador y surtidorproduce una saturación de la corriente de drenador que hace que esta seaconstante. Cuando este transistor trabaja como amplificador lo hace en estazona.

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 intensidadde drenador es máxima.

4.4. Principales aplicaciones

Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:

APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA USOS

Aislador oseparador (buffer)

Impedancia de entradaalta y de salida baja

Uso general, equipo de medida,receptores

























Amplificador de RF Bajo ruido Sintonizadores de FM, equipo paracomunicaciones

Mezclador Baja distorsión deintermodulación

Receptores de FM y TV, equipospara comunicaciones

Amplificador conCAG

Facilidad para controlarganancia

Receptores, generadores deseñales

Amplificadorcascodo

Baja capacidad deentrada

Instrumentos de medición, equiposde prueba

Troceador Ausencia de deriva Amplificadores de cc, sistemas decontrol de dirección

Resistor variablepor voltaje Se controla por voltaje

Amplificadores operacionales,órganos electrónicos, controlas detono

Amplificador debaja frecuencia

Capacidad pequeña deacoplamiento

Audífonos para sordera,transductores inductivos

Oscilador Mínima variación defrecuencia

Generadores de frecuencia patrón,receptores

Circuito MOS digital Pequeño tamaño Integración en gran escala,computadores, memori

CAPITULO 5

5. MOSFET

MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuertaaislada, es un arreglo de cientos de transistores integrados en un sustrato desilicio. Cada uno entrega una parte a la corriente total.

Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolarespresentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión, Es un dispositivoextremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangularo liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en conmutación. Suvelocidad permite diseñar etapas con grandes anchos de banda minimizando, así,lo que se denomina distorsión por fase.

5.1. Breve Historia

Fue ideado teóricamente por el alemán Julius von Edgar Lilienfeld en 1930,aunque debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acercade cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no sepudieron fabricar hasta décadas más tarde. En concreto, para que este tipo dedispositivos pueda funcionar correctamente, la intercara entre el sustrato dopado yel aislante debe ser perfectamente lisa y lo más libre de defectos posible. Esto es

algo que sólo se pudo conseguir más tarde, con el desarrollo de la tecnología delsilicio.

5.2. Funcionamiento

Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopadoen el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipoopuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa dedieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET sedividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado eldopaje:

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

Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y elconductor entre ellos es la puerta(gate).

5.3. Estados De Funcionamiento Del Transistor MOSFET :

Estado de corte

Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está enestado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador aunquese aplique una diferencia de potencial entre ambos. También se llama mosfet a losaislados por juntura de dos componentes..

Conducción lineal

Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), secrea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Siesta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones ennMOS, huecos en pMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal deconducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo queuna diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. Eltransistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.

Saturación

Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal deconducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenadory desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que esdebida al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de ladiferencia de potencial entre ambos terminales.


Para un MOSFET de canal inducido tipo n en su región lineal:

donde en la que b es el ancho del canal, μn la movilidad de loselectrones, ε es la permitividad eléctrica de la capa de óxido, L la longitud delcanal y W el espesor de capa de óxido.

Cuando el transistor opera en la región de saturación, la fórmula pasa a serla siguiente:

Estas fórmulas son un modelo sencillo de funcionamiento de los transistoresMOSFET, pero no tienen en cuenta un buen número de efectos de segundoorden, como por ejemplo:

Saturación de velocidad: La relación entre la tensión de puerta y la corrientede drenador no crece cuadráticamente en transistores de canal corto.

Efecto cuerpo: La tensión entre fuente y sustrato modifica la tensión umbralque da lugar al canal de conducción

Modulación de longitud de canal.

5.4. Aplicaciones

La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipoCMOS, 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.

5.5. Ventajas

La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, n-mos 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.

CAPITULO 6

6. AMPLIFICADORES

6.1. Generalidades

Un amplificador aumenta, o amplifica la magnitud de una señal eléctrica, y es elmás utilizado para la construcción de sistemas electrónicos, como elementoindividual.

Si el amplificador se optimiza para amplificar la señal de voltaje, se le conocecomo amplificador de voltaje.

En el caso de amplificación de señal de corriente, se denomina amplificador decorriente.

Y para el caso de proporcionar una señal de potencia, a este generalmente se leclasifica como amplificador de potencia.

Para que un transistor opere como amplificador debe estar polarizado en la regiónactiva. El problema de polarización es el de establecer una corriente de cd.Constante en el emisor (o colector). Esta corriente debe ser predecible einsensible a variaciones en temperatura.

6.2. Amplificadores De Señal Pequeña

Los comportamientos de los amplificadores de señal pequeña se puededeterminar con ayuda de algunas ecuaciones sencillas. Estas ecuaciones sebasan en modelos o circuitos equivalentes del amplificador en cuestión. En estecaso los amplificadores BJT y FET de señal pequeñas.

En el análisis de los amplificadores es deseable considerar las escalasespecíficas de frecuencias de las señales, esto permitirá el desarrollo de modelossimples y proporcionará una visión del comportamiento del amplificador.

Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores de señal pequeñacon transistores, cada una de ellas con características especiales que lashacen mejor para cierto tipo de aplicación, y se dice que el transistor no está

conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente debase (Ib = 0)

6.2.1. 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, yque 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 llevaninguna información.

En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos decorrientes (alterna y continua).

La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer elpunto de operación del amplificador.

Este punto de operación permitirá que la señalamplificada no sea distorsionada.

En el diagrama se ve que la base del transistor estáconectada a dos resistores (R1 y R2).

Estos dos resistores forman un divisor de voltaje quepermite tener en la base del transistor un voltaje

necesario para establecer la corriente de polarización de la base.

El punto de operación en corriente continua está sobre una línea de cargadibujada en la familia de curvas del transistor.

Esta línea está determinada por fórmulas quese muestran.

Hay dos casos extremos:

- Cuando el transistor está en saturación (Icmax.), que significa que Vce esprácticamente 0 voltios y....- Cuando el transistor está en corte (Ic = 0),que significa que Vce es prácticamente iguala Vcc. Ver la figura.

Si se modifica R1 y/o R2 el punto de operación se modificará para arriba o paraabajo en la curva pudiendo haber distorsión

Si la señal de entrada (Vin) es muy grande, se recortarán los picos positivos ynegativos de la señal en la salida (Vout)

Amplificador colector común

El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útilpues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.

Nota: La impedancia de entrada alta es una característica deseable en unamplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarlemucha 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 laresistencia del emisor (ver la figura).

El voltaje se salida "sigue" al voltaje en el emisor, sóloque es de un valor ligeramente menor (0.6 voltiosaproximadamente)

Ve = Vb - 0.6 Voltios

La ganancia de tensión es:Av = Vout / Vin = Ve / Vb.

Como Ve es siempre menor que Vb, entonces la ganancia siempre será menora 1.

La impedancia de entrada se obtiene con la siguiente fórmula: Zin = (β + 1) xRe

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 = (150 + 1) x 2200 Ohmios = 332,000 Ohmios (332 K)

Este amplificador aparenta una impedancia de entrada de 332,000 Ohmios a lafuente de la señal que se desea amplificar. Este tipo de circuito es muy utilizadocomo circuitos separadores y como adaptadores de impedancia entre las fuentesde señal y las etapas amplificadoras

6.2.2. Presentación De Amplificadores Tipo Fet

El transistor FET (Transistor de efecto de campo) se puede utilizar comoelemento activo de muchos amplificadores. Una de las configuraciones es:

El Amplificador seguidor de cátodo al que se le conoce también con el nombrede circuito drenador común o ánodo común

Este tipo de amplificador tiene una baja impedancia de salida, por lo que esutilizado principalmente como adaptador de impedancias.

La salida se obtiene del resistor RS y la ganancia es aproximadamente igual a 1.





























Esta ganancia no es 1 debido a que existe una pequeña diferencia de tensiónentre 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 deentrada pues no existe el signo menos que indica inversión de fase

La impedancia de salida se obtiene con la siguiente fórmula:

Amplificadores con FET (transistor efecto de campo)

Amplificador surtidor común

El FET, por sus características especiales, (alta impedancia de entrada, mejorrespuesta de frecuencia que los transistores bipolares, bajo ruido) se utiliza confrecuencia en amplificadores.

Ro = Rs / [ 1 + (gm x Rs) ]








Ro = Rs / [ 1 + (gm x Rs) ]








Ro = Rs / [ 1 + (gm x Rs) ]

En el primer circuito se grafica un amplificador que utiliza dos baterías (despuésde verá cómo hacerlo funcionar con solo una)

La batería VGG se utiliza para polarizar la compuerta del transistor. La tensión enla compuerta será negativa (-VGG), pues no hay caída de tensión, en corrientecontinua, en la resistencia RG.

(Acordarse de que no hay paso de corriente entre la compuerta G y el surtidor Sy 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 enel surtidor.

Autopolarización

Para utilizar sólo una batería, la batería de polarización VGG se reemplaza porun resistor Rs, que se conecta entre el terminal surtidor S y el común (ver puntoT). La corriente continua que pasa por el surtidor también pasará por el resistorRS y causará una caída de tensión VS = IS x RS.

La corriente de surtidor y la corriente de drenaje son iguales (IS = ID) debido aque 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 elsigno (+) en el terminal surtidor del FET y designo (-) en el común (ver punto T). Estosignifica que el común tiene una tensión inferior omás negativa que el terminal S del FET.

Como no hay caída de tensión en la resistencia RG (se explicó anteriormente) latensión en VG es inferior a la tensión en VS. De esta manera se logra polarizar lacompuerta G del FET con una sola batería y a este tipo de polarización se lellama autopolarización.

6.3. Amplificadores En Cascada





Autopolarización











Autopolarización







Con el objeto de obtener mayor ganancia de la señal, es posible a partir de unasola etapa amplificadora, se ponen en cascada varias etapas.

En un amplificador en cascada, la etapa de salida de un amplificador se acopla ala entrada de la siguiente etapa.

Si las etapas no interactúan, es decir, si no hay un cambio apreciable de laganancia o en algún otro parámetro de una etapa individual cuando se pone encascada, 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).

Entrada salidaA1 A2 An

UNIDAD No 3

AMPLIFICADORES

CAPITULO 7

7. AMPLIFICADORES DE POTENCIA

7.1. GENERALIDADES

La primera clasificación que podemos hacer con los amplificadores vienedeterminada por las frecuencias con las que van a trabajar.

Si las frecuencias están comprendidas dentro de la banda audible losamplificadores reciben el nombre de amplificadores de audio frecuencia oamplificadores de Baja frecuencia. (amplificadores A.F. o amplificadores B.F.,respectivamente).

Dentro de las dos gamas de amplificadores vistas, también, podemos hacer unaclasificación atendiendo a su forma de trabajo:

a) Amplificadores de tensión: son los que su principal misión es suministraruna tensión mayor en su salida que en su entrada

b) Amplificadores de potencia: aquellos que, aparte de suministrar una mayortensión, suministran también un mayor corriente (amplificación de tensión yamplificación de corriente y, por ende, amplificación de potencia)

Podemos, según esto, tener: amplificadores de tensión (tanto para B.F. comopara R.F.) y amplificadores de potencia (también, para ambas gamas defrecuencias). En este tema únicamente vamos a entrar en los amplificadores depotencia, que son los que nos interesan para iniciar el campo de las R.F., el restolos damos por estudiados y aprendidos (porque son los montajes deamplificadores que se estudian en los principios básicos).

7.2. Clasificación de amplificadores de potencia

Este tipo de amplificadores (amplificadores de potencia, ya sean para B.F. o paraR.F.), tienen la particularidad de que en su salida tenemos ganancia de tensión yde corriente con respecto a la señal de entrada. Este tipo de amplificadorespueden entregarnos en su salida toda la señal de entrada o una parte de lamisma; atendiendo a esta característica, los amplificadores de potencia,podemos clasificarlos de la siguiente forma:

7.2.1. Amplificadores de clase A:

Un amplificador de potencia funciona en clase A cuando la tensión depolarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseenvalores tales que hacen que la corriente de salida circule durante todoel período de la señal de entrada.

7.2.2. Amplificadores de clase B:

Un amplificador de potencia funciona en clase B cuando la tensión depolarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseenvalores tales que hacen que la corriente de salida circule durante unsemiperíodo de la señal de entrada.

7.2.3. Amplificadores de clase AB:

son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificadorde potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y laamplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales quehacen que la corriente de salida circule durante menos de un período ymás de un semiperíodo de la señal de entrada.

7.2.4. Amplificadores de clase C:

Un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión depolarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseenvalores tales que hacen que la corriente de salida circule durantemenos de un semiperíodo de la señal de entrada.

Alguien puede que haya visto, en algún libro o manual de reparación, unanotación 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 siexistía (el 2), esto era debido a que en la polarización de la válvula, la reja sehacía positiva con respecto al cátodo (para los que nunca hayan oído hablar delas válvulas, diremos, que la reja se correspondería con la base de un transistor yel cátodo con el terminal de salida, que en los transistores, dependiendo del tipode conexión, puede ser el emisor o el colector).

En los amplificadores de clase A no hay nunca corriente de reja (base) por lo quees indiferente decir que el amplificador es de clase A1 o de clase A. Lo contrarioocurre en los amplificadores de clase C donde siempre va a existir corriente dereja (base), en este caso es indiferente decir que el amplificador es de clase C2 ode clase C (a secas). En los amplificadores de clase B y AB, puede que exista ono la corriente de base (o reja) por lo que sí es importante que nos especifiquenel tipo de amplificador del que se trata (AB1 diría que no tiene corriente de base yB2 indicaría que sí hay corriente de base). Este tipo de notación tambiénpodemos encontrarla en los amplificadores transistorizados.

CAPITULO 8

8. EL AMPLIFICADOR DE TENSIÓN

8.1. Generalidades

Nos centrarnos en un único montaje: el amplificador de tensión clase A conconexión emisor común.

En este tipo de montaje, para que elamplificador nos entregue en su salida laseñal de entrada convenientementeamplificada, y sin recortes de esta señal,debemos polarizar el transistor de forma queen reposo la tensión de polarización de labase (Vb) lleve a éste, al transistor, a unpunto medio, aproximadamente, de su curvacaracterística estática (gráfico inferior).

Estas curvas del transistor son diferentes para cada carga conectada a la salidadel transistor y junto con la recta de carga nos sirven para determinar lacaracterística de transferencia dinámica del transistor, es decir, la relación entrela corriente de colector y la corriente de base (en el tipo de montaje que estamosexaminando).

Otra característica, de este tipo de amplificadores, era que la señal de salida saleinvertida con respecto a la señal de entrada (por eso se le denomina, también,"amplificador inversor de fase"), es decir cuando la señal de entrada seencuentra en el valor de pico del semiciclo negativo, en la salida nosencontraremos en el pico del semiciclo positivo.

8.2. Clasificación8.2.1. Amplificadores clase B

Uno de los principales inconvenientes de los amplificadores en clase A es que, enreposo, están consumiendo corriente por lo que el rendimiento de conversión sehace bastante bajo.

Para mejorar este rendimiento, y por tanto aprovechar al máximo la potenciaentregada por la fuente de alimentación, los amplificadores se suelen construir enclase B

Por norma general, los amplificadores que se van a hacer trabajar en clase B, semontan con transistores que trabajen en contrafase (push-pull); con el fin deminimizar los armónicos que se pueden generar en este tipo de montajes, estosamplificadores adoptan una serie de montajes determinados.

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 sucurva de respuesta es casi continua, la continuación en las senoides de la señalde salida es uniforme; en el amplificador de clase B (en rojo), debido aldesplazamiento de las curvas, se produce un pequeño salto entre las senoidesde la señal de salida (se producen armónicos).

A este salto entre las dos senoides es a lo que se le conoce como distorsión decruce del amplificador; el "aplanamiento" al que tiende la señal es debido a queen la señal de salida se producen armónicos impares de la frecuencia de laseñal.

En este tipo de montajes, una cuestión a tener en cuenta (muy importante) esque los dos transistores deben tener las mismas características en cuanto atensiones, ganancias, etc.

Si no ponemos dos transistores con las mismas características, puede ocurrirque, uno de los semiciclos tenga más amplitud que el otro (debido a que untransistor tiene más ganancia que otro) con lo que aumentaríamos la distorsiónde la etapa.

Para minimizar el efecto de la distorsión de cruce, los transistores se suelenpolarizar de forma que se les introduce una pequeña polarización directa. Conesto conseguimos desplazar las curvas y disminuimos dicha distorsión de cruce.

8.2.2. Amplificador de potencia en contrafase de clase B

En el montaje de la figura, la resistencia Re (resistencia de emisor) debe ser muypequeña (menor de 1 W); el valor de esta resistencia, junto con los valores de R1y R2, deben escogerse de forma que los transistores trabajen con lascondiciones de polarización correctas y que tengan una buena estabilidadtérmica.

El condensador sirve para el desacoplo armónico; a veces, en paralelo con R2 secoloca 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 esose recurre a este tipo de montaje).

8.2.3. Amplificador en contrafase simétrico complementario

En el esquema anterior hemos visto un montaje con dos transistores NPN, aveces se recurre a montar dos transistores de tipo complementario (uno NPN yotro PNP), en este caso el esquema lo vemos en el gráfico siguiente. Estemontaje, además, tiene la particularidad de ser un amplificador en clase B sintransformador de salida, recibe el nombre de amplificador en contrafasesimétrico 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













está bloqueado. En el semiciclo negativo el que conduce es el transistor NPN; elPNP, en este caso, está bloqueado.

8.2.4. 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 suelerecurrir a montajes como el que vemos en la imagen de arriba; ese montaje nodifiere de los esquemas estudiados hasta ahora, la única salvedad es que, envez de tener un transformador de salida, el amplificador ataca directamente elaltavoz; con este tipo de montaje hacemos que el amplificador rinda un 15% másque si utilizásemos dicho transformador.

En esta ocasión (esquema superior) el altavoz es de doble bobinado; debido a lacomplejidad de fabricación de estos altavoces, se recurre a montajes como el dela figura inferior, en el que se puede apreciar que el altavoz, a pesar de no tenertransformador de salida, solo tiene un bobinado.









CAPITULO 9

9. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

9.1. Generalidades

El extraordinario desarrollo de la tecnología de los CI monolíticos ha hecho que elamplificador operacional (amp op) sea tal vez el componente con mayorflexibilidad en electrónica. Con una adecuada selección de los elementos deretroalimentación, el amplificador operacional se puede utilizar como amplificadorde ganancia variable de precisión, como amortiguador, sumador, fuente decorriente, convertidor, oscilador y en otras muchas aplicaciones más. Por logeneral su campo se encuentra limitado por la ingenuidad y falta de imaginacióncon que se utilicen.

Un amplificador operacional (A.O., habitualmente llamado op-amp) es uncircuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tienedos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradasmultiplicada por un factor (G) (ganancia):

Vout = G·(V+ − V−)

El primer amplificador operacional monolítico data de los años 1960, era elFairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709(1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tardesería sustituido por el popular Fairchild μA741(1968), de David Fullagar, yfabricado 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, unancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo derespuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita tambiénse dice que las corrientes de entrada son cero.

Notación

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 enlos A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJTson VCC y VEE.

Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricospor claridad.

9.2. Comportamiento En Continua (DC)

Lazo abierto

Si no existe realimentación la salida del A.O. será la resta de sus dos entradasmultiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000 (que seconsiderará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si ladiferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000V. Debidoa la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en laalimentación, el A.O. estará saturado si se da este caso. Si la tensión más alta esla aplicada a la patilla + la salida será la que corresponde a la alimentación VS+,mientras que si la tensión más alta es la del pin - la salida será la alimentación VS-.


Los terminales son:





Lazo abierto



Los terminales son:





Lazo abierto


Lazo cerrado

Se conoce como lazo a la realimentación en un circuito. Aquí se supondrárealimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuraciónse parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone quela 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 patillatambién se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce,disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tieneque la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con elmismo valor.

Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximacionespara analizar el circuito:

V+ = V-

I+ = I- = 0

9.3. 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 delimitaciones)

Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op

Análisis

Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, perouno habitual es:

1. Comprobar si tiene realimentación negativa2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado

anterior3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito4. 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 saberla corriente que sale de ellos)

5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar latensión en los nodos donde no se conozca.

Configuraciones

Esta es una aplicación sin la realimentación. Compara entre las dosentradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puedeusar para adaptar niveles lógicos.

9.4. Tipo De Circuitos9.4.1. Seguidor

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a laentrada

Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptarimpedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con bajaimpedancia y viceversa)

Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin


Configuraciones







Configuraciones






Zin = ∞

9.4.2. Inversor

Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (enforma) 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 deR1

Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a estaconfiguración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración delderivador, integrador, sumador.

9.4.3. No inversor

Zin = ∞

9.4.2. Inversor







9.4.3. No inversor

Zin = ∞

9.4.2. Inversor







9.4.3. No inversor

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero comoconocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltajeen el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en elpin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida conel voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

Zin = ∞

9.4.4. 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

9.4.5. Restador


Zin = ∞




9.4.5. Restador


Zin = ∞




9.4.5. Restador

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 Zin = R1 + R2

9.4.6. 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 cualquierseñal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hastasaturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemasretroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que













definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable deestado en el voltaje de su capacitor.

9.4.7. 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 sedebe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se terminaamplificando el ruido por mucho.

9.4.8. 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









9.5. Aplicaciones










9.5. Aplicaciones


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 característicasideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podráentender 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 bajaamplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener unasalida 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, protecciónfrente a cortocircuitos.

Ejemplo del 741

Diagrama electrónico del operacional 741.

En el diagrama se destaca en azul el amplificador diferencial. Éste es elresponsable de que las corrientes de entrada no sean cero, pero si respecto a lasde los colectores (Nótese como a pesar de aproximar las corrientes de entrada a0, si éstas realmente fueran 0 el circuito no funcionaría). La impedancia de entradaes de unos 2MΩ.

Las etapas en rojo son espejos de corriente. El superior de la izquierda sirve parapoder soportar grandes tensiones en modo común en la entrada. El superior de laderecha proporciona una corriente a la circuitería de salida para mantener latensión. El inferior tiene una baja corriente de colector debido a las resistencias de5kΩ. Se usa como conexión de gran impedancia a la alimentación negativa parapoder tener una tensión de referencia sin que haya efecto de carga en el circuitode entrada.

Los pines llamados Offset null son usados para eliminar las tensiones de offsetque pueda haber en el circuito.

La etapa de ganancia en tensión es NPN.

La sección verde es un desplazador de tensión. Esto proporciona una caída detensión constante sin importar la alimentación. En el ejemplo 1V. Esto sirve paraprevenir la distorsión.

El condensador se usa como parte de un filtro paso bajo para reducir la frecuenciay prevenir que el A.O oscile.

La salida en celeste es un amplificador PNP seguidor con emisor push-pull. Elrango de la tensión de salida es de un voltio menos a la alimentación, la tensióncolector-emisor de los transistores de salida nunca puede ser totalmente cero. Lasresistencias de salida hacen que la corriente de salida esté limitada a unos 25mA.La resistencia de salida no es cero, pero con realimentación negativa se aproxima.

Parámetros

Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensión en ausencia derealimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) ologarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.

Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambasentradas del operacional.

Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través deresistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que susalida tome el valor cero.

Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas deloperacional que hace que su salida tome el valor cero.

Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensión entre lasentradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de lasespecificaciones.

Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circulapor las entradas del operacional en ausencia de señal

Slew rate. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máximarespecto de la variación del tiempo. Se mide en V/μs, kV/μs o similares.

Relación de Rechazo en Modo Común (RRMC,o CMRR en sus siglasen inglés). Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia enmodo común.

Limitaciones

Saturación

Un A.O.L típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta,normalmente algunos voltios menos. Cuando se da este valor se dice que satura,pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemploen circuitos comparadores.

Un concepto asociado a éste es el Slew rate (analisis básico de bajo flujo recoltor).

Tensión de offset

Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuandola tensión de salida es nula, este votltaje es cero en un amplificador ideal lo cualno se obtiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero pormedio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos deoperacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo dela temperatura (T) del operacional como sigue:

Donde T0 es una temperatura de referencia.

Un parámetro importante, a la hora de calcular las contribuciones a la tensión deoffset en la entrada de un operacional es el CMRR (Rechazo al modo común).

Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, aesto se le llama PSRR (power supply rejection ratio, relación de rechazo a lafuente de alimentación). La PSRR es la variación del voltaje de offset respecto a lavariación de los voltajes de alimentación, expresada en dB. Se calcula comosigue:

Corrientes

Saturación



Tensión de offset





Corrientes

Saturación



Tensión de offset





Corrientes

Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelenproporcionar:

IOFFSET = | I + − I − |

Idealmente ambas deberían ser cero.

Característica tensión-frecuencia

Al A.O. típico también se le conoce como amplificador realimentado en tensión(VFA). En él hay una importante limitación respecto a la frecuencia: El producto dela ganancia en tensión por el ancho de banda es constante.

Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador conesta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios. Alrealimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambiode tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. paratrabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima mantener lascaracterísticas a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio unmenor valor de ganancia u otro aspecto técnico. B

Capacidades

El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen unadisminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.

Deriva térmica

Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con latemperatura, los A.O. también cambian sus características, en este caso hay quediferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las corrientes anterioresvariarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.


IOFFSET = | I + − I − |





Capacidades


Deriva térmica



IOFFSET = | I + − I − |





Capacidades


Deriva térmica


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208044 MODULO ELECTRONICA BASICA

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