Diseño electrónico circuitos y sistemas /

Incluye Referencias Bibliográficas

Prefacio v

Introducción para el estudiante xi

CAPÍTULO 1 CONCEPTOS BÁSICOS

1.0 Introducción 1

1.1 Historia 2

1.2 Modelos de circuitos de estado sólido 3

1.3 Elementos de circuitos lineales y no lineales 4

1.4 Señales analógicas en comparación con las digitales 6

1.5 Fuentes dependientes 7

1.6 Efectos de la frecuencia 8

1.7 Análisis y diseño 10

1.7.1 Comparación de diseño y análisis 10

1.7.2 Origen de los requerimientos de diseño

10

1.7.3 ¿Qué significan "extremo abierto" y "compromiso" (trade off)? 11

1.8 Simulaciones por computadora 13

1.9 Componentes del proceso de diseño 14

1.9.1 Principios del diseño 15

1.9.2 Definición del problema 16

1.9.3 Subdivisión del problema 17

1.9.4 Documentación 17

1.9.5 El diagrama esquemático 18

1.9.6 La lista de componentes 18

1.9.7 Listas de control de avance del proyecto y otros documentos 19

1.9.8 Uso de documentos 20

1.9.9 Lista de verificación del diseño 20

1.9.10 Prototipo del circuito 21

Resumen 22

CAPÍTULO 2 AMPLIFICADORES OPERACIONALES IDEALES 24

2.0 Introducción 24

2.1 Amplificadores operacionales ideales 25

2.1.1 Fuentes dependientes 25

27

2.1.2 Circuito equivalente de amplificador operacional

2.1.3 Método de análisis 30

2.2 El amplificador inversor 30

2.4 Resistencia de entrada de circuitos de amplificador operacional 41

2.3 El amplificador no inversor 33

2.5 Entradas inversora y no inversora combinadas 2.6 Diseño de circuitos de amplificador operacional

44

46

2.7 Otras aplicaciones del amplificador operacional

52

2.7.1 Circuito de impedancia negativa 52

2.7.2 Generador de corriente dependiente

53

2.7.3 Convertidor corriente-voltaje 54

2.7.4 Convertidor voltaje-corriente 55

2.7.5 Amplificador inversor con impedancias 56

2.7.6 Aplicaciones de computadora analógica 57

2.7.7 Integrador Miller no inversor 59

Resumen 60

Problemas 60

CAPÍTULO 3 ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS SEMICONDUCTORES 70

3.0 Introducción 70

3.1 Teoría de semiconductores 71

3.1.1 Conducción en materiales 73

3.1.2 Conducción materiales semiconductores 75

3.1.3 Estructura cristalina 76

3.1.4 Generación y recombinación de electrones y huecos

78

3.1.5 Semiconductores contaminados 79

3.1.6 Semiconductor tipo n 80

3.1.7 Semiconductor tipo p 80

3.1.8 Concentraciones de portadores

80

3.1.9 Portadores de exceso 82

3.1.10 Recombinación y generación de portadores de exceso

82

3.1.11 Transporte de corriente eléctrica 83

3.1.12 Difusión de portadores 83

3.1.13 Arrastre en un campo eléctrico 84

3.2 Diodos semiconductores 87

3.2.1 Construcción del diodo 89

3.2.2 Relación entre la corriente y el voltaje del diodo 90

3.2.3 Operación del diodo 92

3.2.4 Efectos de la temperatura 93

3.2.5 Modelos de circuito equivalente de diodo 95

3.2.6 Análisis de circuitos con diodos 96

3.2.7 Capacidad de manejo de potencia

103

3.2.8 Capacitancia del diodo 104

3.3 Rectificación 104

3.3.1 Rectificación de media onda 105

3.3.2 Rectificación de onda completa

106

3.3.3 Filtrado 107

3.3.4 Circuito duplicador de voltaje 110

3.4 Diodos Zener 112

3.4.1 Regulador con Zener 113

3.4.2 Diodos Zener prácticos y regulación porcentual

117

3.5 Recortadores y fijadores 119

3.5.1 Recortadores 119

3.5.2 Fijadores 124

3.6 Circuitos con amplificadores operacionales que contienen diodos 127

3.7 Tipos alternativos de diodos 129

3.7.1 Diodos Schottky 129

3.7.2 Diodos emisores de luz (LED) 130

3.7.3 Fotodiodos 131

3.8 Especificaciones del fabricante 132

Resumen 133

Problemas 134

CAPÍTULO 4 CIRCUITOS CON TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR 148

4.0 Introducción 149

4.1 Estructura de transistores bipolares

149

4.2 Modelo del BJT para señal grande 153

4.3 Deducción de modelos para ca de señal pequeña

4.4 Modelos de ca para señal pequeña de dos puertos

154

4.5 Curvas características 158

156

4.6 Hojas de datos de fabricantes para BJT 160

4.7 Modelos de BJT para simulaciones por computadora 161

4.8 Configuraciones de amplificador de una etapa 164

4.9 Polarización de amplificadores de una etapa 166

4.10 Consideraciones de potencia 169

4.10.1 Deducción de las ecuaciones de potencia

170

4.11 Análisis y diseño de circuitos de polarización de amplificadores de voltaje 172

4.11.1 Procedimiento de análisis 172

4.11.2 Procedimiento de diseño 177

4.11.3 Fuentes de potencia del amplificador

183

4.11.4 Selección de componentes 184

4.12 Análisis y diseño de circuitos de polarización de amplificadores de corriente 184

4.13 No linealidades de transistores de unión bipolar

188

4.14 Características de encendido/apagado de los circuitos con BJT 190

4.15 Fabricación de circuitos integrados

192

4.15.1 Transistores y diodos

192

4.15.2 Resistores 193

4.15.3 Capacitores 193

194

Resumen

4.15.4 Transistores laterales

194

Problemas 195

CAPÍTULO 5 AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES DE UNIÓN

BIPOLAR 207

5.0 Introducción 207

5.1 Amplificador en emisor común 208

5.1.1 Fórmula de impedancia de ganancia

208

5.1.2 Resistencia de entrada, R in 209

5.1.3 Ganancia de corriente, A_{i} 210

5.1.4 Ganancia de voltaje, A_{V} 210

5.1.5 Resistencia de salida, R_{o} 211

5.2 Amplificador en emisor común con resistor en el emisor (amplificador con resistor en el emisor) 213

5.2.1 Resistencia de entrada, R in 213

5.2.2 Ganancia de corriente, A_{i} 215

5.2.3 Ganancia de voltaje, A_{v} 215

5.2.4 Resistencia de salida, R_{o} 215

5.3 Amplificador en colector común (seguidor de emisor)

224

5.3.1 Resistencia de entrada, R in 224

5.3.2 Ganancia de corriente, A_{i} 225

5.3.3 Ganancia de voltaje, A_{V} 225

5.3.4 Resistencia de salida, R_{o}

226

5.4 Amplificador en base común 230

5.4.1 Resistencia de entrada, R in

231

5.4.2 Ganancia de corriente, A_{i} 231

5.4.3 Ganancia de voltaje, A_{V} 232

5.4.4 Resistencia de salida, R_{o} 232

5.5 Aplicaciones de los amplificadores con transistor

5.6 Divisor de fase 237

236

5.7 Acoplamiento de amplificadores 238

5.7.1 Acoplamiento capacitivo 238

5.7.2 Acoplamiento directo 238

5.7.3 Acoplamiento con transformador 241

5.7.4 Acoplamiento óptico 243

5.8 Análisis de amplificadores multietapa

245

5.9 Configuración cascodo 250

5.10 Fuentes de corriente y cargas activas 252

5.10.1 Una fuente de corriente simple

252

5.10.2 Fuente de corriente Widlar

253

5.10.3 Fuente de corriente Wilson 256

5.10.4 Fuentes de corriente múltiples empleando espejos de corriente

258

Resumen 259

Problemas 262

CAPÍTULO 6 AMPLIFICADORES CON TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO 277

6.0 Introducción 277

6.1 Ventajas y desventajas de los FET 278

6.2 FET de semiconductor de óxido metálico (MOSFET)

279

6.2.1 Características terminales del MOSFET en modo de enriquecimiento 281

6.2.2 MOSFET en modo de agotamiento 284

6.2.3 Circuito equivalente para señal grande

287

6.2.4 Modelo para señal pequeña del MOSFET 287

6.3 Transistor de efecto de campo de unión (JFET) 290

6.3.1 Variación del voltaje compuerta a fuente del JFET

6.3.2 Características de transferencia del JFET 293

293

6.3.3 Modelo de ca para señal pequeña del JFET

296

6.4 Configuraciones y polarización de amplificadores con FET

6.4.1 Polarización del MOSFET de componentes discretos 299

299.

6.5 Circuitos integrados con MOSFET 302

6.5.1 Polarización de circuitos integrados con MOSFET 303

6.5.2 Efecto cuerpo 305

6.6 Comparación del MOSFET con el JFET 306

6.7 Modelos del FET para simulaciones por computadora 308

6.8 Configuraciones canónicas de amplificadores con FET 312

6.9 Análisis de amplificadores con FET 314

6.9.1 El amplificador CS (y con resistor en fuente)

314

6.9.2 El amplificador CG 319

6.9.3 El amplificador CD (SF) 323

6.10 Diseño de amplificadores con FET 326

6.10.1 El amplificador CS

6.10.2 El amplificador CD 336

6.10.3 El amplificador bootstrap SF

6.11 Otros dispositivos 343

340

6.11.1 Transistor de unión de barrera semiconductora metálica 343

6.11.2 VMOSFET (VMOS) 344

6.11.3 Otros dispositivos MOS 344

Resumen 345

Problemas 346

CAPÍTULO 7 ESTABILIDAD DE POLARIZACIÓN DE AMPLIFICADORES CON TRANSISTOR 358

7.0 Introducción 358

7.1 Tipos de polarización 359

7.1.1 Polarización con retroalimentación de corriente

359

7.1.2 Polarización de voltaje y de corriente 360

7.2 Efectos de los cambios de parámetros-estabilidad de polarización 362

7.2.1 Configuración CE 363

7.2.2 Configuración SE 369

7.3 Compensación con diodo 372

7.4 Diseño para obtener estabilidad de polarización en amplificadores BJT 374

7.5 Efectos de la temperatura en el FET 375

7.6 Reducción de las variaciones de temperatura

377

Resumen 379.

Problemas 380

CAPÍTULO 8 AMPLIFICADORES Y FUENTES DE POTENCIA 384

8.0 Introducción 384

8.1 Clases de amplificadores 384

8.1.1 Operación clase A 385

8.1.2 Operación clase B 385

8.1.3 Operación clase AB 387

8.1.4 Operación clase C 388

8.2 Circuitos amplificadores de potencia-operación clase A

389

8.2.1 Amplificador acoplado inductivamente 389

8.2.2 Amplificador de potencia acoplado con transformador

391

8.3 Circuitos amplificadores de potencia-operación clase B 395

8.3.1 Amplificadores de potencia clase B y AB de simetría complementaria 395

8.3.2 Amplificadores de potencia clase B de simetría complementaria compensados por diodo (SCCD) 398

8.3.3 Cálculos de potencia para el amplificador push-pull clase B 401

8.4 Circuito Darlington 408

8.5 Fuentes de potencia empleando transistores de potencia 413

413

8.5.1 Fuente de potencia empleando componentes discretos

8.5.2 Fuente de potencia empleando regulador de CI (regulador de tres terminales) 417

8.5.3 Fuente de potencia utilizando un regulador ajustable de tres terminales 421

8.5.4 Regulador de corrientes más altas 422

8.6 Reguladores de conmutación 423

8.6.1 Eficiencia de los reguladores de conmutación 425

Resumen 425

Problemas 426

CAPÍTULO 9 AMPLIFICADORES OPERACIONALES PRÁCTICOS

9.0 Introducción 437

437

9.1 Amplificadores diferenciales 438

9.1.1 Características de transferencia de cd 438.

9.1.2 Ganancias en modo común y en modo diferencial 439

9.1.3 Amplificador diferencial con fuente de corriente constante 442

9.1.4 Amplificador diferencial con entrada y salida en un solo extremo 445

9.2 Desplazadores de nivel 451

9.3 El amplificador operacional típico 454

9.3.1 Empaque 455

9.3.2 Requerimientos de potencia 456

9.3.3 El amplificador operacional 741 456

9.4 Especificaciones del fabricante 459

9.5 Amplificadores operacionales prácticos 459

9.5.1 Ganancia de voltaje (G) en malla abierta 460

9.5.2 Modelo del amplificador operacional modificado 461

9.5.3 Voltaje de desbalance de entrada (V) 461

9.5.4 Corriente de polarización de entrada (pot) 463

9.5.5 Rechazo en modo común 467

9.5.6 Relación de rechazo a fuentes de potencia 467

9.5.7 Resistencia de salida 468

9.6 Simulación por computadora de circuitos con amplificador operacional 471

9.7 Amplificador no inversor 473

9.7.1 Resistencias de entrada y salida 473.

9.7.2 Ganancia de voltaje 475

9.7.3 Amplificadores de entrada múltiple 478

9.8 Amplificador inversor 479

9.8.1 Resistencia de entrada y de salida 479

9.8.2 Ganancia de voltaje 480

9.8.3 Amplificadores de entrada múltiple 482

9.9 Sumador diferencial 485

9.10 Amplificadores con entradas o salidas balanceadas 489

9.11 Acoplamiento entre entradas múltiples 492

9.12 Amplificador de potencia de audio 493

9.12.1 Amplificador operacional de potencia en puente 494

9.12.2 Intercomunicador 495

Resumen 496

Problemas 496

CAPÍTULO 10 COMPORTAMIENTO EN FRECUENCIA DE AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES 508

10.0 Introducción 509

10.1 Respuesta de amplificadores en baja frecuencia 513