8. http://www.ingeelectronico.blogspot.com Lista de ejemplos
Captulo 1 1.1. Utilizacin del modelo de amplificador de tensin . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21 1.1. Anlisis de un amplificador en cascada . . . . . 24 1.3.
Determinacin del modelo general para un amplificador en cascada . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4. Determinacin del
rendimiento de un ampli- ficador . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.5. Conversin de un
amplificador de tensin en un amplificador de corriente . . . . . .
. . . . . . . . . 32 1.6. Determinacin de los parmetros del modelo
de amplificador de transconductancia . . . . . . 34 1.7.
Determinacin de los parmetros del modelo de amplificador de
transresistencia . . . . . . . . 35 1.8. Determinacin de la
ganancia de tensin co- mo un nmero complejo . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 43 1.9. Determinacin de la especificacin CMRR . 51
Captulo 2 2.1. Anlisis de un amplificador inversor 68 2.2. Diseo de
un amplificador no inversor . . . . . 80 2.3. Diseo de un
amplificador . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.4. Diseo de un
amplificador sumador . . . . . . . 83 2.5. Ganancia en bucle
cerrado en funcin de la frecuencia para un amplificador no inversor
. 88 2.6. Clculo del producto ganancia-ancho de banda . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.7.
Ancho de banda de los amplificadores inver- sores y no inversores .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.8. Determinacin de
la mxima amplitud de una seal . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 94 2.9. Determinacin del ancho de banda
de po- tencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 97 2.10. Caso ms desfavorable de la tensin de
sali- da en continua en un amplificador inversor . 100 Captulo 3
3.1. Construccin de la lnea de carga en un cir- cuito con diodo . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 3.2.
Construccin cuando un extremo de la recta est fuera del grfico . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.3. Solucin de un
circuito suponiendo el estado de los diodos . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.4. Anlisis de un circuito
regulador con diodo zner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 158 3.5. Anlisis en carga de un
circuito regulador basado en diodo zner . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 160 3.6. Clculo de la concentracin de huecos y
electrones libres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 173 3.7. Trazar con SPICE la curva caractertstica del diodo . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189 3.8. Comportamiento en conmutacin del diodo 1N4148 . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Captulo 4 4.1. Uso de las curvas del dispositivo para deter- minar
a y b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
225 4.2. Determinacin grfica del punto Q y de los valores extremos
de la seal . . . . . . . . . . . . . . . 232 4.3. Determinacin de
la regin de trabajo del transistor bipolar . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 241 4.4. Circuito de polarizacin de
base fija . . . . . . . 242 4.5. Circuito de polarizacin de base
fija con una beta ms alta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 243 4.6. Circuito de polarizacin automtica . . . .
. . . 247 4.7. Circuito de polarizacin automtica de cua- tro
resistencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 250 4.8. Circuito de polarizacin con fuentes de co- rriente . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252 4.9. Clculo del comportamiento del amplifica- dor en emisor
comn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 4.10. Clculo
del comportamiento del seguidor de emisor . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Captulo 5 5.1.
Trazado de la grfica de las curvas caracte- rsticas de un
transistor NMOS . . . . . . . . . . . . 301 5.2. Uso de SPICE para
dibujar las curvas carac- tersticas de drenador . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 302 5.3. Determinacin del punto Q de un
circuito de polarizacin automtica . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 310 5.4. Diseo del circuito de polarizacin de un NMOS . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
5.5. Clculo de gm y rd a partir de las curvas ca- ractersticas . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 5.6.
Ganancia e impedancia de un amplificador en fuente comn . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 5.7. Anlisis con SPICE
de un amplificador en fuente comn . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 325 5.8. Clculo de la ganancia y la
impedancia de un seguidor de fuente . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 330 Captulo 6 6.1. Diseo de un inversor MOS con
resistencia de pull-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 380 6.2. Caractersticas de transferencia
utilizando SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 381 6.3. Determinacin del margen de ruido . .
. . . . . . 382 6.4. Determinacin de tPLH para el inversor NMOS con
resistencia de pull-up . . . . . . . . . . 385 6.5. Determinacin
del retardo de propagacin con SPICE . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 387 XIV Contenido
9. http://www.ingeelectronico.blogspot.com 6.6. Caracterstica
de transferencia de un inversor NMOS con pull-up . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 391 6.7. Clculo del retardo de
propagacin del in- versor CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 401 6.8. Simulacin SPICE del retardo de
propaga- cin del inversor CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
402 6.9. Diseo de una puerta NAND CMOS . . . . . . 406 6.10.
Efectos de la conexin del sustrato y de la modulacin de la longitud
del canal . . . . . . . 406 6.11. Efectos de modulacin de la
longitud del ca- nal y de la conexin del sustrato . . . . . . . . .
. 409 Captulo 7 7.1. Caractersticas de salida de la fuente de co-
rriente usando SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
7.2. Anlisis manual de una fuente de corriente . . 435 7.3. Diseo
de la fuente de corriente Widlar . . . 438 7.4. Diseo de un
amplificador diferencial aco- plado por emisor . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 466 7.5. Anlisis de un amplificador
diferencial aco- plado por fuente . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 476 7.6. Anlisis de un amplificador operacional
CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 482 Captulo 8 8.1. Diagrama de Bode para un circuito RC
con un polo y un cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 502 8.2. Diagrama de Bode para un filtro RC de paso alto . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 506 8.3. Anlisis del amplificador en fuente comn . 515 8.4.
Anlisis con SPICE de un amplificador en fuente comn . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 8.5. Uso del efecto
Miller para determinar la im- pedancia de entrada . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 520 8.6. Clculo de la frecuencia de
corte superior utilizando el efecto Miller . . . . . . . . . . . .
. . . . . 523 8.7. Determinacin de los parmetros hbridos en n
usando la hoja de especificaciones . . . . . . . 529 8.8. Respuesta
en alta frecuencia del amplifica- dor en emisor comn . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 534 8.9. Anlisis SPICE de un
amplificador cascodo 542 8.10. Respuesta en alta frecuencia de un
seguidor de emisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 546 8.11. Anlisis en baja frecuencia de un
circuito con condensadores de acoplo . . . . . . . . . . . . . .
553 8.12. Seleccin de valores para los condensadores de acoplo . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
Captulo 9 9.1. Diseo de un amplificador con realimenta- cin . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
599 9.2. Diseo de un excitador para un optoacopla- dor utilizando
realimentacin . . . . . . . . . . . . . . 602 9.3. Diseo del
amplificador de salida para un optoacoplador . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 604 9.4. Diseo de un
amplificador de corriente utili- zando realimentacin . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 607 9.5. Diagramas de Bode para un
amplificador realimentado con polo dominante . . . . . . . . . .
619 9.6. Amplificador realimentado de dos polos . . . 625 9.7.
Amplificador con realimentacin de tres po- los . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
9.8. Inestabilidad en un amplificador realimen- tado . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
9.9. Determinacin de los mrgenes de ganancia y de fase . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634 9.10.
Anlisis con SPICE de un amplificador reali- mentado . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 9.11.
Compensacin por polo dominante . . . . . . . . 640 9.12. Anlisis de
un circuto oscilador . . . . . . . . . . . 655 9.13. Diseo del
oscilador en puente de Wien . . . 659 Captulo 10 10.1. Resistencia
trmica unin-encapsulado . . . 688 10.2. Uso de la curva de
degradacin de potencia . 688 10.3. Mxima disipacin de potencia
permitida . 690 10.4. Curvas caractersticas de transferencia para
una etapa de salida en seguidor de emisor 699 10.5. Diseo de una
etapa de salida en seguidor de emisor . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 702 10.6. Clculo del rendimiento
de un amplificador de clase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 713 10.7. Circuito equivalente del
transformador . . . 729 10.8. Diseo de una fuente alimentacin de 5
V, 1 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 731 10.9. Diseo trmico para una fuente de alimen-
tacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 737 Captulo 11 11.1. Dieo de un filtro de Butterworth paso
bajo de cuarto orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 750 11.2. Diseo de un filtro . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 757 11.3. Diseo de un filtro pasabanda . . . . . . .
. . . . . 761 11.4. Diseo de un convertidor de ondas cuadra- das en
senoidales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767
11.5. Conversin de un circuito serie RL en un circuito paralelo . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775 11.6. Modelo de
circuito de una bobina real . . . . 778 11.7. Reduccin de un
circuito resonante com- plejo . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 779 11.8. Diseo de una red de
acoplo con amplifica- dor de clase D . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 788 11.9. Diseo de un amplificador
sintonizado . . . 792 11.10. Diseo de un oscilador Hartley . . . .
. . . . . . . 801 Captulo 12 12.1. Diseo de un circuito Schmitt
trigger . . . . . 827 12.2. Anlisis de un multivibrador astable . .
. . . . 833 12.3. Diseo de un multivibrador astable . . . . . . .
835 Contenido XV
10. http://www.ingeelectronico.blogspot.com Prefacio El
propsito de esta obra es servir como libro de texto para los cursos
de fundamentos de electrnica de los estudios de ingeniera elctrica
e informtica. El libro adopta frecuentemente el punto de vista del
diseador a la hora de explicar los circuitos, ilus- tra las tareas
de diseo con numerosos ejemplos, muestra cmo probar diseos de cir-
cuitos utilizando SPICE y proporciona numerosos problemas de diseo
con los que los estudiantes pueden practicar. NOVEDADES DE LA
SEGUNDA EDICIN 1. Se ha reorganizado y rescrito todo el libro con
el objetivo de reducir su longi- tud y hacer ms fcil a los
estudiantes su lectura. 2. Se introducen antes las tcnicas de
circuitos integrados, y se pone un mayor nfasis en ellas a lo largo
de todo el libro. 3. Se han tenido en cuenta las necesidades de los
estudiantes de ingeniera e in- formtica, tratando el comportamiento
de los dispositivos en conmutacin con una mayor antelacin dentro
del libro, aadiendo captulos sobre los circuitos lgicos CMOS, y
agregando una explicacin sobre los convertidores de datos. 4. Se
proporcionan varios ejemplos, como motivacin, en las secciones
tituladas Proceso de diseo de un circuito, fuera del cuerpo
principal del libro, para mostrar cmo pueden disearse circuitos
interesantes utilizando el material es- tudiado en el libro hasta
ese momento. Por ejemplo, justo despus de los cap- tulos sobre
amplificadores operacionales y diodos, se ilustra el diseo de un
generador de funciones. 5. La introduccin y el tratamiento de las
caractersticas externas de los amplifi- cadores han sido
condensadas dentro del primer captulo. 6. Se pone un mayor nfasis
en los transistores MOSFET que en los JFET. 7. Los amplificadores
operacionales son tratados en un nico captulo. 8. El tratamiento de
la fsica de los dispositivos ha sido acortado, y se incluye en los
distintos captulos segn va siendo necesario. 9. El captulo sobre
SPICE ha sido eliminado, porque la mayor parte de los estu- diantes
aprenden a utilizar SPICE en sus cursos sobre circuitos.
CONOCIMIENTOS PREVIOS NECESARIOS Y NIVEL DE LA PRESENTACIN En este
libro presuponemos que el estudiante ha cursado alguna asignatura
introduc- toria al anlisis de circuitos. Al principio del libro, el
nivel de la presentacin es
11. http://www.ingeelectronico.blogspot.com apropiado para un
curso introductorio de carcter fundamental. A partir del Captu- lo
7, el nivel se incrementa gradualmente hasta el grado apropiado
para estudiantes que tengan un mayor inters en la materia. Para los
temas de respuesta en frecuencia y compensacin de amplificadores
realimentados (Captulo 9), resulta conveniente (aun- que no
imprescindible) tener unos ciertos conocimientos de anlisis de
circuitos me- diante el mtodo de la transformada de Laplace. AYUDAS
DE CARCTER EDUCATIVO La pgina web, situada en la direccin
http://www.librosite.net/hambley, contiene di- versos recursos para
profesores y estudiantes, incluyendo: Respuestas a algunos
problemas seleccionados del final de cada captulo. Archivos PDF de
figuras clave del libro, que pueden utilizarse para realizar
transparencias. Archivos esquemticos para los circuitos explicados
en el libro. Archivos esquemticos para las respuestas a los
ejercicios que requieren un an- lisis con SPICE. Una seleccin de
enlaces a pginas de fabricantes desde donde se pueden des- cargar
datos adicionales. Tambin est disponible un manual de soluciones
(en ingls), que contiene las solu- ciones completas para los
ejercicios y problemas, para aquellos profesores que adop- ten esta
obra como libro de texto. Para obtener una copia, contacte con la
editorial. CONTENIDO Este libro permite poner en prctica una amplia
variedad de cursos. Se proporciona material ms que suficiente para
dos cursos semestrales (o tres cuatrimestrales), per- mitiendo una
seleccin de temas adaptada a los intereses del profesor y de los
estu- diantes. El Captulo 1 contiene una introduccin a la
electrnica y trata las caractersticas externas de los
amplificadores. Las primeras secciones proporcionan a los
estudiantes una visin global, e ilustran sobre cmo encajan en dicha
visin los detalles estudiados en este libro. Normalmente, el autor
considera este material como de lectura, pero no invierte tiempo de
clase en l. A continuacin, se introducen conceptos bsicos sobre
amplificadores, como la ganancia, la resistencia de entrada, la
resistencia de salida, la respuesta en frecuencia y los modelos de
circuito para los amplificadores. El captulo concluye con una
explicacin sobre los amplificadores diferenciales, preparando el
te- rreno para el tema de los amplificadores operacionales. El
Captulo 2 trata los circuitos con amplificadores operacionales,
incluyendo te- mas de amplificadores bsicos, errores en los
amplificadores operacionales, integrado- res y diferenciadores. El
estudio de amplificadores proporciona una aplicacin inme- diata de
los conceptos (introducidos en el Captulo 1) de ganancia,
resistencia de entrada, resistencia de salida y tipos de
amplificadores ideales. El Captulo 3 trata los diodos y los
circuitos con diodos, incluyendo conceptos como lneas de carga,
diodos ideales, rectificadores, conformadores de onda, circuitos
lgi- cos, reguladores de tensin, fsica de dispositivos y
comportamiento de conmutacin. El concepto de circuito equivalente
en pequea seal se introduce en la Seccin 3.8, preparando el terreno
para el anlisis de amplificadores BJT y FET. La seccin Proceso de
diseo de un circuito: generador de funciones, se presenta aparte
del texto principal, y aparece entre los Captulos 3 y 4. Esta
seccin XVIII Prefacio
12. http://www.ingeelectronico.blogspot.com muestra a los
estudiantes cmo puede emplearse el material de los primeros tres
cap- tulos para disear un circuito til e interesante. El Captulo 4
trata sobre las caractersticas de los bipolares, el anlisis de lnea
de carga, los modelos de gran seal, la polarizacin, el anlisis de
circuitos equivalentes en pequea seal, el amplificador en emisor
comn, el seguidor de emisor y la utiliza- cin del bipolar como
conmutador en los circuitos lgicos. El Captulo 5 contiene un
tratamiento similar de los transistores FET, destacando los MOSFET.
Si se desea, puede invertirse el orden de los Captulos 5 y 6 sin
dema- siada dificultad. La seccin Proceso de diseo de un circuito:
amplificador multietapa aparece inmediatamente despus del Captulo
5, e ilustra cmo puede disearse un amplifica- dor multietapa
utilizando los conceptos aprendidos en los Captulos 4 y 5. El
Captulo 6 trata los circuitos lgicos digitales, haciendo especial
hincapi en la tecnologa CMOS. Se cubren los conceptos bsicos sobre
circuitos lgicos, el inversor NMOS con resistencias de pull-up, el
inversor CMOS, los retardos de propagacin, las puertas NOR y NAND,
la lgica dinmica y las puertas de transmisin. Los amplificadores
integrados diferenciales y multietapa, incluyendo las tcnicas de
polarizacin para circuitos integrados, se tratan en el Captulo 7.
El Captulo 8 estudia la respuesta en frecuencia de los
amplificadores, incluyendo el efecto Miller, el modelo hbrido en n
para el bipolar y las configuraciones ms co- munes de
amplificadores. El Captulo 9 examina los temas de realimentacin y
osciladores. Las Secciones 9.1 a 9.4 tratan los diversos tipos de
realimentacin y sus efectos sobre la ganancia y las impedancias. A
continuacin, se proporcionan varios ejemplos de diseo en la Sec-
cin 9.5. Las Secciones 9.6 a 9.9 tratan la respuesta transitoria,
la respuesta en fre- cuencia y la compensacin de amplificadores
realimentados. En la Seccin 9.10 se analizan varios ejemplos de
amplificadores con realimentacin. Finalmente, se expli- can los
fundamentos sobre osciladores en las Secciones 9.11 y 9.12. La
seccin Proceso de diseo de un circuito: marcapasos aparece despus
del Captulo 9, y muestra una interesante aplicacin de muchos de los
circuitos y concep- tos explicados en el libro. En el Captulo 10 se
presentan las etapas de salida y las fuentes de alimentacin,
incluyendo las consideraciones trmicas, los dispositivos de
potencia, los amplificado- res de clase A y clase B, los
reguladores lineales de tensin y el diseo de fuentes de
alimentacin. El Captulo 11 trata sobre filtros activos, circuitos
sintonizados, redes de adapta- cin de impedancias, osciladores LC y
osciladores a cristal. El Captulo 12 estudia los comparadores,
circuitos temporizadores y convertidores de datos, incluyendo el
Schmitt-trigger, circuitos multivibradores, el circuito integrado
temporizador 555, convertidores digital-analgicos y convertidores
analgico-digita- les. Finalmente, la seccin Proceso de diseo de un
circuito: convertidor ca-cc de pre- cisin, ilustra otro diseo
prctico donde se emplean muchos de los conceptos ante- riormente
tratados en el libro. DEPENDENCIA ENTRE CAPTULOS Los primeros cinco
captulos forman la base sobre la que se asienta el resto del libro.
El orden de presentacin de los restantes captulos es extremadamente
flexible. El Ca- ptulo 5 que trata de los transistores MOSFET,
puede abordarse, si se desea, antes que el Captulo 4, dedicado a
los transistores bipolares. Prefacio XIX
13. http://www.ingeelectronico.blogspot.com AGRADECIMIENTOS
Quiero dar las gracias a mis muchos amigos en la Universidad
Tecnolgica de Michi- gan, en ASEE y en otros lugares, que me
ayudaron y animaron durante la escritura de este texto. Agradezco
especialmente el apoyo entusiasta que he recibido de mi colega Noel
Schulz. Estoy en deuda con el Dr. Orhan Soykan, de Medtronic, Inc.,
por muchas discusio- nes que me resultaron de gran ayuda y por su
contribucin en la seccin sobre el dise- o de un marcapasos que
aparece entre los Captulos 9 y 10. He recibido una gran cantidad de
excelentes consejos de profesores en otras insti- tuciones que
revisaron el manuscrito en varias etapas. Estos consejos han
mejorado el resultado final en gran medida, y les estoy agradecido
por su ayuda. Los revisores de la primera edicin son: Robert
Collin, Case Western University; W.T. Easter, North Carolina State
University; John Pavlat, Iowa State University; Edward Yang, Colum-
bia University; Ibrahim Abdel- Motaled, Northwestern University;
Clifford Pollock, Cornell University; Victor Gerez, Montana State
University; William Sayle II, Geor- gia Institute of Technology;
Michael Reed, Carnegie Mellon University; D.B. Brumm, Michigan
Technological University; Sunanda Mitra, Texas Tech University; y
Elmer Grubbs, New Mexico Highlands University. Quiero hacer llegar
mi especial agradecimiento a los revisores que leyeron los bo-
rradores de este libro y que proporcionaron comentarios y
sugerencias muy tiles. Es- tos revisores son: Gennady Gildenblat,
Penn State; Dr. Dan Moore, Rose Hulman Institute of Technology; Art
Davis, San Jose State University; Albert H. Titus, Rochester
Institute of Technology. Finalmente, quiero dar las gracias a mi
esposa Judy por tantas cosas distintas que sera imposible enumerar.
Allan R. Hambley XX Prefacio
14. http://www.ingeelectronico.blogspot.com Introduccin El
objetivo de este libro es proporcionar al lector una buena
comprensin de los principios bsi- cos de los circuitos electrnicos
digitales y analgi- cos. El libro se centra en la aplicacin y el
diseo de circuitos integrados, aunque el diseo de los mis- mos es
ms efectivo cuando se lleva a cabo con una visin general del
proceso global de diseo y del sistema concreto del que formar parte
el circuito. Por tanto, en este primer captulo se dar un resu- men
de los sistemas electrnicos, una descripcin general de los pasos
necesarios en su diseo, y los conceptos bsicos relacionados con los
sistemas di- gitales y los amplificadores electrnicos. El diseo de
circuitos electrnicos es un proceso complejo. Puede ser una
profesin y puede llegar a impresionar a personas que piensen que la
electr- nica es como la magia. Comprender el contenido de este
libro es un paso importante hacia una ca- rrera gratificante como
diseador de sistemas elec- trnicos. 11.1. Sistemas electrnicos 2
1.2. El proceso de diseo 8 1.3. Circuitos integrados 12 1.4.
Conceptos bsicos sobre los amplificadores 17 1.5. Amplificadores en
cascada 23 1.6. Fuentes de alimentacin y rendimiento 27 1.7.
Notacin en decibelios 30 1.8. Modelos de amplificadores 32 1.9.
Amplificadores ideales 39 1.10. Respuesta en frecuencia de los
amplificadores 41 1.11. Amplificadores diferenciales 49 Resumen 54
Problemas 56
15. http://www.ingeelectronico.blogspot.com 1.1. SISTEMAS
ELECTRNICOS Algunos sistemas electrnicos, como radios, televisores,
telfonos y computadores, re- sultan familiares al utilizarse
diariamente. Pero otros que tambin estn presentes a diario, no son
tan evidentes. Algunos sistemas electrnicos controlan la mezcla del
carburante y el momento del encendido para maximizar el rendimiento
y minimizar las emisiones no deseadas en los motores de los
automviles. La electrnica de los satlites meteorolgicos proporciona
una imagen continua y detallada de nuestro pla- neta. Otros
sistemas resultan an menos familiares. Por ejemplo, en Estados
Unidos se ha desarrollado un sistema de satlites conocido como GPS
(Global Positioning Sys- tem, sistema de posicionamiento global)
para proporcionar informacin en tres di- mensiones de la posicin de
los barcos y aviones en cualquier lugar de la Tierra, con una
precisin de varias decenas de metros. Esto es posible porque el
vehculo puede recibir las seales emitidas por varios satlites.
Comparando el instante de la llegada de las seales recibidas y
utilizando determinada informacin contenida en ellas relati- va a
las rbitas de los satlites, ser posible determinar la posicin del
vehculo. Ade- ms, es posible procesar las seales recibidas para
configurar un reloj local con una precisin de unos 100 ns. Entre
otros sistemas electrnicos se pueden citar: el sistema de control
del trfico areo, diversos tipos de radares, equipos de grabacin y
reproductores de CD, radios bidireccionales para la polica y la
comunicacin marina, satlites que retransmiten seales de televisin o
de otro tipo desde una rbita geosincrnica, instrumentacin
electrnica, sistemas de control de produccin, monitores
computerizados para los pa- cientes en las unidades de cuidados
intensivos o sistemas de navegacin. Diagramas de bloques de los
sistemas electrnicos Los bloques funcionales de los sistemas
electrnicos incluyen amplificadores, filtros, fuentes de seales,
circuitos conformadores de onda, funciones de lgica digital,
fuentes de alimentacin y convertidores. Los sistemas electrnicos se
componen de varios subsistemas o bloques funcionales. Estos bloques
funcionales se pueden dividir en varias categoras: amplificadores,
fil- tros, fuentes de seales, circuitos conformadores de onda,
funciones de lgica di- gital, memorias digitales, fuentes de
alimentacin y convertidores. En pocas pala- bras, podemos decir que
los amplificadores incrementan la intensidad de las seales dbiles,
los filtros separan las seales deseadas de las no deseadas y del
ruido, las fuentes de seales generan diversas formas de onda, como
senoidales o cuadradas, los circuitos conformadores de onda cambian
una forma de onda a otra (por ejemplo de senoidal a cuadrada), las
funciones de lgica digital procesan seales digitales, las me-
morias guardan informacin en formato digital, las fuentes de
alimentacin proporcio- nan la corriente continua necesaria a los
dems bloques funcionales, y los convertido- res cambian seales de
formato analgico a digital o viceversa. Ms adelante, en este mismo
captulo, se considerarn con ms detalle las caractersticas externas
de los am- plificadores. En la Figura 1.1 se muestra el diagrama de
bloques de una radio AM. Como puede observar, se muestran tres
amplificadores y dos filtros. El oscilador local es un ejem- plo de
una fuente de seal, y el detector de pico es un tipo especial de
circuito confor- mador de onda. Los circuitos digitales aparecen en
la interfaz de usuario (teclado y pantalla) y en el sintetizador de
frecuencias. Los circuitos digitales controlan la selec- cin de
canales y otras funciones, como el volumen. La descripcin completa
del siste- ma incluira especificaciones detalladas para cada
bloque. Por ejemplo, se mostrara la ganancia, la impedancia de
entrada y el ancho de banda de cada amplificador (se defi- nirn
detalladamente estos trminos ms adelante). Cada bloque funcional
consiste en 2 Electrnica
16. http://www.ingeelectronico.blogspot.com Amplificador de
sonido Altavoz Amplificador de frecuencia intermedia Sintetizador
de frecuencias Mezclador Pantalla Antena Oscilador local Control
Digital Memoria digital Radio de frecuencia Amplificador de radio-
frecuencia Filtro de frecuencia intermedia Detector de pico Teclado
Figura 1.1. Diagrama de bloques de un sistema electrnico simple:
una radio AM. un circuito compuesto por resistencias,
condensadores, bobinas, transistores, circuitos integrados y otros
dispositivos. El objetivo principal de este libro es proporcionar
la base para, partiendo de las especificaciones externas de un
bloque, como un amplificador, disear un circuito prctico que cumpla
las especificaciones deseadas. El objetivo principal de este libro
es proporcionar la base para, partiendo de las especificaciones
externas de un bloque, como un amplificador, disear un circuito
prctico que cumpla esas especificaciones. La seleccin de los
diagramas de bloques apropiados para los sistemas electrnicos
complejos se estudia en otros cursos, como los dedicados a sistemas
de control, arquitectura de computadores, procesamiento di- gital
de la seal o sistemas de comunicaciones. El procesamiento de la
informacin y la electrnica de potencia Muchos sistemas electrnicos
pertenecen a una o ms de las siguientes categoras: sis- temas de
procesamiento digital de la seal, sistemas de comunicacin,
electromedici- na, instrumentacin, sistemas de control y sistemas
informticos. Un aspecto comn de estas categoras es que todas
incluyen la recopilacin y procesamiento de seales portadoras de
informacin. Por tanto, la funcin principal de muchos sistemas
electr- nicos es extraer, almacenar, transportar o procesar la
informacin de una seal. Muchas veces, tambin es necesario que los
sistemas proporcionen energa a un dispositivo de salida. Esto
ocurre, por ejemplo, en un sistema de audio, en el cual es preciso
alimentar a los altavoces para producir el nivel deseado de sonido.
En un siste- ma de control para el posicionamiento automtico de un
satlite de comunicaciones, se utiliza la informacin extrada de
varias fuentes para controlar los pequeos motores de cohete que
mantienen al satlite en la posicin y orientacin adecuadas. Los
marca- pasos utilizan la informacin extrada de las seales elctricas
producidas por el cora- zn para determinar cundo se deber aplicar
un estmulo en forma de un pequeo pulso elctrico para asegurar el
latido adecuado. Aunque la potencia de salida de un marcapasos es
muy pequea, es importante considerar la eficiencia de sus circuitos
para asegurar una vida larga a la batera. Algunos sistemas
electrnicos se concentran en la potencia de las seales en vez de en
su informacin. Por ejemplo, se podra desear disponer de un sistema
que sumi- nistrase corriente alterna (obtenida a partir de la
corriente continua proporcionada por una serie de bateras) a un
computador aunque fallase la fuente de alimentacin de corriente
alterna. Captulo 1. Introduccin 3
17. http://www.ingeelectronico.blogspot.com Tiempo (a) Seal
analgica Amplitud 1 0 1 1 (b) Seal digital +A _A Amplitud Tiempo T
2T 3T Valores lgicos Figura 1.2. Las seales analgicas toman valores
continuos de amplitudes. Las seales digitales toman unas pocas
amplitudes discretas. Sistemas analgicos y sistemas digitales Las
seales portadoras de informacin pueden ser analgicas o digitales.
Las seales portadoras de informacin pueden ser analgicas o
digitales. Una seal analgica toma un margen continuo de valores de
amplitud. En la Figura 1.2 (a) se muestra la amplitud de una seal
analgica tpica en funcin del tiempo. Es preciso observar que, con
el transcurso del tiempo, la amplitud de la seal vara en un margen
continuo. Por el contrario, una seal digital toma un nmero finito
de amplitudes. Mu- chas veces, las seales digitales son binarias
(es decir, slo existen dos amplitudes posibles), aunque a veces sea
til disponer de ms niveles. Con frecuencia, las seales digitales
cambian de amplitud nicamente en instantes de tiempo espaciados
unifor- memente. En la Figura 1.2 (b), se muestra un ejemplo de una
seal digital. Las seales que presenta un transductor a la entrada
de un sistema electrnico suelen estar en formato analgico. Un
transductor es un dispositivo que convierte cualquier tipo de
energa en electricidad, o viceversa como en el caso de los sonidos
convertidos en seales elctricas mediante un micrfono, las seales de
televisin, las vibraciones ssmicas, la salida de un transductor de
temperatura en una turbina de va- por, etc. Otras seales, como la
salida del teclado de una computadora, se originan en formato
digital. Conversin de seales de formato analgico a digital Se
pueden convertir las seales analgicas al formato digital siguiendo
un proceso de dos pasos. Primero se realiza un muestreo (es decir,
se mide) la seal analgica en instantes de tiempo peridicos. Luego
se asigna una palabra de cdigo para represen- tar el valor
aproximado de cada muestra. Las palabras de cdigo suelen consistir
en smbolos binarios. Este proceso se ilustra en la Figura 1.3. Cada
valor de muestra est representado por un cdigo de 3 bits
correspondiente a la zona de amplitud a la que pertenece la
muestra. Por tanto, cada valor del muestreo se convierte en un
cdigo que se puede representar mediante una forma de onda digital,
como se muestra en la figura. El circuito para convertir seales de
esta manera se denomina ADC (Analog-to-Digital Converter,
convertidor analgico-digital). El DAC (Digital-to-Analog Converter,
con- vertidor digital-analgico) convierte seales digitales al
formato analgico (ms ade- lante se describir el diseo de ambos
tipos de convertidores). La frecuencia de muestreo necesaria para
una seal depende del contenido de fre- cuencias de la misma. (Se
puede considerar que las seales consisten en componentes senoidales
de varias frecuencias, amplitudes y fases. El anlisis de Fourier es
una rama de las matemticas que estudia esta forma de representar
las seales. Sin duda, el 4 Electrnica
18. http://www.ingeelectronico.blogspot.com 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1
0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 Amplitud Palabras de cdigo de tres
bits Valores de muestra Seal digital que representa bits de cdigo
sucesivos 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 t Seal analgica t Figura 1.3.
Conversin de una seal analgica en un equivalente digital aproximado
median- te muestreo. Cada valor de muestra viene representado por
un cdigo de 3 bits. Los convertidores reales utilizan palabras de
cdigo ms largas. lector habr estudiado, o estudiar, asignaturas que
traten de la teora de Fourier. (Consideraremos el contenido de
frecuencias de las seales ms adelante en este cap- tulo, pero sin
una base matemtica rigurosa). Si una seal no contiene componentes
con frecuencias mayores que fH, es posible reconstruirla
ntegramente a partir de sus muestras si la frecuencia de muestreo
seleccionada es mayor que el doble de fH. Por ejemplo, la
frecuencia ms alta de las seales de sonido es aproximadamente 15
kHz. Por tanto, la frecuencia de muestreo mnima que se debera
utilizar para las seales de sonido ser de 30 kHz. En la practica se
debera utilizar una frecuencia de muestreo algo mayor que el mnimo
terico. Por ejemplo, la tecnologa del disco compacto de sonido
convierte seales de audio al formato digital con una frecuencia de
muestreo de 44,1 kHz. Lgicamente, es preferible utilizar la
frecuencia de muestreo prctica ms baja posible, para minimizar la
cantidad de informacin (en forma de palabras de c- digo) que es
preciso guardar o manipular. Si una seal no contiene componentes
con frecuencias mayores de fH , podr ser reconstruida a partir de
sus muestras si se selecciona una frecuencia de muestreo mayor que
el doble de fH . Otra consideracin importante al convertir seales
analgicas en seales digitales es el nmero de zonas de amplitud que
se utilizarn. No se pueden representar ampli- tudes de seales
exactas porque todas las amplitudes contenidas en una zona determi-
nada tienen el mismo cdigo. Por tanto, cuando un DAC convierte los
cdigos para establecer la forma de onda analgica original, slo es
posible reconstruir una aproxi- macin de la seal original y la
tensin reconstruida estar en el centro de cada zona, como se
ilustra en la Figura 1.4. En consecuencia existe un error de
cuantificacin entre la seal original y la reconstruccin. Se puede
reducir este error utilizando un mayor nmero de zonas, lo cual
requiere una palabra de cdigo ms larga para cada muestra. El nmero
N de zonas de amplitud est relacionado con el nmero k de bits en
una palabra de cdigo de la siguiente manera: N % 2k (1.1) Captulo
1. Introduccin 5
19. http://www.ingeelectronico.blogspot.com 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0
1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 Error de cuantificacin t Reconstruccin Seal
analgica original 0 0 0 Figura 1.4. Aparece un error de
cuantificacin cuando se reconstruye una seal analgica a partir de
su equivalente digital. Por tanto, si se utiliza un ADC de 8 bits
(k % 8), existirn N % 28 % 256 zonas de amplitud. En la tecnologa
de discos compactos se utilizan palabras de 16 bits para
representar los valores de muestra. Con este nmero de bits es muy
difcil que el usua- rio detecte los efectos del error de
cuantificacin en la seal de sonido reconstruida. Los sistemas
electrnicos que procesan seales en formato analgico se denomina
sistemas analgicos. De la misma manera, los sistemas digitales
procesan seales digita- les. Muchos sistemas modernos contienen
elementos digitales y analgicos, e incluyen convertidores que
permiten a las seales pasar de uno a otro de los dos dominios.
Ventajas relativas de los sistemas analgicos y digitales El ruido
es una perturbacin no deseada aadida a la seal deseada. Puede
surgir por la agitacin trmica de los electrones en una resistencia,
por el acoplamiento inductivo o capacitivo de las seales de otros
circuitos, o por otros motivos. Estas seales de ruido suelen
aparecer aleatoriamente, y el diseador del circuito no puede
controlarlas (hasta cierto punto). Una de las ventajas ms
significativas que presentan los sistemas digitales en comparacin
con los sistemas analgicos es la manera en la que el ruido afecta a
las seales. Es posible eliminar completamente el ruido de las
seales digitales si la amplitud del ruido no es demasiado grande.
La Figura 1.5 muestra seales analgicas y digitales tpicas antes y
despus de la adicin de ruido. Observe que se pueden discernir los
niveles originales (alto y bajo) de la seal digital, aunque se haya
aadido el ruido, si la amplitud de pico del ruido es menor que la
mitad de la distancia entre los niveles de la seal digital. Esto es
posible porque la seal digital slo toma amplitudes especficas, que
continuarn siendo reco- nocibles al aadir ruido. Por tanto, es
posible eliminar completamente el ruido de las seales digitales si
la amplitud del ruido no es demasiado grande. El ruido tiende a
acumularse en las seales analgicas cada vez que son procesadas. Por
el contrario, cuando se aade ruido a la seal analgica, no es
posible determi- nar la amplitud original de la seal de manera
exacta, porque todos los valores de amplitud son vlidos. Por
ejemplo, un araazo en un disco de vinilo analgico crea un ruido que
no es posible eliminar. Si se transfiere la seal a una cinta
analgica se aadir ms ruido. Por tanto, el ruido tiende a acumularse
en las seales analgicas cada vez que son procesadas. 6
Electrnica
20. http://www.ingeelectronico.blogspot.com (a) Seal analgica
(c) Seal analgica con ruido (b) Seal digital 1 0 1 1 1 0 1 1 (d)
Seal digital con ruido t t t t Figura 1.5. Es posible determinar
las amplitudes originales de una seal digital despus de aadir
ruido. Esto no es posible para una seal analgica. En general, los
sistemas analgicos requieren menos componentes de circuito indi-
viduales que los sistemas digitales. En los primeros aos de la
electrnica, se fabrica- ban los componentes de circuito
individuales de manera separada, y luego se conecta- ban
manualmente. Estos circuitos se denominan circuitos discretos. La
mayora de los sistemas antiguos se diseaban como sistemas analgicos
(para minimizar el n- mero de componentes), porque el coste de un
circuito discreto es proporcional al n- mero de elementos de
circuito. Los procesadores de las computadoras modernas contienen
ms de 10 millones de componentes. La tecnologa moderna ha hecho
posible fabricar miles de componentes de circuito y sus
interconexiones al mismo tiempo, mediante unos pocos pasos de
procesamiento. Los circuitos fabricados de esta manera se denominan
circuitos integrados (CI). Ahora es posible fabricar un circuito
con 100.000 componentes con casi el mismo coste nece- sario para
fabricar un circuito con slo 10 componentes similares. Por tanto,
el coste de un circuito no aumentara en proporcin al nmero de
componentes, supuesto que todos los componentes puedan ser
utilizados en la fabricacin de circuitos integrados. Suele ser ms
fcil implementar circuitod digitales que circuitos analgicos
utilizando tcnicas de circuitos integrados. Es ms sencillo
implementar circuitos digitales que circuitos analgicos mediante
tcnicas de circuitos integrados. Los circuitos analgicos suelen
requerir resistencias, capacidades e inductancias grandes que no es
posible fabricar utilizando dichas tcni- cas. Por tanto, aunque los
sistemas digitales suelen ser ms complejos que los analgi- cos, la
aproximacin digital a un diseo suele resultar en un sistema ms
econmico y de mayores prestaciones. Con el desarrollo de la
tecnologa de los circuitos integrados, la tendencia de la industria
de la electrnica se ha inclinado hacia los sistemas digita- les de
altas prestaciones. La comparacin de un disco compacto digital con
el antiguo disco de vinilo o cinta analgica muestra esta tendencia,
as como la mejora en presta- ciones que puede conseguirse gracias a
este mtodo. Los sistemas digitales son ms adaptables a una gran
variedad de funciones que los sistemas analgicos. Adems, los
sistemas digitales son ms adaptables a una gran variedad de funcio-
nes que los sistemas analgicos. Por ejemplo, se pueden utilizar los
computadores di- gitales para llevar a cabo muchas tareas. Un
sistema de comunicaciones analgico di- seado para transportar una
serie de seales de voz no es fcilmente adaptable a una seal de
televisin o a datos de carcter informtico. Por el contrario, cuando
se utili- Captulo 1. Introduccin 7
21. http://www.ingeelectronico.blogspot.com zan tcnicas
digitales, es posible obtener un sistema que pueda comunicar seales
di- gitalizadas procedentes de varias fuentes. Muchas de las seales
de entrada y salida de los sistemas electrnicos son analgi- cas.
Adems, muchas funciones (en particular las que tratan con
amplitudes de seal bajas o frecuencias muy altas) requieren una
aproximacin analgica. La disponibi- lidad de circuitos digitales
complejos ha incrementado la cantidad de circuitos elec- trnicos
analgicos porque muchos sistemas modernos contienen partes
digitales y analgicas, pero no seran factibles como sistemas
completamente digitales o com- pletamente analgicos. Por tanto,
cabe esperar que los sistemas del futuro sigan te- niendo tanto
elementos analgicos como digitales. En cualquier caso, en el nivel
de circuito, que es el objetivo principal de este libro, las
consideraciones de diseo de los dos tipos de sistema son similares.
1.2. EL PROCESO DE DISEO En esta seccin se proporciona una
descripcin general de los pasos requeridos para la creacin de
sistemas electrnicos complejos. A veces, es necesario un gran
equipo de ingenieros (cientos o miles) para completar los pasos
entre el enunciado de un proble- ma y un sistema funcional.
Habitualmente, slo una parte del sistema est formada por circuitos
electrnicos y se requiere experiencia en muchos otros campos. En
este libro, el principal inters esta centrado en el diseo de
circuitos, aunque siempre es impor- tante para los diseadores de
circuitos considerar cmo encaja su trabajo en el proceso global de
diseo de un sistema. Diseo de sistemas En la Figura 1.6 se muestra
un diagrama de flujo del proceso de diseo de los sistemas
electrnicos. El proceso comienza con el enunciado de un problema
que se desea re- solver. Por ejemplo, es posible que se desee
disear un sistema que proporcione infor- macin a los barcos y
aviones sobre su posicin. El primer paso es desarrollar las
especificaciones detalladas del sistema. stas in- cluyen,
generalmente, elementos tales como el tamao, peso, forma, consumo
de ener- ga, tipo de fuentes de energa que hay que utilizar y coste
aceptable del sistema. Otras especificaciones se aplican a clases
particulares de sistemas. Por ejemplo, en un siste- ma de
comunicaciones ser preciso conocer el tipo de seales que sern
transmitidas, el ancho de banda total necesario para las seales
analgicas, la tasa de informacin para las seales digitales, la
relacin seal/ruido mnima aceptable en el destino para las seales
analgicas, la probabilidad mxima aceptable de error para la
transmisin de datos, el nmero y ubicacin de transmisores y
receptores, etc. El diseo es un proceso iterativo. El diseo es un
proceso iterativo. A medida que progresa un diseo, puede ser nece-
sario retroceder al paso de especificacin del sistema para refinar
las especificaciones. Suelen surgir cuestiones durante el proceso
de diseo que no se anticiparon al comienzo. A veces, es necesario
presentar las opciones al usuario del sistema final para obtener su
opinin en cuanto al establecimiento de especificaciones
adicionales. Por otro lado, es Los diseadores de sistemas
desarrollan varias aproximaciones generales, mediante un proceso
que no est bien definido ni es fcilmente explicable. posible que
los diseadores sean capaces de determinar las especificaciones
adicionales apropiadas, a partir de su conocimiento del propsito
del sistema. Una vez determinados los requisitos del sistema, los
ingenieros de diseo de siste- mas considerarn todas las
aproximaciones que puedan imaginar para resolver el proble- ma. En
este paso es importante la creatividad. En los captulos posteriores
se incluyen problemas de diseo para los cuales es necesaria una
cierta creatividad. Afortunada- 8 Electrnica
22. http://www.ingeelectronico.blogspot.com Desarrollo de las
especificaciones del sistema Enunciado del problema Generacin de
planteamientos de solucin Diseo de diagramas de bloques del
sistema, incluyendo las especi- ficaciones del documento Diseo de
los circuitos internos de cada bloque Construccin de circuitos
prototipos Prueba Descarte de los planteamientos de solucin que no
sean prcticos Montaje del sistema prototipo Prueba y finalizacin
del diseo Produccin Sistema en funcionamiento En este libro se
estudiar principalmente esta actividad Figura 1.6. Diagrama de
flujo tpico para el diseo de sistemas electrnicos. mente, la
creatividad se desarrolla con la prctica y la experiencia. Adems,
se puede aprender estudiando las soluciones que otros han creado
despus de haber abordado pro- blemas difciles que requieran
creatividad para su resolucin. Por tanto, los ingenieros de
sistemas desarrollan varias aproximaciones generales a un problema,
mediante un proceso que no est bien definido ni es fcilmente
explica- ble. Por ejemplo, el problema podra consistir en disear un
sistema para que los rada- res no puedan detectar a un avin. Son
posibles varias aproximaciones bsicas, in- cluyendo el diseo de la
forma del avin de manera que ste no refleje seales de radar, la
construccin del avin con materiales que absorban las seales de
radar, la colocacin de un transmisor en el avin que transmita
seales que cancelen los refle- jos del radar, el diseo de un
sistema de control electrnico de manera que el avin pueda volar
cerca del suelo (fuera del alcance del haz del radar), y otras
ideas todava mejores que an no han sido inventadas. Un ejemplo ms
sencillo es el diseo de un sistema que proporcione corriente
elctrica a los circuitos de un determinado computador. Primero ser
preciso determi- nar las especificaciones del sistema, que
incluiran las tensiones nominales, la corrien- te necesaria para
cada tensin, la cantidad de fluctuacin de tensin permitida, si la
fuente debe ser porttil o no, el nivel necesario de fiabilidad del
sistema, etc. Son posi- bles varias aproximaciones bsicas, como la
utilizacin de bateras primarias (no re- cargables), bateras
secundarias (recargables), circuitos rectificadores que conviertan
corriente alterna en continua y generadores elctricos con motor de
explosin. Suele ocurrir que algn requisito fuerce a seleccionar slo
una o dos de las aproximaciones posibles. Por ejemplo, si se
requiere que la fuente de alimentacin proporcione una gran potencia
aunque falle la toma de corriente alterna durante perodos de larga
dura- cin, ser ms recomendable la aproximacin del generador
elctrico con motor de explosin. Por el contrario, si hay disponible
corriente alterna y no se requiere que el sistema siga funcionando
durante los cortes de alimentacin, la mejor solucin ser algn tipo
de rectificador (los rectificadores se estudiarn en el Captulo 3).
Captulo 1. Introduccin 9
23. http://www.ingeelectronico.blogspot.com Una vez
seleccionadas varias aproximaciones vlidas, se crear al menos un
posi- ble diagrama de bloques para cada una. En la parte electrnica
del sistema, los bloques componentes tpicos son: amplificadores,
convertidores analgico-digitales, converti- dores
digital-analgicos, filtros, generadores de seal, circuitos
conformadores de on- da, funciones lgicas, memorias digitales y
fuentes de alimentacin. Habr que deter- minar las especificaciones
para cada bloque, de manera que el sistema completo cumpla sus
metas. En este punto, puede que sea posible eliminar una
aproximacin a la solucin debido a la existencia de requisitos
extremos para uno de los bloques. Al final, terminarn resultando
uno o ms diagramas de bloques, con especificaciones de- talladas y
razonables para cada bloque. Por supuesto, puede que ms adelante se
en- cuentre que alguna de estas especificaciones no es razonable y
sea necesario cambiar el diagrama de bloques o seleccionar una
aproximacin completamente diferente. Diseo de circuitos Los
diseadores de circuitos deben afrontar el problema de disear
circuitos que cum- plan las especificaciones de los bloques
funcionales que han sido detallados durante el diseo del sistema.
Por ejemplo, es posible que se necesite un amplificador con una
determinada ganancia, impedancia de entrada y ancho de banda (se
estudiarn los am- plificadores y sus especificaciones ms adelante
en este captulo). El proceso de dise- o interno para cada bloque
del sistema es similar al diseo del sistema completo. En la Figura
1.7 se muestra un diagrama de flujo del proceso de diseo de
circuitos. Suele ser necesario realizar un anlisis matemtico para
desarrollar ecuaciones de diseo adecuadas para el circuito
especificado; por ello, se ilustrarn tcnicas de anlisis para los
circuitos electrnicos a lo largo del libro. Primero se propondr una
configuracin de circuito en funcin de la experiencia e ingenio del
ingeniero de diseo. Conforme se estudie el material de este libro,
aumen- tar la coleccin de configuraciones tiles de circuitos del
lector, as como su capaci- dad de crear configuraciones nuevas.
Luego se seleccionarn los valores para cada parmetro del circuito,
lo cual se puede llevar a cabo sustituyendo las especificaciones
por ecuaciones de diseo, utilizando la experiencia con circuitos
similares o, en algu- nos casos, realizando estimaciones lgicas.
Suele ser necesario realizar un anlisis ma- temtico para
desarrollar ecuaciones de diseo adecuadas para el circuito
especifica- do; por ello, se ilustrarn tcnicas de anlisis para los
circuitos electrnicos a lo largo del libro. El proceso ms
complicado es el de seleccionar una configuracin del circuito y
unos valores iniciales de los parmetros; esta complejidad aumenta a
medida que lo Seleccin de la configuracin del circuito Seleccin de
los valores de los componentes Estimacin de las prestaciones*
Construccin del prototipo Diseo finalPrueba Especificaciones del
bloque funcional *Utilizando el anlisis terico, una simulacin por
computador, o pruebas reales con los circuitos. Figura 1.7.
Diagrama de flujo del proceso de diseo de circuitos. 10
Electrnica
24. http://www.ingeelectronico.blogspot.com hace la dificultad
del diseo. Por tanto, es necesario verificar que la configuracin y
los valores elegidos para los componentes cumplen las
especificaciones proporciona- das. Esto se puede llevar a cabo de
varias maneras: mediante el anlisis matemtico del circuito,
mediante la simulacin por computadora del mismo o mediante la cons-
truccin del circuito y posterior realizacin de medidas. Mediante el
anlisis matemtico, se obtienen ecuaciones que relacionan las pres-
taciones de un circuito con los valores de sus componentes. Por
ejemplo, es posi- ble encontrar una frmula para la ganancia de una
configuracin de amplificador particular, en funcin de los valores
de las resistencias y los parmetros de los transistores. Luego, se
pueden introducir los valores seleccionados en la frmula para
comprobar si se alcanzan las prestaciones especificadas. La
aproximacin teri- ca suele presentar la ventaja de mostrar
claramente la manera de cambiar los valores de los componentes si
no se cumplen las especificaciones. Por ejemplo, si la ganan- cia
del amplificador es muy baja y el anlisis muestra que la ganancia
es proporcio- nal al valor de una resistencia particular, se podr
incrementar el valor de esa resis- tencia. Sin embargo, los
circuitos suelen ser complejos, y el anlisis terico puede ser
complicado. En ese caso, ser posible simplificar el anlisis (a
expensas de la preci- sin), recurrir a la simulacin por computador
o, en raras ocasiones, construir un cir- cuito real y medir las
prestaciones correspondientes. Aunque la tendencia del sector se
inclina hacia el uso de los computadores en el diseo de circuitos,
es recomendable familiarizarse con el anlisis matemtico
tradicional. Existen programas que pueden simular circuitos
integrados complejos con un mayor grado de precisin que el que es
posible obtener mediante el anlisis terico. Sin embargo, la
simulacin por computador proporciona informacin numrica relati- va
a las prestaciones de un circuito con valores especficos de los
componentes, pero no suele proporcionar expresiones algebraicas que
se puedan estudiar para comprobar los parmetros que es preciso
cambiar para cumplir las especificaciones. Por tanto, aunque la
tendencia del sector se inclina hacia el uso de computadores en el
diseo de circuitos, es recomendable familiarizarse con el anlisis
matemtico tradicional. La construccin de un circuito y la medida de
su comportamiento son la prueba definitiva para determinar las
prestaciones del circuito. Sin embargo, los sistemas electrnicos se
suelen implementar en forma altamente integrada, por lo que es
prcti- camente imposible observar su funcionamiento interno. Adems,
el coste y el tiempo necesarios para producir prototipos de
circuitos integrados impiden una experimenta- cin exhaustiva. Por
tanto, suele ser necesario emplear el anlisis matemtico y la si-
mulacin por computador para verificar el funcionamiento adecuado de
los diseos antes de implementarlos. La mejor aproximacin suele ser
un anlisis terico simplificado que facilite la comprensin del
circuito y proporcione una estimacin de los parmetros del mismo. Es
posible completar este proceso de estudio empleando la simulacin
por computador para refinar los valores del circuito. Al llevar a
cabo un diseo, el tiempo es crtico y por ello se suele adoptar la
aproximacin que lleve al resultado deseado con el menor esfuerzo de
diseo posible. Sin embargo, emplear un cierto tiempo en investigar
un circuito puede ser beneficioso a largo plazo. Una vez se ha
completado un diseo y se ha comprobado, mediante el anlisis terico
y la simulacin por computador, que puede cumplir las
especificaciones desea- das, se construir un circuito prototipo
para verificar que el diseo cumple efectiva- mente las
especificaciones. En aquellos casos (esperemos que raros) en que
falle el prototipo, es posible que se pueda resolver el problema
ajustando los valores de los componentes. En otros casos, es
posible que sea necesario disear otra configuracin para el
circuito. En casos ms extremos, slo ser posible solucionar el
problema dise- ando un diagrama de bloques diferente o adoptando
una aproximacin bsica de dise- o del sistema distinta. Captulo 1.
Introduccin 11
25. http://www.ingeelectronico.blogspot.com La necesidad de
documentacin La principal tarea del ingeniero de diseo es producir
la documentacin necesaria para que otras personas puedan construir
el sistema completo de manera correcta y eficaz. Es muy importante
producir una documentacin precisa y completa durante el proceso de
diseo, ya que la principal tarea del ingeniero de diseo es producir
la documenta- cin necesaria para que otras personas puedan
construir el sistema completo de mane- ra correcta y eficaz. La
documentacin tpica consta de diagramas de circuito, diseos
mecnicos, listas de componentes, procedimientos de prueba,
registros de formas de ondas o medidas en varios puntos del
circuito, explicaciones del funcionamiento del circuito y diagramas
de cableado. Parte de la documentacin, como el esquema del
circuito, es estndar para todo el sector aunque otra parte sea
especfica de cada em- presa concreta. Los sistemas que haya que
disear pueden ser muy complejos. A lo largo del tiem- po, a los
ingenieros se les pide que trabajen en varios sistemas. El trabajo
en un bloque concreto de un sistema puede estar distribuido a lo
largo de muchos meses, con largas interrupciones entre las diversas
actividades. La memoria humana no es suficiente pa- ra garantizar
un progreso eficaz por lo que es necesario guardar la informacin en
un formato escrito o susceptible de ser ledo por una mquina, de
manera que est dispo- nible para las dems personas que trabajen en
un sistema concreto, y no se confe simplemente en la memoria. La
informacin se suele guardar en redes de computadores, de manera que
el esta- do actual del diseo completo del sistema est siempre
disponible para todos los inge- nieros. Esto permite asegurar la
compatibilidad entre las diversas partes del sistema, y proporciona
una mayor eficiencia al proceso de diseo. 1.3. CIRCUITOS INTEGRADOS
Hemos visto que los ingenieros de sistemas disean los diagramas de
bloque de los sistemas electrnicos. Los diseadores de circuitos
seleccionan los dispositivos ade- cuados, y determinan cmo
interconectarlos para implementar los bloques del sistema. Existen
dos grupos adicionales de profesionales electrnicos que realizan
contribucio- nes muy importantes a este tipo de sistemas. Un grupo
est formado por los ingenieros y cientficos que conducen la
investigacin bsica sobre los principios de la electrni- ca fsica, y
otro lo forman los ingenieros de procesos, que disean los procesos
de fabricacin para los dispositivos y los circuitos integrados. La
investigacin bsica de los principios fsicos de los materiales y
dispositivos electrnicos es la base de todo el progreso en los
sistemas electrnicos. Sin la com- prensin de la fsica relacionada
con la conduccin de la electricidad, no existira la electrnica. El
estudio de los principios de la electrnica fsica no est completo
sino que contina y se puede esperar que se produzcan ms
descubrimientos importantes. Por tanto, la electrnica fsica sigue
siendo un rea muy importante de investigacin. Describiremos algunos
de los principios bsicos de la electrnica fsica a medida que sea
necesario, pero el enfoque principal de este libro es el diseo de
circuitos. A los descubrimientos cientficos en electrnica fsica,
les ha seguido rpidamente las aplicaciones. La electrnica comenz
con la invencin de un dispositivo de ampli- ficacin y conmutacin
conocido como triodo de vaco, creado por Lee DeForest en 1906. La
tecnologa de tubos de vaco llev a la popularizacin de la
radiodifusin en los aos 20, al desarrollo de la televisin en los
aos 30 y a los primeros computadores electrnicos en los aos 40. En
1947, un equipo que trabajaba en Bell Laboratories bajo la direccin
de Wi- lliam Shockley, cre el transistor de estado slido. Se
reconoci inmediatamente el tremendo potencial de este dispositivo
y, desde entonces, la electrnica moderna se ha 12 Electrnica
26. http://www.ingeelectronico.blogspot.com desarrollado de una
manera muy rpida. La investigacin continua en el campo de la fsica
del estado slido permite que se produzcan los descubrimientos
bsicos esencia- les para el avance de los sistemas electrnicos.
Transistores Los diversos tipos de transistores son los elementos
clave de los sistemas electrnicos modernos. Se construyen mediante
el dopado de un semiconductor, como por ejemplo un cristal de
silicio, introduciendo impurezas cuidadosamente seleccionadas y
contro- ladas. Determinadas impurezas producen materiales de tipo
n, en los que la conduc- cin se debe principalmente a los
electrones libres. Otros tipos de impurezas produ- cen materiales
de tipo p, en los que la conduccin se debe, en realidad, a
partculas positivas llamadas huecos. tipo n tipo n tipo p Figura
1.8. El transistor bipolar npn. Un dispositivo electrnico de gran
importancia es el transistor bipolar o BJT (bi- polar junction
transistor), que est compuesto por una serie de capas de
semiconductor dopado, como se muestra en la Figura 1.8. La figura
muestra un transistor npn que tiene una capa de material de tipo p
entre dos capas de tipo n, aunque tambin es posible construir un
transistor bipolar pnp. Otro dispositivo importante es el MOSFET
(metal-oxide-semiconductor field-ef- fect transistor: transistor de
efecto de campo de metal-xido-semiconductor), que se muestra en la
Figura 1.9. Este dispositivo contiene una puerta metlica (G)
aislada de un canal de semiconductor de tipo n mediante una capa de
dixido de silicio (se pueden Substrato de tipo p (cuerpo) Canal
Metal xido S G D B n n Figura 1.9. Un transistor MOS
(metal-oxide-semiconductor: metal-xido-semiconductor). Captulo 1.
Introduccin 13
27. http://www.ingeelectronico.blogspot.com construir
dispositivos de similar utilidad empleando un canal de material de
tipo p). Los terminales llamados drenador (D) y fuente (S) estn
conectados a los extremos opuestos del canal. Un MOSFET puede
funcionar como un interruptor que conecta y desconecta los
terminales del drenador y la fuente, segn la tensin aplicada a la
puerta. Un MOSFET puede funcionar como un interruptor que conecta y
desconecta los terminales del drenador y la fuente segn la tensin
aplicada a la puerta. Para deter- minados mrgenes de la tensin
aplicada, el interruptor estar abierto, y no pasar corriente entre
el drenador y la fuente. Para otros valores de tensin de puerta, el
interruptor estar cerrado, y la corriente pasar fcilmente entre el
drenador y la fuente. Esta accin de tipo interruptor es la base de
los circuitos digitales. En la ejecucin de los programas de un
computador, millones de transistores MOS conmu- tan cada segundo.
En la ejecucin de los programas de un computador, millones de
transistores MOS conmutan cada segundo. Otro modo de trabajo del
MOSFET tiene lugar cuando la tensin en la puerta se encuentra entre
los dos valores para los cuales el canal entre el drenador y la
fuente est abierto o cerrado. En este caso, la corriente del canal
podr ser controlada con precisin por la tensin presente en la
puerta. En esta regin, el MOSFET puede am- plificar seales
analgicas. En un equipo de sonido, los transistores hacen variar
rpi- damente el flujo de corriente hacia los altavoces para
producir la msica. De manera similar, los transistores bipolares
pueden funcionar como interruptores (que son tiles en los circuitos
digitales) o como fuentes controladas de corriente (que son tiles
en los circuitos analgicos). Circuitos integrados En 1958, Jack
Kilby (de Texas Instruments) y Noyce y Moore (de Fairchild Semicon-
ductor), inventaron de manera independiente un dispositivo
extremadamente impor- tante: el circuito integrado (CI), que
combina transistores bipolares, MOSFET, resis- tencias y
condensadores, junto con todas sus interconexiones, en un circuito
funcional dentro de un nico chip. A continuacin, se describe
brevemente y de manera simplificada la fabricacin de un circuito
integrado. La descripcin ilustra los pasos que emplean
habitualmente los ingenieros de procesos para fabricar los CI. El
proceso comienza con el refinamiento del silicio hasta un altsimo
grado de pureza. Luego, se aaden impurezas seleccionadas para crear
material de tipo n, y se produce un nico cristal. El cristal
resultante suele ser un cilindro de 8 pulgadas (200 milmetros) de
dimetro. Se corta el cristal en obleas circulares de 650 a 700 km
de grosor, cada una de las cuales terminar conteniendo los
circuitos integrados. A continuacin, se pule la superficie de la
oblea hasta obtener una apariencia simi- lar a la de un espejo. La
superficie pulida se expone a oxgeno en un horno y se produ- ce una
capa superficial de dixido de silicio. Luego, se recubre el xido
con una sus- tancia fotosensible. Las zonas diseadas para
convertirse en las regiones de tipo p de los transistores son
expuestas a la luz a travs de una mscara, como se ilustra en la
Figura 1.10. Luego se elimina por medios qumicos la sustancia
fotosensible que ha quedado expuesta y el dixido de silicio,
quedando expuesta la oblea de silicio. Este subproceso, denominado
fotolitografa (ilustrado en la Figura 1.11), abre una serie de
ventanas en el dixido de silicio sobre las regiones que se
convertirn en el material de El proceso de fotolitografa se repite
varias veces en la fabricacin de dispositivos electrnicos.
tipo