MODULO ELECTRÓNICA ANÁLOGA OMAR TOVAR TOVAR

MODULO
ELECTRÓNICA ANÁLOGA
OMAR TOVAR TOVAR
Editado por:
IVAN CAMILO NIETO SÁNCHEZ
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD BOGOTA
2010
GUÍA DIDÁCTICA
ELECTRÓNICA ANÁLOGA
@Copyright
Universidad Nacional Abierta y a Distancia
ISBN
2009
Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje
Primera versión: febrero 7 de 2009
OMAR TOVAR TOVAR
ÍNDICE
PRIMERA UNIDAD
FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES
CAPÍTULOS 1 GENERALIDADES DE LOS SEMICONDUCTORES
1. Historia de los semiconductores
2. Conceptos y elementos de los semiconductores
3. Clases de semiconductores
CAPITULO 2 DIODOS SEMICONDUCTORES
1.
2.
3.
4.
5.
Símbolo de un Diodo
Clases de diodos
Polarización de un diodo
Curvas características del diodo.
Diodos de propósitos especial
CAPITULO 3 TRANSISTORES BIPOLARES
1.
2.
3.
4.
5.
Descripción.
Tipos de transistores de unión bipolar.
Funcionamiento básico.
Polarización de un transistor.
Zona de trabajo.
SEGUNDA UNIDAD
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO
CAPITULO 4 TRANSISTORES FET
1.
2.
3.
4.
Tipo de FET.
Operación y construcción de FET.
Características de funcionamiento.
Principales aplicaciones.
CAPITULO 5 MOSFET
1. Breve historia.
2. Funcionamiento.
3. Estado de funcionamiento de un transistor MOSFET.
4. Aplicaciones.
5. Ventajas.
CAPITULO 6 Amplificadores
1. Generalidades
2. Amplificadores de señal pequeña
3. Amplificadores en Cascada
TERCERA UNIDAD
AMPLIFICADORES
CAPITULO 7 Amplificadores de Potencia
1. Generalidades
2. Clasificación
CAPITULO 8 Amplificadores de tensión
1. Generalidades
2. Clasificación
CAPITULO 9 Amplificadores Operacionales
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Generalidades
Comportamiento en continua (CD).
Comportamiento en Alterna (CA).
Tipos de circuitos.
Clasificaciones
Estructuras
UNIDAD No 1
FUNDAMENTOS DE SEMICONDUCTORES
CAPITULO 1
1. Generalidades De Los Semiconductores
1.1. Historia De Los Semiconductores
En los últimos años las investigaciones realizadas por un gran número de
científicos, sobre el comportamiento al paso de la corriente eléctrica en los
materiales llamados semiconductores, han dado por resultado una serie de
descubrimientos y adelantos de tal naturaleza que su desenlace es casi imposible
prever.
Desde que apareció la primera aplicación en 1915 con el detector de galena, hasta
1939-40, 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 el
diodo de túnel; en 1958 el tecnetrón, y en 1960 los circuitos integrados, etc. .Quizá
ninguna técnica ha hecho tan rápidos progresos como la de los semiconductores,
los cuales son capaces de representar los mismos papeles que los tubos de vacío,
pero con numerosas ventajas.
El más conocido de estos elementos es el transistor que, sin embargo, no es más
que un brillante representante de un grupo vastísimo.
Por medio de los métodos químicos y físicos habituales, y la paciencia de grandes
científicos es imposible descubrir estos residuos tan nimios de impurezas. Ha sido
necesario idear nuevos procedimientos de análisis basados en los fenómenos
eléctrico-magnéticos, fotomagneto-eléctricos, etc.
Antes de 1940, los fenómenos que se desarrollaban en los semiconductores eran,
desde muchos puntos de vista, bastante misteriosos. La conductibilidad eléctrica
de estos cuerpos, siendo notablemente inferior a la de los metales, no era
suficientemente alta para considerarlos como aislantes; además, en muchos casos
aumentaba rápidamente la conductibilidad con la temperatura, lo que constituía un
fenómeno desconocido en los metales.
Actualmente, en el vasto campo de los semiconductores se emplean mezclas de
óxidos de metales: cobre, uranio, manganeso, níquel, cobalto, hierro, etc., según
sea su aplicación y el fenómeno que se desee utilizar, pues en unos su resistencia
eléctrica varia con el calor, en otros con el potencial eléctrico empleado, en otros
aún con la luz o con la cantidad de flujo magnético a que estén sometidos.
También son muy empleados el selenio, el silicio, el germanio, etc., y ahora
empiezan a emplearse combinaciones como antimoniouro de indio, seleniuro de
cadmio, sulfuro de plomo, etc. Igualmente se utilizan mezclas de óxidos tales
como el óxido ferroso-férrico o magnetita y combinaciones oxigenadas de titanio,
Magnesio, Cromo, Circonio, etc. El Titanato de cinc y el Aluminato de Magnesio,
etc. , se emplean principalmente para la fabricación de los llamados termistores,
cuyo nombre deriva de la contracción del término inglés thermal-resistor
(resistencia térmica) o resistencias NTC ( Negative Temperature Coefficient ).
En el año 1947 un grupo de científicos de los Laboratorios BELL, John Bardeen,
William Shockley y Walter Brattain, descubrieron uno de los primeros
Semiconductores que podría reemplazar al TUBO, y ese sería el DIODO hecho de
GERMANIO (ubicado en la TABLA PERIÓDICA dentro del grupo de los
Metaloides), que teniendo una cierta cantidad de impurezas podría trabajar como
rectificador.
1.2.
Concepto Y Elementos Semiconductores
Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como
aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los
elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla
siguiente.
Elemento
Cd
(Cadmio)
Grupo
Electrones en
la última capa
II B
2 e-
Al, Ga, B, In
(Aluminio, Galio, Boro, Indio)
Si, Ge
(Silicio, Germanio)
P, As, Sb
(Fosforo, Arsénico, Antimonio)
Se, Te, (S)
(Selenio, Telurio, Asufre)
III A
3 e-
IV A
4 e-
VA
5 e-
VI A
6 e-
El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico
comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III
con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y
SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre.
La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio
una configuración electrónica s²p².
1.3. Clases De Semiconductores
1.3.1.
Semiconductores Intrínsecos
Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono
mediante enlaces covalentes entre sus átomos. Cuando el cristal se encuentra a
temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía
necesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en
la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de
1,12 y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones
pueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de
conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este
fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada
temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se
igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece
invariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la
concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:
ni = n = p
siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la
temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos
corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres
de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los
electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos
(2), originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo
eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de
conducción.
1.3.2.
Semiconductores Extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño
porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el
semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.
Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina
sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.
1.3.2.1.
Semiconductor Tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado
añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el
número de portadores de carga libres (en este caso negativas o electrones).
Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más
débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente
dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus
electrones.
El propósito del dopaje tipo n es el de producir abundancia de electrones
portadores en el material. Para ayudar a entender como se produce el dopaje tipo
n considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia
atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los
átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales
como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o
antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio,
entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado.
Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres", el
número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en
ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los
portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de
valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores.
Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion
dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga
eléctrica neta final de cero....
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 el
número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente
vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también
conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido
un electrón son conocidos como huecos.
CAPITULO 2
2. DIODOS SEMICONDUCTORES
Presentación física de los diodos semiconductores.
Tipos de diodos de estado sólido
Diodo de alto vacío
Un diodo (del griego "dos caminos") es un dispositivo semiconductor que permite
el paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características
similares a un interruptor. De forma simplificada, la curva característica de un
diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se
comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un
cortocircuito con muy pequeña resistencia eléctrica.
Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son
dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. Su
principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.
2.1.
Símbolos De Un Diodo Semiconductor
Los diodos semiconductores se representan:
Símbolos gráficos
El material tipo P recibe el nombre de ánodo
El material tipo N recibe el nombre de cátodo.
La flecha indica el sentido convencional de la corriente
2.2.
Clases De Diodos
2.2.1. Diodo pn o Unión pn
Los diodos pn, son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos
p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar
que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en
cada cristal, el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos
decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0).
Formación de la zona de carga espacial
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p
(Je).
Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados
de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga
espacial, de agotamiento, de deplexión, de vaciado, etc.
A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va
incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la
unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones
negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los
electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento,
que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión
entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V 0) es de 0,7 V en el caso del
silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.
La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser
del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado
que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.
Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito,
tal que no se encuentra sometido a una diferencia de potencial externa, se dice
que no está polarizado. Al extremo p, se le denomina ánodo, representándose por
la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C (o K).
Existen también diodos de protección térmica los cuales son capaces de proteger
cables.
A (p)
C ó K (n)
Representación simbólica del diodo pn
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el
diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.
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 carga
espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es
decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo
positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas
condiciones podemos observar que:




El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo
que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p,
esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor
que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones
libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos
del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la
zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p
convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es
atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo
hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo
conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo
electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente
eléctrica constante hasta el final.
2.2.3. Polarización inversa
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo
positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión
en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como
se explica a continuación:


El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los
cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se
desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres
abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al
verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren
estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y
átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones
positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes
de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de
valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con

los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el
electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los
electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de
estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8
electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1,
convirtiéndose así en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial
adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al
efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la
unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada
corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada
corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce
una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los
átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro
enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos
de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su
orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos.
No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial
de fuga es despreciable.
2.3.
Curva característica del diodo

Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).
La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización
directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo
no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial
se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1% de
la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral,
la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos
de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

Corriente máxima (Imax ).
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin
fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor
que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.

Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo
por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura,
admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10º en la temperatura.

Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver
polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al
diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de
fugas.

Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el
efecto avalancha.
Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente
inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la
tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto
avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la
ruptura puede deberse a dos efectos:


Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se
generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de
saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran
incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones
de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos
electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión,
chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El
resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente
grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a
6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material,
menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E
puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d;
cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo
eléctrico será grande, del orden de 3·10 5 V/cm. En estas condiciones, el
propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia
incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V
o menores.
Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como
los Zener, se puede producir por ambos efectos.
Modelos matemáticos
El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William
Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la
mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la
diferencia de potencial es:
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 de
2 (para el silicio).
El término VT = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del
orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K ó 27 ºC).
2.4.
Diodos De Proposito Especial.
2.4.1. Diodo avalancha
Un diodo avalancha, es un diodo semiconductor diseñado especialmente para
trabajar en tensión inversa.
En estos diodos, poco dopados, cuando la tensión en polarización inversa alcanza
el valor de la tensión de ruptura, los electrones que han saltado a la banda de
conducción por efecto de la temperatura se aceleran debido al campo eléctrico
incrementando su energía cinética, de forma que al colisionar con electrones de
valencia los liberan; éstos a su vez, se aceleran y colisionan con otros electrones
de valencia liberándolos también, produciéndose una avalancha de electrones
cuyo efecto es incrementar la corriente conducida por el diodo sin apenas
incremento de la tensión.
USOS

Protección
La aplicación típica de estos diodos es la protección de circuitos electrónicos
contra sobretensiones.
El diodo se conecta en inversa a tierra, de modo que mientras la tensión se
mantenga por debajo de la tensión de ruptura sólo será atravesado por la corriente
inversa de saturación, muy pequeña, por lo que la interferencia con el resto del
circuito será mínima; a efectos prácticos, es como si el diodo no existiera. Al
incrementarse la tensión del circuito por encima del valor de ruptura, el diodo
comienza a conducir desviando el exceso de corriente a tierra evitando daños en
los componentes del circuito.

Fuentes de ruido de RF
Los diodos avalancha generan ruido de radio frecuencia; son comúnmente
utilizados como fuentes de ruido en equipos de radio frecuencia.
También son usados como fuentes de ruido en los analizadores de antena y como
generadores de ruido blanco.
2.4.2. Fotodiodo
Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la
incidencia de la luz visible o infrarroja.
Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se
producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz.
Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas,
es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el
positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en
ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad.
Principio de operación
Un fotodiodo es una unión P-N o estructura P-I-N. Cuando una luz de suficiente
energía llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con
carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a
una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el
campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente.
2.4.3. Diodo Gunn
Es una forma de diodo usado en la electrónica de alta frecuencia. A diferencia de
los diodos ordinarios construidos con regiones de dopaje P o N, solamente tiene
regiones del tipo N, razón por lo que impropiamente se le conoce como diodo.
Existen en este dispositivo tres regiones; dos de ellas tienen regiones tipo N
fuertemente dopadas y una delgada región intermedia de material ligeramente
dopado. Cuando se aplica un voltaje determinado a través de sus terminales, en la
zona intermedia el gradiente eléctrico es mayor que en los extremos.
La frecuencia de la oscilación obtenida a partir de este efecto, es determinada
parcialmente por las propiedades de la capa o zona intermedia del diodo, pero
también puede ser ajustada exteriormente.
Los diodos Gunn son usados para construir osciladores en el rango de frecuencias
comprendido entre los 10 Gigahertz y frecuencias aún más altas (hasta Terahertz).
Este diodo se usa en combinación con circuitos resonantes construidos con guias
de ondas, cavidades coaxiales y resonadores YIG (monocristal de granate Itrio e
hierro, Yttrium Iron Garnet por sus siglas en inglés) y la sintonización es realizada
mediante ajustes mecánicos, excepto en el caso de los resonadores YIG en los
cuales los ajustes son eléctricos.
Los diodos Gunn suelen fabricarse de arseniuro de galio para osciladores de hasta
200 GHz, mientras que los de Nitruro de Galio pueden alcanzar los 3 Terahertz.
2.4.4. Diodo láser
El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que
bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos
láser de inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD.
Algunas aplicaciones






Comunicaciones de datos por fibra óptica.
Lectores de CDs, DVDs y formatos derivados.
Interconexiones ópticas entre circuitos integrados.
Impresoras láser.
Escáneres o digitalizadores.
Sensores.
2.4.5. Diodo LED (e IRED)
Diodo emisor de luz, también conocido como LED
es un dispositivo
semiconductor (diodo) que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se
polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente
eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia. El color (longitud
de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del
diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta el
infrarrojo. Los diodos emisores de luz que emiten luz ultravioleta también reciben
el nombre de UV LED (UltraV'iolet Light-Emitting Diode) y los que emiten luz
infrarroja suelen recibir la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode).
2.4.6. Diodo p-i-n
Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia
semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura
P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se
sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa n de
alta resistividad (ν).
El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:




conmutador de RF
resistencia variable
protector de sobretensiones
fotodetector
2.4.7. Diodo Schottky o diodo de barrera Schottky
El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico
alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona
conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa
(menos de 1ns en dipositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas
tensiones umbral (también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés
se refieren a ella como "knee", o sea, de rodilla). La tensión de codo es la
diferencia de potencial mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor
en lugar de circuito abierto; esto, claro, dejando de lado la región Zener, que es
cuando más bien existe una diferencia de potencial lo suficientemente negativa
para que -a pesar de estar polarizado en contra del flujo de corriente- éste opere
de igual forma como lo haría regularmente.
2.4.8. Diodo Shockley (diodo de cuatro capas)
Un diodo Shockley es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estados
estables: OFF o de alta impedancia y ON o baja impedancia. No se debe confundir
con el diodo de barrera Schottky.
Está formado por cuatro capas de semiconductor tipo n y p, dispuestas
alternadamente. Es un tipo de tiristor.
2.4.9. Diodo túnel o diodo Esaki
El Diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se
produce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en
un cierto intervalo de la característica corriente-tensión.
La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como
componente activo (amplificador/oscilador).
2.4.10.
Diodo Varicap
El Diodo de capacidad variable o Varactor (Varicap) es un tipo de diodo que
basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de
potencial en una unión PN varie en función de la tensión inversa aplicada entre
sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera,
disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un
condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos
van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V.
La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV,
modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores
controlados por voltaje (Oscilador controlado por tensión).
2.4.11.
Diodo Zener
Un diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en
las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el
diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con
independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de
la resistencia de carga y temperatura.
El diodo Zener se representa en los esquemas con el siguiente símbolo:
2.5.
Circuito Equivalente De Un Diodo Ideal
Si el diodo está polarizado directamente, su circuito equivalente es el un
conmutador cerrado, la resistencia es pequeña.
Con polarización inversa, el circuito representa un conmutador abierto, gran
resistencia.
CAPITULO No 3
3.
TRANSISTORES BIPOLARES
3.1. Descripción
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas
BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN
muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de
sus terminales.
Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica.
También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o
BICMOS.
Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal
semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan
formadas tres regiones:



Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada,
comportándose como un metal.
Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Colector, de extensión mucho mayor.
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 diferentes
regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día
son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los
"huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades
de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P
(la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente
ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida
del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta
en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo
está en funcionamiento activo.
PNP
El otro tipo de transistor bipolar de juntura es el PNP con las letras "P" y "N"
refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del
transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN
brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N
entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente
operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la
fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña
corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule
desde el emisor hacia el colector.
La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la
dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en
funcionamiento activo.
Transistor NPN
Estructura de un
transistor NPN
Transistor
PNP
Estructura de un
transistor PNP
Transistor Bipolar de Heterounión
El transistor bipolar de heterounión (TBH) es una mejora del BJT que puede
manejar señales de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es un
dispositivo muy común hoy en día en circuitos ultrarrápidos, generalmente en
sistemas de radiofrecuencia.
Los transistores de heterojuntura tienen diferentes semiconductores para los
elementos del transistor. Usualmente el emisor está compuesto por una banda de
material más larga que la base. Esto ayuda a reducir la inyección de portadores
minoritarios desde la base cuando la juntura emisor-base está polarizada en
directa y esto aumenta la eficiencia de la inyección del emisor. La inyección de
portadores mejorada en la base permite que esta pueda tener un mayor nivel de
dopaje, lo que resulta en una menor resistencia. Con un transistor de juntura
bipolar convencional, también conocido como transistor bipolar de homojuntura, la
eficiencia de la inyección de portadores desde el emisor hacia la base está
principalmente determinada por el nivel de dopaje entre el emisor y la base.
Debido a que la base debe estar ligeramente dopada para permitir una alta
eficiencia de inyección de portadores, su resistencia es relativamente alta.
3.3.
Funcionamiento Básico
Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base del
transistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya que, toda la tensión se
encuentra entre Colector y Emisor. (Figura 1).
F.1
F.2
Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por la
Base. Así el transistor disminuirá su resistencia entre Colector y Emisor por lo que
pasará una intensidad muy grande, haciendo que se encienda la lámpara. (Figura
2).
En general: IE > IC > IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE
3.4.
Polarizacion De Un Transistor
Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo
mismo polarizar un transistor NPN que PNP.
Polarización de un transistor NPN
Polarización de un transistor PNP
Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamente
y la unión base - colector inversamente.
3.5.
Zonas De Trabajo
CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y
Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El
transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.
IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat
SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un
incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor
entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma,
se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en
el Colector.
 IB  IC ; Vbat = RC X IC.
ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente.
Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en
conmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor.
La ganancia de corriente es un parámetro también importante para los
transistores ya que relaciona la variación que sufre la corriente de colector para
una variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus
hojas de características, también aparece con la denominación hFE. Se expresa de
la siguiente manera:
β = IC / IB
En resumen:
Saturación
Corte
Activa
VCE
≈0
≈ VCC
Variable
VRC
≈ VCC
≈0
Variable
IC
Máxima
= ICEO ≈ 0
Variable
IB
Variable
=0
Variable
VBE
≈ 0,8v
< 0,7v
≈ 0,7v
Los encapsulados en los transistores dependen de la función que realicen y la
potencia que disipen, así nos encontramos con que los transistores de pequeña
señal tienen un encapsulado de plástico, normalmente son los más pequeños (
TO- 18, TO-39, TO-92, TO-226 ... ); los de mediana potencia, son algo mayores y
tienen en la parte trasera una chapa metálica que sirve para evacuar el calor
disipado convenientemente refrigerado mediante radiador (TO-220, TO-218, TO247...) ; los de gran potencia, son los que poseen una mayor dimensión siendo el
encapsulado enteramente metálico . Esto, favorece, en gran medida, la
evacuación del calor a través del mismo y un radiador (TO-3, TO-66, TO-123, TO213...).
Para conocer los encapsulados de los transistores más utilizados:
El aspecto de los primeros transistores:
Los transistores unipolares o de Efecto de Campo (FET)
UNIDAD No 2
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO
CAPITULO 4
4.
El transistor de Efecto de Campo
Los Transistores de Efecto de Campo son dispositivos en los que la corriente se
controla mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran una
corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada.
Características generales:
Por el terminal de control no se absorbe corriente.
Una señal muy débil puede controlar el componente
La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico
Se consideran tres tipos principales de FET:
1. FET de unión (JFET)
2. FET metal óxido semiconductor de empobrecimiento (MOSFET de
empobrecimiento)
3. FET metal óxido semiconductor de enriquecimiento (MOSFET de
enriquecimiento)
4.1. Transistor Efecto De Campo FET (Field Effect Transistor) Tipos De FET
Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente
(S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o
de canal N. Sus símbolos son los siguientes:
Símbolo de un FET de canal N
Símbolo de un FET de canal P
Ventajas y desventajas del FET
Las ventajas del FET pueden resumirse como sigue:
1. Son dispositivos sensibles a la tensión con alta impedancia de entrada (del
orden de 107). Como esta impedancia de entrada es considerablemente
mayor que la de los BJT, se prefieren los FET a los BJT para la etapa de
entrada de un amplificador multietapa.
2. Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.
3. Los FET so más estables con la temperatura que los BJT.
4. Los FET son, en general, más fáciles de fabricar que los BJT pues suelen
requerir menos pasos de enmascaramiento y difusiones. Es posible fabricar
un mayor número de dispositivos en un circuito integrado (es decir, puede
obtener una densidad de empaque mayor).
5. Los FET se comportan como resistores variables controlados por tensión para
valores pequeños de tensión de drenaje a fuente.
6. La alta impedancia de entrada de los FET les permite almacenar carga el
tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de
almacenamiento.
7. Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar
corrientes grandes.
Existen varias desventajas que limitan la utilización de los FET en algunas
aplicaciones:
1. Los FET exhiben una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta
capacitancia de entrada.
2. Algunos tipos de FET presentan una linealidad muy pobre.
3. Los FET se pueden dañar al manejarlos debido a la electricidad estática.
4.2.
Operación y Construcción del JFET
Al igual que el BJT, el FET es un dispositivo de tres terminales, pero solo tiene una
unión Pn en vez de dos, como en el BJT. El JFET de canal n se construye
utilizando una cinta de material de tipo n con dos materiales de tipo p difundidos
en ella, uno en cada lado. El JFET de canal p tiene una cinta de material de tipo p
con dos materiales de tipo n difundidos en ella.
El FET es un dispositivo controlado por tensión y se controla mediante v GS. Antes
de analizar estas curvas, tómese nota de los símbolos para los JFET de canal n y
de canal p. Estos símbolos son iguales excepto por la dirección de la flecha.
Conforme se incrementa vGS (más negativo para un canal n y más positivo para un
canal p) se forma la región desértica y se cierra para un valor menor que iD.
Características de transferencia del JFET
De gran valor en el diseño con JFET es la característica de transferencia, que es
una gráfica de la corriente de drenaje, iD, como función de la tensión compuerta a
fuente, vGS, por encima del estrangulamiento.
Por tanto, solo se necesita conocer IDSS y VP, y toda la característica quedara
determinada. Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dos
parámetros, por la que se puede construir la característica de transferencia. El
parámetro de control para el FET es la tensión compuerta-fuente en lugar de la
corriente de base, como en el BJT.
La región entre el estrangulamiento y la ruptura por avalancha se denomina región
activa, región de operación del amplificador, región de saturación o región de
estrangulamiento. La región ohmica (antes del estrangulamiento) a veces se
denomina región controlada por tensión. El FET opera en esta región cuando se
desea un resistor variable y en aplicaciones de conmutación.
La tensión de ruptura es función de vGS así como de vDS. Conforme aumenta la
magnitud entre compuerta y fuente (más negativa para el canal n y más positiva
para el canal p), disminuye la tensión por ruptura. Con v GS = VP, la corriente de
drenaje es cero (excepto por una pequeña corriente de fuga), y con vGS = 0, la
corriente de drenaje se satura a un valor
iD = IDSS
Donde IDSS es la corriente de saturación drenaje a fuente.
Curva Característica De Transferencia
Indican la variación entre la intensidad de drenador en función de la tensión de
puerta.
4.3.
Característica De Funcionamiento.
Los parámetros que definen el funcionamiento de un FET se observan en la
siguiente figura:
Parámetros de un FET de canal N
Parámetros de un FET de canal P
La curva característica del FET define con precisión como funciona este
dispositivo. En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes:
Zona lineal
El FET se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la tensión
VGS.
Zona de saturación
A diferencia de los transistores bipolares en esta zona, el FET, amplifica y
se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión que
existe entre Puerta (G) y Fuente o surtidor (S) , V GS.
Zona de corte
La intensidad de Drenador es nula.
Como en los transistores bipolares existen tres configuraciones típicas: Surtidor
común (SC), Drenador común (DC) y Puerta común (PC). La más utilizada es la
de surtidor común que es la equivalente a la de emisor común en los transistores
bipolares.
Las principales aplicaciones de este tipo de transistores se encuentran en la
amplificación de señales débiles.
Curva Características De Salida





Al variar la tensión entre drenador y surtidor varia la intensidad de drenador
permaneciendo constante la tensión entre puerta y surtidor.
En la zona óhmica o lineal se observa como al aumentar la tensión
drenador surtidor aumenta la intensidad de drenador.
En la zona de saturación el aumento de la tensión entre drenador y surtidor
produce una saturación de la corriente de drenador que hace que esta sea
constante. Cuando este transistor trabaja como amplificador lo hace en esta
zona.
La zona de corte se caracteriza por tener una intensidad de drenador nula.
La zona de ruptura indica la máxima tensión que soportará el transistor
entre drenador y surtidor.
Es de destacar que cuando la tensión entre puerta y surtidor es cero la intensidad
de drenador es máxima.
4.4.
Principales aplicaciones
Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:
APLICACIÓN
PRINCIPAL VENTAJA
USOS
Aislador o
separador (buffer)
Impedancia de entrada
alta y de salida baja
Uso general, equipo de medida,
receptores
Amplificador de RF Bajo ruido
Sintonizadores de FM, equipo para
comunicaciones
Mezclador
Baja distorsión de
intermodulación
Receptores de FM y TV, equipos
para comunicaciones
Amplificador con
CAG
Facilidad para controlar
ganancia
Receptores, generadores de
señales
Amplificador
cascodo
Baja capacidad de
entrada
Instrumentos de medición, equipos
de prueba
Troceador
Ausencia de deriva
Amplificadores de cc, sistemas de
control de dirección
Resistor variable
por voltaje
Se controla por voltaje
Amplificadores operacionales,
órganos electrónicos, controlas de
tono
Amplificador de
baja frecuencia
Capacidad pequeña de
acoplamiento
Audífonos para sordera,
transductores inductivos
Oscilador
Mínima variación de
frecuencia
Generadores de frecuencia patrón,
receptores
Circuito MOS digital Pequeño tamaño
Integración en gran escala,
computadores, memori
CAPITULO 5
5.
MOSFET
MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta
aislada, es un arreglo de cientos de transistores integrados en un sustrato de
silicio. Cada uno entrega una parte a la corriente total.
Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolares
presentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión, Es un dispositivo
extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangular
o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en conmutación. Su
velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos de banda minimizando, así,
lo que se denomina distorsión por fase.
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 acerca
de cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se
pudieron fabricar hasta décadas más tarde. En concreto, para que este tipo de
dispositivos pueda funcionar correctamente, la intercara entre el sustrato dopado y
el aislante debe ser perfectamente lisa y lo más libre de defectos posible. Esto es
algo que sólo se pudo conseguir más tarde, con el desarrollo de la tecnología del
silicio.
5.2.
Funcionamiento
Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado
en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo
opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de
dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se
dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el
dopaje:

Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.
Transistor MOSFET de empobrecimiento canal N

Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
Transistor MOSFET de empobrecimiento canal P
Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el
conductor 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 en
estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador aunque
se aplique una diferencia de potencial entre ambos. También se llama mosfet a los
aislados por juntura de dos componentes..
Conducción lineal
Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se
crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si
esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en
nMOS, huecos en pMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de
conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que
una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El
transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.
Saturación
Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de
conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador
y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es
debida al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la
diferencia de potencial entre ambos terminales.
Modelos matemáticos

Para un MOSFET de canal inducido tipo n en su región lineal:
donde
en la que b es el ancho del canal, μ n la movilidad de los
electrones, ε es la permitividad eléctrica de la capa de óxido, L la longitud del
canal y W el espesor de capa de óxido.

Cuando el transistor opera en la región de saturación, la fórmula pasa a ser
la siguiente:
Estas fórmulas son un modelo sencillo de funcionamiento de los transistores
MOSFET, pero no tienen en cuenta un buen número de efectos de segundo
orden, como por ejemplo:



Saturación de velocidad: La relación entre la tensión de puerta y la corriente
de drenador no crece cuadráticamente en transistores de canal corto.
Efecto cuerpo: La tensión entre fuente y sustrato modifica la tensión umbral
que da lugar al canal de conducción
Modulación de longitud de canal.
5.4.
Aplicaciones
La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo
CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios.
Véase Tecnología CMOS
Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:



Resistencia controlada por tensión.
Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc).
Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
5.5.
Ventajas
La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, nmos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares:





Consumo en modo estático muy bajo.
Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media
micra).
Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.
Funcionamiento por tensión.
Un circuito realizado con MOSFET no necesita resistencias, con el ahorro
de superficie que conlleva.
CAPITULO 6
6.
AMPLIFICADORES
6.1. Generalidades
Un amplificador aumenta, o amplifica la magnitud de una señal eléctrica, y es el
más utilizado para la construcción de sistemas electrónicos, como elemento
individual.
Si el amplificador se optimiza para amplificar la señal de voltaje, se le conoce
como amplificador de voltaje.
En el caso de amplificación de señal de corriente, se denomina amplificador de
corriente.
Y para el caso de proporcionar una señal de potencia, a este generalmente se le
clasifica como amplificador de potencia.
Para que un transistor opere como amplificador debe estar polarizado en la región
activa. El problema de polarización es el de establecer una corriente de cd.
Constante en el emisor (o colector). Esta corriente debe ser predecible e
insensible a variaciones en temperatura.
6.2.
Amplificadores De Señal Pequeña
Los comportamientos de los amplificadores de señal pequeña se puede
determinar con ayuda de algunas ecuaciones sencillas. Estas ecuaciones se
basan en modelos o circuitos equivalentes del amplificador en cuestión. En este
caso los amplificadores BJT y FET de señal pequeñas.
En el análisis de los amplificadores es deseable considerar las escalas
específicas de frecuencias de las señales, esto permitirá el desarrollo de modelos
simples y proporcionará una visión del comportamiento del amplificador.
Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores de señal pequeña
con transistores, cada una de ellas con características especiales que las
hacen mejor para cierto tipo de aplicación, y se dice que el transistor no está
conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de
base (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, y
que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores.
Amplificador emisor común

Características:
Para que una señal sea amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna.
No tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, porque ésta no lleva
ninguna información.
En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de
corrientes (alterna y continua).
La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el
punto de operación del amplificador.
Este punto de operación permitirá que la señal
amplificada no sea distorsionada.
En el diagrama se ve que la base del transistor está
conectada a dos resistores (R1 y R2).
Estos dos resistores forman un divisor de voltaje que
permite tener en la base del transistor un voltaje
necesario para establecer la corriente de polarización de la base.
El punto de operación en corriente continua está sobre una línea de carga
dibujada en la familia de curvas del transistor.
Esta línea está determinada por fórmulas que
se muestran.
Hay dos casos extremos:
- Cuando el transistor está en saturación (Ic
max.), que significa que Vce es
prácticamente 0 voltios y....
- Cuando el transistor está en corte (Ic = 0),
que significa que Vce es prácticamente igual
a Vcc. Ver la figura.
Si se modifica R1 y/o R2 el punto de operación se modificará para arriba o para
abajo en la curva pudiendo haber distorsión
Si la señal de entrada (Vin) es muy grande, se recortarán los picos positivos y
negativos de la señal en la salida (Vout)
Amplificador colector común
El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útil
pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.
Nota: La impedancia de entrada alta es una característica deseable en un
amplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle
mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pasa la señal que se desea amplificar.
Este circuito no tiene resistencia en el colector y la salida está conectada a la
resistencia del emisor (ver la figura).
El voltaje se salida "sigue" al voltaje en el emisor, sólo
que es de un valor ligeramente menor (0.6 voltios
aproximadamente)
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 menor
a 1.
La impedancia de entrada se obtiene con la siguiente fórmula: Zin = (β + 1) x
Re
Donde: β es la ganancia de corriente del transistor (dato del fabricante)
Del gráfico anterior. Si Re = 2.2 Kilohmios (2.2 K) y β = 150
Zin = (β + 1) x Re = (150 + 1) x 2200 Ohmios = 332,000 Ohmios (332 K)
Este amplificador aparenta una impedancia de entrada de 332,000 Ohmios a la
fuente de la señal que se desea amplificar. Este tipo de circuito es muy utilizado
como circuitos separadores y como adaptadores de impedancia entre las fuentes
de señal y las etapas amplificadoras
6.2.2. Presentación De Amplificadores Tipo Fet
El transistor FET (Transistor de efecto de campo) se puede utilizar como
elemento activo de muchos amplificadores. Una de las configuraciones es:
El Amplificador seguidor de cátodo al que se le conoce también con el nombre
de circuito drenador común o ánodo común
Este tipo de amplificador tiene una baja impedancia de salida, por lo que es
utilizado principalmente como adaptador de impedancias.
La salida se obtiene del resistor RS y la ganancia es aproximadamente igual a 1.
Esta ganancia no es 1 debido a que existe una pequeña diferencia de tensión
entre la entrada (patilla compuerta G) y la salida (patilla fuente S): VGS.
La ganancia de este amplificador se obtiene con la ayuda de la fórmula:
AV = gm x Rs / [ 1 + (gm x Rs) ]
De la fórmula se deduce que la señal de salida está en fase con la señal de
entrada pues no existe el signo menos que indica inversión de fase
La impedancia de salida se obtiene con la siguiente fórmula:
Ro = Rs / [ 1 + (gm x Rs) ]
Amplificadores con FET (transistor efecto de campo)
Amplificador surtidor común
El FET, por sus características especiales, (alta impedancia de entrada, mejor
respuesta de frecuencia que los transistores bipolares, bajo ruido) se utiliza con
frecuencia en amplificadores.
En el primer circuito se grafica un amplificador que utiliza dos baterías (después
de verá cómo hacerlo funcionar con solo una)
La batería VGG se utiliza para polarizar la compuerta del transistor. La tensión en
la compuerta será negativa (-VGG), pues no hay caída de tensión, en corriente
continua, en la resistencia RG.
(Acordarse de que no hay paso de corriente entre la compuerta G y el surtidor S
y la corriente que suministra la fuente Vin es de corriente alterna)
De esta manera la tensión en la compuerta será más negativa que la tensión en
el surtidor.
Autopolarización
Para utilizar sólo una batería, la batería de polarización VGG se reemplaza por
un resistor Rs, que se conecta entre el terminal surtidor S y el común (ver punto
T). La corriente continua que pasa por el surtidor también pasará por el resistor
RS y causará una caída de tensión VS = IS x RS.
La corriente de surtidor y la corriente de drenaje son iguales (IS = ID) debido a
que no existe corriente de compuerta. Entonces la caída de tensión en RS es
igual a VS = ID x RS.
Esta caída de tensión tiene una polaridad con el
signo (+) en el terminal surtidor del FET y de
signo (-) en el común (ver punto T). Esto
significa que el común tiene una tensión inferior o
más negativa que el terminal S del FET.
Como no hay caída de tensión en la resistencia RG (se explicó anteriormente) la
tensión en VG es inferior a la tensión en VS. De esta manera se logra polarizar la
compuerta G del FET con una sola batería y a este tipo de polarización se le
llama autopolarización.
6.3.
Amplificadores En Cascada
Con el objeto de obtener mayor ganancia de la señal, es posible a partir de una
sola etapa amplificadora, se ponen en cascada varias etapas.
Entrada
A1
A2
An
salida
En un amplificador en cascada, la etapa de salida de un amplificador se acopla a
la entrada de la siguiente etapa.
Si las etapas no interactúan, es decir, si no hay un cambio apreciable de la
ganancia o en algún otro parámetro de una etapa individual cuando se pone en
cascada, la ganancia total es igual al producto de las ganancias individuales.
El acoplamiento de etapas en cascada se da a través de dos métodos:


Acoplamiento resistivo – capacitivo (RC).
Acoplamiento directo (DC).
UNIDAD No 3
AMPLIFICADORES
CAPITULO 7
7.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA
7.1. GENERALIDADES
La primera clasificación que podemos hacer con los amplificadores viene
determinada por las frecuencias con las que van a trabajar.
Si las frecuencias están comprendidas dentro de la banda audible los
amplificadores reciben el nombre de amplificadores de audio frecuencia o
amplificadores de Baja frecuencia. (amplificadores A.F. o amplificadores B.F.,
respectivamente).
Dentro de las dos gamas de amplificadores vistas, también, podemos hacer una
clasificación atendiendo a su forma de trabajo:
a) Amplificadores de tensión: son los que su principal misión es suministrar
una tensión mayor en su salida que en su entrada
b) Amplificadores de potencia: aquellos que, aparte de suministrar una mayor
tensión, suministran también un mayor corriente (amplificación de tensión y
amplificación de corriente y, por ende, amplificación de potencia)
Podemos, según esto, tener: amplificadores de tensión (tanto para B.F. como
para R.F.) y amplificadores de potencia (también, para ambas gamas de
frecuencias). En este tema únicamente vamos a entrar en los amplificadores de
potencia, que son los que nos interesan para iniciar el campo de las R.F., el resto
los damos por estudiados y aprendidos (porque son los montajes de
amplificadores que se estudian en los principios básicos).
7.2.
Clasificación de amplificadores de potencia
Este tipo de amplificadores (amplificadores de potencia, ya sean para B.F. o para
R.F.), tienen la particularidad de que en su salida tenemos ganancia de tensión y
de corriente con respecto a la señal de entrada. Este tipo de amplificadores
pueden entregarnos en su salida toda la señal de entrada o una parte de la
misma; atendiendo a esta característica, los amplificadores de potencia,
podemos clasificarlos de la siguiente forma:
7.2.1. Amplificadores de clase A:
Un amplificador de potencia funciona en clase A cuando la tensión de
polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen
valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante todo
el período de la señal de entrada.
7.2.2. Amplificadores de clase B:
Un amplificador de potencia funciona en clase B cuando la tensión de
polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen
valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante un
semiperíodo de la señal de entrada.
7.2.3. Amplificadores de clase AB:
son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificador
de potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y la
amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que
hacen que la corriente de salida circule durante menos de un período y
más de un semiperíodo de la señal de entrada.
7.2.4. Amplificadores de clase C:
Un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión de
polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen
valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante
menos de un semiperíodo de la señal de entrada.
Alguien puede que haya visto, en algún libro o manual de reparación, una
notación tipo a esto: Amplificador clase AB1 o también amplificador clase B2;
estas notaciones vienen de los antiguos amplificadores con válvulas.
Los subíndices 1 y 2 indicaban que no existía corriente de reja (el 1) o que si
existía (el 2), esto era debido a que en la polarización de la válvula, la reja se
hacía positiva con respecto al cátodo (para los que nunca hayan oído hablar de
las válvulas, diremos, que la reja se correspondería con la base de un transistor y
el cátodo con el terminal de salida, que en los transistores, dependiendo del tipo
de conexión, puede ser el emisor o el colector).
En los amplificadores de clase A no hay nunca corriente de reja (base) por lo que
es indiferente decir que el amplificador es de clase A1 o de clase A. Lo contrario
ocurre en los amplificadores de clase C donde siempre va a existir corriente de
reja (base), en este caso es indiferente decir que el amplificador es de clase C2 o
de clase C (a secas). En los amplificadores de clase B y AB, puede que exista o
no la corriente de base (o reja) por lo que sí es importante que nos especifiquen
el tipo de amplificador del que se trata (AB1 diría que no tiene corriente de base y
B2 indicaría que sí hay corriente de base). Este tipo de notación también
podemos encontrarla en los amplificadores transistorizados.
CAPITULO 8
8.
EL AMPLIFICADOR DE TENSIÓN
8.1. Generalidades
Nos centrarnos en un único montaje: el amplificador de tensión clase A con
conexión emisor común.
En este tipo de montaje, para que el
amplificador nos entregue en su salida la
señal
de
entrada
convenientemente
amplificada, y sin recortes de esta señal,
debemos polarizar el transistor de forma que
en reposo la tensión de polarización de la
base (Vb) lleve a éste, al transistor, a un
punto medio, aproximadamente, de su curva
característica estática (gráfico inferior).
Estas curvas del transistor son diferentes para cada carga conectada a la salida
del transistor y junto con la recta de carga nos sirven para determinar la
característica de transferencia dinámica del transistor, es decir, la relación entre
la corriente de colector y la corriente de base (en el tipo de montaje que estamos
examinando).
Otra característica, de este tipo de amplificadores, era que la señal de salida sale
invertida con respecto a la señal de entrada (por eso se le denomina, también,
"amplificador inversor de fase"), es decir cuando la señal de entrada se
encuentra en el valor de pico del semiciclo negativo, en la salida nos
encontraremos en el pico del semiciclo positivo.
8.2. Clasificación
8.2.1. Amplificadores clase B
Uno de los principales inconvenientes de los amplificadores en clase A es que, en
reposo, están consumiendo corriente por lo que el rendimiento de conversión se
hace bastante bajo.
Para mejorar este rendimiento, y por tanto aprovechar al máximo la potencia
entregada por la fuente de alimentación, los amplificadores se suelen construir en
clase B
Por norma general, los amplificadores que se van a hacer trabajar en clase B, se
montan con transistores que trabajen en contrafase (push-pull); con el fin de
minimizar los armónicos que se pueden generar en este tipo de montajes, estos
amplificadores adoptan una serie de montajes determinados.
Señal de entrada y salida para amplificadores clase A y clase B
En la figura, vemos como el amplificador en clase A (en azul), debido a que su
curva de respuesta es casi continua, la continuación en las senoides de la señal
de salida es uniforme; en el amplificador de clase B (en rojo), debido al
desplazamiento de las curvas, se produce un pequeño salto entre las senoides
de la señal de salida (se producen armónicos).
A este salto entre las dos senoides es a lo que se le conoce como distorsión de
cruce del amplificador; el "aplanamiento" al que tiende la señal es debido a que
en la señal de salida se producen armónicos impares de la frecuencia de la
señal.
En este tipo de montajes, una cuestión a tener en cuenta (muy importante) es
que los dos transistores deben tener las mismas características en cuanto a
tensiones, ganancias, etc.
Si no ponemos dos transistores con las mismas características, puede ocurrir
que, uno de los semiciclos tenga más amplitud que el otro (debido a que un
transistor tiene más ganancia que otro) con lo que aumentaríamos la distorsión
de la etapa.
Para minimizar el efecto de la distorsión de cruce, los transistores se suelen
polarizar de forma que se les introduce una pequeña polarización directa. Con
esto conseguimos desplazar las curvas y disminuimos dicha distorsión de cruce.
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 muy
pequeña (menor de 1 W); el valor de esta resistencia, junto con los valores de R1
y R2, deben escogerse de forma que los transistores trabajen con las
condiciones de polarización correctas y que tengan una buena estabilidad
térmica.
El condensador sirve para el desacoplo armónico; a veces, en paralelo con R2 se
coloca un diodo con el fin de mejorar la estabilidad térmica.
En este tipo de circuitos, el rendimiento de conversión suele estar cerca del 78%,
mientras que en los de clase A este rendimiento suele estar en torno al 36,4%
(aprovechamos la potencia de la fuente de alimentación más del doble, por eso
se recurre a este tipo de montaje).
8.2.3. Amplificador en contrafase simétrico complementario
En el esquema anterior hemos visto un montaje con dos transistores NPN, a
veces se recurre a montar dos transistores de tipo complementario (uno NPN y
otro PNP), en este caso el esquema lo vemos en el gráfico siguiente. Este
montaje, además, tiene la particularidad de ser un amplificador en clase B sin
transformador de salida, recibe el nombre de amplificador en contrafase
simétrico complementario.
La señal de entrada se aplica simultáneamente a la base de los dos transistores,
en el semiciclo positivo el que conduce es el transistor PNP, mientras que el NPN
está bloqueado. En el semiciclo negativo el que conduce es el transistor NPN; el
PNP, 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 suele
recurrir a montajes como el que vemos en la imagen de arriba; ese montaje no
difiere de los esquemas estudiados hasta ahora, la única salvedad es que, en
vez de tener un transformador de salida, el amplificador ataca directamente el
altavoz; con este tipo de montaje hacemos que el amplificador rinda un 15% más
que si utilizásemos dicho transformador.
En esta ocasión (esquema superior) el altavoz es de doble bobinado; debido a la
complejidad de fabricación de estos altavoces, se recurre a montajes como el de
la figura inferior, en el que se puede apreciar que el altavoz, a pesar de no tener
transformador de salida, solo tiene un bobinado.
CAPITULO 9
9.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
9.1. Generalidades
El extraordinario desarrollo de la tecnología de los CI monolíticos ha hecho que el
amplificador operacional (amp op) sea tal vez el componente con mayor
flexibilidad en electrónica. Con una adecuada selección de los elementos de
retroalimentación, el amplificador operacional se puede utilizar como amplificador
de ganancia variable de precisión, como amortiguador, sumador, fuente de
corriente, convertidor, oscilador y en otras muchas aplicaciones más. Por lo
general su campo se encuentra limitado por la ingenuidad y falta de imaginación
con que se utilicen.
Un amplificador operacional (A.O., habitualmente llamado op-amp) es un
circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene
dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas
multiplicada por un factor (G) (ganancia):
Vout = G·(V+ − V−)
El primer amplificador operacional monolítico data de los años 1960, era el
Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709
(1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde
sería sustituido por el popular Fairchild μA741(1968), de David Fullagar, y
fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.
Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta,
multiplicación, división, integración, derivación, etc) en calculadoras analógicas.
De ahí su nombre.
El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un
ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de
respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también
se dice que las corrientes de entrada son cero.
Notación
El símbolo de un MONOLITICO es el mostrado en la siguiente figura:
Los terminales son:





V+: entrada no inversora
V-: entrada inversora
VOUT: salida
VS+: alimentación positiva
VS-: alimentación negativa
Las terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en
los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT
son VCC y VEE.
Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos
por claridad.
9.2.
Comportamiento En Continua (DC)
Lazo abierto
Si no existe realimentación la salida del A.O. será la resta de sus dos entradas
multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000 (que se
considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la
diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000V. Debido
a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la
alimentación, el A.O. estará saturado si se da este caso. Si la tensión más alta es
la aplicada a la patilla + la salida será la que corresponde a la alimentación V S+,
mientras que si la tensión más alta es la del pin - la salida será la alimentación VS-.
Lazo cerrado
Se conoce como lazo a la realimentación en un circuito. Aquí se supondrá
realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración
se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que
la tensión en la patilla + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva.
Como existe la realimentación entre la salida y la patilla -, la tensión en esta patilla
también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce,
disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene
que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el
mismo valor.
Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones
para analizar el circuito:


V+ = VI+ = I - = 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 de
limitaciones)
Un ejemplo de amplificador operacional es el 741op
Análisis
Para analizar un circuito en el que haya A.O. puede usarse cualquier método, pero
uno habitual es:
1. Comprobar si tiene realimentación negativa
2. Si tiene realimentación negativa se pueden aplicar las reglas del apartado
anterior
3. Definir las corrientes en cada una de las ramas del circuito
4. Aplicar el método de los nodos en todos los nodos del circuito excepto en
los de salida de los amplificadores (porque en principio no se puede saber
la corriente que sale de ellos)
5. Aplicando las reglas del apartado 2 resolver las ecuaciones para despejar la
tensión en los nodos donde no se conozca.
Configuraciones

Esta es una aplicación sin la realimentación. Compara entre las dos
entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede
usar para adaptar niveles lógicos.
9.4. Tipo De Circuitos
9.4.1. Seguidor

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la
entrada

Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar
impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja
impedancia y viceversa)
Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin


Zin = ∞
9.4.2. Inversor
Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en
forma) pero con la fase invertida 180 grados.

El análisis de este circuito es el siguiente:
o V+ = V- = 0
o
Definiendo corrientes:
y de aquí se despeja
o


Para el resto de circuitos el análisis es similar.
Zin = Rin
Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección de
R1

Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta
configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del
derivador, integrador, sumador.
9.4.3. No inversor
Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como
conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje
en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el
pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con
el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.


Zin = ∞
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

Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:
o


Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales
La impedancia diferencial entre dos entradas es Z in = R1 + 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 cualquier
señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta
saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas
retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que
definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de
estado 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 se
debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina
amplificando 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



Conversores
Evitar el efecto de carga
Adaptadores de niveles (por ejemplo CMOS y TTL)
9.6.
Estructura
Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con características
ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podrá
entender mejor las limitaciones que presenta.
Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O.
tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:
1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja
amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una
salida diferencial.
2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.
3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente
necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección
frente a cortocircuitos.
Ejemplo del 741
Diagrama electrónico del operacional 741.
En el diagrama se destaca en azul el amplificador diferencial. Éste es el
responsable de que las corrientes de entrada no sean cero, pero si respecto a las
de los colectores (Nótese como a pesar de aproximar las corrientes de entrada a
0, si éstas realmente fueran 0 el circuito no funcionaría). La impedancia de entrada
es de unos 2MΩ.
Las etapas en rojo son espejos de corriente. El superior de la izquierda sirve para
poder soportar grandes tensiones en modo común en la entrada. El superior de la
derecha proporciona una corriente a la circuitería de salida para mantener la
tensión. El inferior tiene una baja corriente de colector debido a las resistencias de
5kΩ. Se usa como conexión de gran impedancia a la alimentación negativa para
poder tener una tensión de referencia sin que haya efecto de carga en el circuito
de entrada.
Los pines llamados Offset null son usados para eliminar las tensiones de offset
que pueda haber en el circuito.
La etapa de ganancia en tensión es NPN.
La sección verde es un desplazador de tensión. Esto proporciona una caída de
tensión constante sin importar la alimentación. En el ejemplo 1V. Esto sirve para
prevenir la distorsión.
El condensador se usa como parte de un filtro paso bajo para reducir la frecuencia
y prevenir que el A.O oscile.
La salida en celeste es un amplificador PNP seguidor con emisor push-pull. El
rango de la tensión de salida es de un voltio menos a la alimentación, la tensión
colector-emisor de los transistores de salida nunca puede ser totalmente cero. Las
resistencias 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 de
realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o
logarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.
Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambas
entradas del operacional.
Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través de
resistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su
salida tome el valor cero.
Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del
operacional que hace que su salida tome el valor cero.
Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensión entre las
entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las
especificaciones.
Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circula
por las entradas del operacional en ausencia de señal
Slew rate. Es la relación entre la variación de la tensión de salida máxima
respecto 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 siglas
en inglés). Relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en
modo 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 ejemplo
en 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 cuando
la tensión de salida es nula, este votltaje es cero en un amplificador ideal lo cual
no se obtiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por
medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de
operacionales) en caso de querer precisión. El offset puede variar dependiendo de
la 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 de
offset en la entrada de un operacional es el CMRR (Rechazo al modo común).
Ahora también puede variar dependiendo de la alimentación del operacional, a
esto se le llama PSRR (power supply rejection ratio, relación de rechazo a la
fuente de alimentación). La PSRR es la variación del voltaje de offset respecto a la
variación de los voltajes de alimentación, expresada en dB. Se calcula como
sigue:
Corrientes
Aquí hay dos tipos de corrientes que considerar y que los fabricantes suelen
proporcionar:

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 de
la ganancia en tensión por el ancho de banda es constante.
Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000 un amplificador con
esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios. Al
realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio
de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. para
trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima mantener las
características a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un
menor valor de ganancia u otro aspecto técnico. B
Capacidades
El A.O. presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una
disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia.
Deriva térmica
Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la
temperatura, los A.O. también cambian sus características, en este caso hay que
diferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las corrientes anteriores
variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.