Circuitos y dispositivos electrónicos. Fundamentos de electrónica

453 Pages·1999·2.63 MB·Spanish

by  Lluís Prat Viñas

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Lluís Prat Viñas, ed.
Circuitos
y dispositivos
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Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del
copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de
esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el
tratamiento informático y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o
préstamo públicos, así como la exportación e importación de ejemplares para su
distribución y venta fuera del ámbito de la Unión Europea.
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Prólogo
La rápida evolución de la tecnología electrónica obliga a una renovación y actualización constante de
su enseñanza. Deben introducirse nuevos conceptos y condensar otros. En particular hay dos aspectos
que en la actualidad conviene considerar desde el principio en la formación del estudiante: la utiliza-
ción de herramientas informáticas para el análisis y diseño de circuitos electrónicos, y proporcionar al
estudiante una visión global de la ingeniería electrónica. Este segundo aspecto es consecuencia de la
creciente interacción entre el diseñador de circuitos y sistemas y el fabricante de circuitos integrados.
Este libro pretende responder a este planteamiento. Se trata de un texto de introducción a la electróni-
7
ca dirigido a estudiantes que inician sus estudios universitarios. Su contenido puede agruparse en cua-
tro bloques temáticos.
El primer bloque está dedicado a introducir las técnicas más elementales de análisis de circuitos. El
conocimiento de esta temática es esencial para comprender el comportamiento de los circuitos elec-
trónicos que se tratan en los restantes capítulos. Este bloque comprende los cinco primeros capítulos
del libro.
El segundo bloque se dedica a presentar las características eléctricas de los principales dispositivos
semiconductores y su aplicación a circuitos analógicos y digitales básicos. Las características de los
dispositivos electrónicos se presentan a partir de su circuito equivalente. Los dispositivos tratados en
este texto son el diodo, el transistor bipolar, los transistores de efecto de campo (MOS y JFET), los
tiristores y algunos dispositivos optoelectrónicos. Este bloque comprende los capítulos seis al nueve.
El tercer bloque presenta los rasgos más significativos del comportamiento físico de los dispositivos
semiconductores y de su tecnología de fabricación. A partir de las propiedades eléctricas de los semi-
conductores se explica el comportamiento de la unión PN y el principio de funcionamiento del tran-
sistor bipolar y del transistor MOS, justificando el modelo circuital que representa al dispositivo.
También se presentan los procesos básicos en la tecnología de semiconductores y las etapas de fabri-
cación del transistor bipolar y del transistor MOS. Este tema se desarrolla en el capítulo diez.
El cuarto bloque se dedica a la presentación y utilización del programa de análisis de circuitos por
ordenador SPICE. A diferencia de los anteriores, la presentación de esta temática se distribuye a lo
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CIRCUITOSYDISPOSITIVOSELECTRÓNICOS
largo del texto. En el apéndice B se hace una presentación general del programa comercial PSPICE, y
al final de los capítulos cuatro al ocho se presenta la utilización de este simulador de manera gradual.
Se pone especial énfasis en la forma en que SPICE modela los distintos dispositivos semiconductores.
Se han cuidado, de forma especial, los aspectos pedagógicos en la presentación de las materias que
contiene este libro, ofreciendo gran cantidad de material educativo: ejemplos resueltos, ejercicios pro-
puestos al estudiante indicando la solución, cuestiones conceptuales que estimulen la reflexión del lec-
tor y problemas de aplicación.
Este libro se ha escrito a partir de la experiencia adquirida por sus autores en la enseñanza, durante
varios años, de un curso semestral de introducción a la electrónica en la Escola Tècnica Superior
d’Enginyers de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB) y en la Escola Universitària Politècnica del
Baix Llobregat (EUPBL), ambas de la Universitat Politècnica de Catalunya. El libro desborda el con-
tenido de dicho curso con el objeto de facilitar su utilización como material educativo en otros estu-
dios. En particular, si los estudiantes ya han seguido un curso básico de análisis de circuitos, se pue-
den obviar los cinco primeros capítulos y centrar el curso en el resto del libro.
Los autores quieren expresar su agradecimiento a las autoridades académicas de la Universitat
Politècnica de Catalunya por la ayuda concedida para la elaboración de este libro. Asimismo desean
agradecer los consejos y comentarios recibidos de colegas y estudiantes durante la elaboración de este
libro y que han sido de gran utilidad.
8
Los autores
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Índice
1 Conceptos básicos
1.1 Magnitudes eléctricas fundamentales...................................................................... 15
1.1.1 Carga eléctrica.............................................................................................. 15
1.1.2 Campo eléctrico........................................................................................... 15
1.1.3 Tensión......................................................................................................... 17
1.1.4 Corriente....................................................................................................... 18
1.1.5 Potencia........................................................................................................ 20
9
1.2 Componentes, dispositivos y circuitos..................................................................... 21
1.3 Señales...................................................................................................................... 23
1.3.1 Señal escalón................................................................................................ 23
1.3.2 Señal exponencial......................................................................................... 25
1.3.3 Señal sinusoidal............................................................................................ 26
1.4 Leyes de Kirchhoff................................................................................................... 28
1.5 Símbolos y unidades................................................................................................ 30
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 31
2 Circuitos resistivos
2.1 Concepto de resistencia............................................................................................ 35
2.2 Análisis de circuitos resistivos por el método de nudos.......................................... 39
2.3 Análisis de circuitos resistivos por el método de mallas......................................... 42
2.4 Concepto de circuito equivalente............................................................................. 45
2.5 Resistencias en serie. El divisor de tensión............................................................. 46
2.6 Resistencias en paralelo. El divisor de corriente..................................................... 48
2.7 Reducción de circuitos resistivos............................................................................. 49
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 51
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3 Circuitos lineales
3.1 Linealidad y superposición...................................................................................... 57
3.2 Cálculo de un circuito por el método de superposición.......................................... 61
3.3 Circuitos equivalentes de Thévenin y de Norton..................................................... 62
3.4 Transferencia de señal.............................................................................................. 65
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 67
4 Fuentes dependientes
4.1 Concepto de fuente dependiente lineal.................................................................... 73
4.2 Análisis de circuitos con fuentes dependientes........................................................ 74
4.3 Fuentes dependientes y circuitos activos................................................................. 78
4.4 El amplificador operacional..................................................................................... 78
4.5 Análisis de circuitos con A.O. que trabajan en la región lineal.............................. 81
4.6 Circuitos de acoplamiento con A.O......................................................................... 86
4.7 Análisis de circuitos con A.O. operando en forma no lineal................................... 88
4.8 Análisis de circuitos con ordenador usando SPICE................................................ 90
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 95
10
5 El condensador, la bobina y el transformador
5.1 El condensador......................................................................................................... 103
5.1.1 El condensador ideal.................................................................................... 103
5.1.2 Principio físico de funcionamiento.............................................................. 107
5.1.3 Asociación de condensadores...................................................................... 108
5.2 Análisis de circuitos RC........................................................................................... 110
5.2.1 Respuesta de un condensador a señales en escalón..................................... 111
5.2.2 Respuesta de circuitos RCa excitaciones sinusoidales............................... 120
5.3 La bobina.................................................................................................................. 125
5.3.1 La bobina ideal............................................................................................. 125
5.3.2 Principio físico de funcionamiento.............................................................. 127
5.3.3 Asociación de bobinas en serie y en paralelo.............................................. 128
5.4 Análisis de circuitos RL........................................................................................... 129
5.5 Linealidad y energía almacenada en condensadores y bobinas............................... 134
5.6 El transformador....................................................................................................... 135
5.6.1. El transformador ideal ................................................................................. 136
5.6.2. El transformador real .................................................................................. 136
5.7 Análisis de circuitos con condensadores y bobinas usando SPICE........................ 140
Cuestiones y problemas .................................................................................................... 142
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ÍNDICE
6 El diodo. Circuitos con diodos
6.1 El diodo. Conceptos básicos.................................................................................... 149
6.1.1 El diodo ideal............................................................................................... 149
6.1.2 El diodo real................................................................................................. 151
6.2 El diodo en continua y baja frecuencia.................................................................... 153
6.3 El diodo rectificador................................................................................................. 154
6.3.1 Modelización del diodo rectificador............................................................ 154
6.3.2 Técnicas de análisis de circuitos con diodos en continua y baja frecuencia.. 158
6.3.3. Aplicaciones del diodo rectificador............................................................. 161
6.4 El diodo zener.......................................................................................................... 178
6.4.1 Modelización del diodo zener...................................................................... 178
6.4.2 Aplicaciones del diodo zener....................................................................... 179
6.5 El diodo en régimen dinámico. Transitorios de conmutación................................. 182
6.6 El diodo en pequeña señal........................................................................................ 184
6.6.1 Concepto de circuito incremental................................................................ 185
6.6.2 Modelo del diodo en pequeña señal............................................................. 186
6.7 Consideraciones térmicas......................................................................................... 188
6.7.1 Efectos de la temperatura sobre las características del diodo...................... 189
6.7.2 Potencia disipada y aumento de la temperatura........................................... 189
6.8 Análisis de circuitos con diodos usando SPICE...................................................... 190
6.8.1 Modelo SPICE del diodo ............................................................................ 191
6.8.2 Ejemplos de análisis de circuitos con diodos con SPICE............................ 193
11
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 198
7 El transistor bipolar
7.1 El transistor bipolar. Conceptos básicos.................................................................. 205
7.2 El transistor bipolar en continua y en baja frecuencia............................................. 209
7.2.1 Curvas características del transistor bipolar en emisor común.................... 209
7.2.2 Análisis de circuitos con transistores bipolares en continua....................... 216
7.3 El transistor bipolar en régimen dinámico............................................................... 220
7.4 El transistor bipolar como interruptor...................................................................... 221
7.4.1 Puertas lógicas con transistores bipolares. Puertas TTL............................. 224
7.5 El transistor bipolar como amplificador. Conceptos básicos................................... 228
7.5.1 Análisis en continua. Punto de reposo......................................................... 229
7.5.2 Análisis en gran señal. Amplificación y márgenes dinámicos.................... 230
7.5.3 Análisis en pequeña señal. Circuito incremental y ganancia....................... 233
7.5.4 Amplificador con componentes discretos.................................................... 235
7.5.5 Estructura típica de un amplificador integrado............................................ 241
7.5.6 Resistencia de entrada y resistencia de salida de un amplificador ............. 244
7.6 El transistor bipolar como amplificador. Modelos en pequeña señal...................... 246
7.6.1 El circuito equivalente híbrido en p............................................................. 246
7.6.2 El circuito equivalente de parámetros h....................................................... 249
7.6.3 Limitaciones del transistor bipolar en alta frecuencia................................. 251
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CIRCUITOSYDISPOSITIVOSELECTRÓNICOS
7.7 El transistor bipolar como amplificador. Etapas elementales.................................. 252
7.7.1 Análisis de las etapas elementales............................................................... 255
7.7.2 Comparación entre las etapas elementales................................................... 258
7.8 El par de transistores bipolares acoplados por emisor............................................. 262
7.8.1 El amplificador diferencial........................................................................... 264
7.8.2 La puerta lógica ECL................................................................................... 267
7.9 Limitaciones en la operación de los transistores bipolares...................................... 269
7.10 Análisis de circuitos con transistores bipolares usando SPICE............................... 270
7.10.1 Modelo del transistor bipolar en SPICE...................................................... 270
7.10.2 Ejemplos de análisis de circuitos con transistores mediante SPICE........... 272
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 277
8 El transistor MOS
8.1 El transistor de efecto de campo MOS. Conceptos básicos.................................... 283
8.2 El transistor MOS en continua................................................................................. 288
8.2.1 Curvas características................................................................................... 288
8.2.2 Análisis de circuitos con transistores MOS en continua............................. 291
8.3 El transistor MOS en régimen dinámico.................................................................. 294
8.4 El transistor MOS como resistencia......................................................................... 295
8.4.1 Cargas saturadas y cargas de vaciamiento................................................... 295
12
8.4.2 El inversor NMOS....................................................................................... 297
8.4.3 El MOS como resistencia controlada por tensión....................................... 303
8.5 El transistor MOS como interruptor........................................................................ 303
8.5.1 El MOS como transistor de paso................................................................. 304
8.5.2 El inversor CMOS........................................................................................ 306
8.5.3 Puertas lógicas NMOS y CMOS................................................................. 309
8.6 El transistor MOS como amplificador..................................................................... 311
8.6.1 Circuitos básicos.......................................................................................... 312
8.6.2 Modelo de pequeña señal del transistor MOS saturado ............................. 313
8.7 Efectos de segundo orden en los transistores MOS................................................. 317
8.7.1 Modelos más precisos del transistor MOS.................................................. 317
8.7.2 Conducción en la región de inversión débil................................................ 317
8.8 Análisis de circuitos con transistores MOS usando SPICE..................................... 318
8.8.1 Modelo del transistor MOS en SPICE......................................................... 318
8.8.2 Ejemplo de análisis de circuitos con transistores MOS usando SPICE...... 320
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 321
9 Otros dispositivos semiconductores
9.1 Dispositivos optoelectrónicos.................................................................................. 329
9.1.1 El diodo electroluminiscente (LED)............................................................ 329
9.1.2 El fotodiodo.................................................................................................. 331
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ÍNDICE
9.1.3 La célula solar.............................................................................................. 332
9.1.4 El fototransistor............................................................................................ 333
9.2 Dispositivos para la electrónica de potencia............................................................ 335
9.2.1 El rectificador controlado de silicio (SCR)................................................. 337
9.2.2 El triac.......................................................................................................... 341
9.2.3 El GTO y el IGBT....................................................................................... 343
9.3 El transistor de efecto de campo de unión (JFET).................................................. 347
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 351
10 Teoría y tecnología de dispositivos semiconductores
10.1 Conducción eléctrica en semiconductores............................................................... 355
10.1.1 Estructura cristalina de los semiconductores............................................... 355
10.1.2 Semiconductores intrínsecos........................................................................ 357
10.1.3 Semiconductores extrínsecos....................................................................... 360
10.1.4 Generación y recombinación de portadores en un semiconductor.............. 363
10.1.5 Corrientes en un semiconductor................................................................... 364
10.2 Principio de operación del diodo de unión PN........................................................ 368
10.2.1 La unión PN en equilibrio térmico.............................................................. 368
10.2.2 Característica i-v de la unión PN................................................................. 372
10.2.3 Ruptura de la unión...................................................................................... 374
13
10.2.4 Capacidad de transición............................................................................... 375
10.2.5 Capacidad de difusión.................................................................................. 376
10.3 El transistor bipolar.................................................................................................. 377
10.3.1 Principio de operación del transistor bipolar............................................... 378
10.3.2 Modelo del transistor bipolar....................................................................... 381
10.4 El transistor de efecto de campo MOS.................................................................... 382
10.4.1 Principio de operación del transistor MOS.................................................. 382
10.4.2 Modelo del transistor MOS.......................................................................... 385
10.5 Procesos tecnológicos básicos en los semiconductores........................................... 387
10.5.1 Deposición de capas sobre el silicio............................................................ 388
10.5.2 Oxidación del silicio.................................................................................... 389
10.5.3 Fotolitografía................................................................................................ 389
10.5.4 Grabado de capas sobre el silicio................................................................. 390
10.5.5 Difusión........................................................................................................ 391
10.5.6 Implantación iónica...................................................................................... 391
10.5.7 Montaje y encapsulado de los dispositivos.................................................. 392
10.6 Fabricación del transistor bipolar............................................................................. 392
10.6.1 Estructura física del transistor bipolar de C.I.............................................. 393
10.6.2 La tecnología bipolar: proceso de fabricación de un transistor bipolar de C.I. 394
10.7 Fabricación de un transistor MOS........................................................................... 396
10.7.1 Estructura física del transistor MOS............................................................ 396
10.7.2 La tecnología MOS: proceso de fabricación del transistor MOS. .............. 398
Cuestiones y problemas..................................................................................................... 400
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