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ELECTRÓNICA ANALÓGICA PARA INGENIEROS JORGE PLEITE GUERRA RICARDO VERGAZ BENIT BENI TO JOSÉ MANUEL RUIZ RUIZ DE MARCOS

ELECTRÓNICA ANALÓGICA PARA INGENIEROS


Jorge Pleite Guerra Profesor titular Dpto. Tecnología electrónica Universidad Carlos III. Madrid

Ricardo Vergaz Benito Profesor titular Dpto. Tecnología electrónica Universidad Carlos III. Madrid

José Manuel Ruiz de Marcos Profesor asociado Dpto. teoría de la señal Universidad Carlos III. Madrid

MADRID  BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA GUATEMALA • LISBOA MÉXICO • NUEVA YORK • PANAMÁ • SAN JUAN • SANTIAGO • SAO PAULO

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Contenido

REFAC REF ACIO IO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII

P ÓDULO I. M FUNDAMENTOS TEÓRICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . .1 Tema 1. Tema 2. Tema 3. Tema 4. Tema 5. Tema 6. Tema 7. Tema 8. Tema 9. Tema 10. Tema 11. 11. Tema 12. Tema 13. Tema 14. Tema 15. Tema 16. Tema 17. Tema 18.

Fundamentos de los semiconductores. La unión PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de diodos. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El transistor bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El transistor transistor de efecto campo campo (FET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis de circuitos ampli�cadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis en pequeña señal con con el BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis en pequeña señal con con transistores transistores FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ampli�cadores con varios transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conceptos básicos básicos de la respuesta respuesta en frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Métodos de análisis de la respuesta en frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Respuesta en frecuencia de topologías ampli�cadoras . . . . . . . . . . . . . . . . Conceptos básicos básicos de realimentación realimentación electrónica electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis de topologías de ampli�cadores realimentados . . . . . . . . . . . . . . Conceptos básicos básicos del ampli�cador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuitos de aplicación del ampli�cador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . Etapas de potencia. Ampli�cador clase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ampli�cador Clase B y Clase AB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuentes de tensión reguladas reguladas y estabilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 17 25 37 53 69 85 101 115 115 127 139 153 165 179 189 199 207 215

II. MÓDULO PROB PR OBLEMAS LEMAS RESUE R ESUELLTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2277 Problemas vinculados al Tema Problemas vinculados al Tema Tema Problemas vinculados al Tema Problemas vinculados al Tema

3. 4. 6. 7.

El transistor bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El transistor transistor de efecto campo campo (FET) . . . . . . . . . . Análisis en pequeña señal con el BJT . . . . . . . . . Análisis en pequeña señal señal con transistores FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

229 241 251 265

VI

Contenido

Problemas vinculados al Tema Tema 8. Ampli�cadores con varios transistores . . . . . . . Problemas vinculados al Tema Tema 11. Respuesta en frecuencia de topologías ampli�cadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas vinculados al Tema Tema 12. Conceptos básicos de realimentación electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas vinculados al Tema Tema 14. Conceptos básicos del ampli�cador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas vinculados vinculados al Tema Tema 17. Ampli�cador Clase B y Clase AB . . . . . . . . . . . . Problemas vinculados al Tema Tema 18. Fuentes de tensión reguladas y estabilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

M

293 311 327 345 353

ÓDULO III. ANÁLIS ANÁ LISIS IS DE SIMULACI SIMULACIONES ONES . . . . . . . . . . . . . . 35 3599

Simulaciones vinculadas al al Tema Tema Simulaciones vinculadas al al Tema Tema Simulaciones vinculadas al Tema Tema Simulaciones vinculadas al Tema Tema Simulaciones vinculadas al al Tema Tema

Tipos de diodos. Aplicaciones. . . . . . . . . . . . . El transistor transistor bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El transistor transistor de efecto campo (FET) (FET) . . . . . . . . Análisis en pequeña pequeña señal con el BJT . . . . . . . Análisis en pequeña señal con transistores FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulaciones vinculadas al Tema 8. Ampli�cadores con varios transistores . . . . . Simulaciones vinculadas al Tema Tema 11. Respuesta en frecuencia de topologías ampli�cador ampli�cadoras as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulaciones vinculadas al Tema Tema 12. Conceptos básicos de realimentación electrónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulaciones vinculadas al Tema Tema 14. Conceptos básicos del ampli�cador operacional. operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulaciones vinculadas vinculadas al Tema 17. Ampli�cador Clase B y Clase Clase AB . . . . . . . . . . Simulaciones vinculadas al Tema Tema 18. Fuentes de tensión reguladas y estabilizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B

279

2. 3. 4. 6. 7.

361 377 385 389 401 415 421 429 439 451 455

IBLI IB LIOG OGRA RAFÍA FÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 . 4633

Prefacio

Este libro nace de la experiencia docente −más de doce años− a ños− del equipo de autores en diferentes titulaciones de ingeniería i ngeniería de la Universidad Carlos Carlos III de Madrid, amén de la identificación de un conjunto de necesidades que se resumen a continuación conti nuación.. Existe en la actualidad una extensa bibliografía en Electrónica analógica cuyos contenidos cubren de forma suficiente los conocimientos que deben adquirir los estudiantes universitarios. Sin embargo, este alcance tan amplio (en profundidad y en extensión) obliga a un alumno de ingeniería, aún sin dominio de la materia, a localizar y seleccionar qué partes de una obra están está n directamente directa mente relacionadas con la asignatura cursada y, aún más difícil, a enlazar dichas partes entre sí. Esto supone una barrera al empleo de la bibliografía que, en el mejor de los casos, disminuye el rendimiento del tiempo dedicado al estudio y, y, en el peor, hace desistir de la consulta bibliográfica. Por otro lado, la creación del nuevo Espacio Europeo de Educación Superior, dentro del proceso de convergencia europeo, propone unos retos en la metodología docente cuyo abordaje demanda la disponibilidad de material con nuevos enfoques. Se exige que el alumno no sólo aprenda una materia, sino que aprenda a aprender, y que sepa plantear soluciones a problemas sin un procedimiento previamente trazado. Queda fuera del alcance de esta obra resolver el debate de cómo inculcar en el estudiante una actitud proactiva en contraposición a una vocación reactiva, y cómo estimular la suficiente confianza confianz a en sí mismo como para impulsarle i mpulsarle en la exploración del conocimiento, adquiriendo el protagonismo de su propio aprendizaje. En cambio, hacemos nuestro el objetivo de dar apoyo a esta nueva metodología. Por eso, no sólo se ofrecen aquí los conceptos teóricos y se proponen problemas guiados para su resolución práctica, sino que además se incorpora un conjunto de simulaciones de circuitos (emulando unas prácticas en laboratorio) que invitan a la reflexión sobre el material presentado y a la formulación de nuevas preguntas. Esta obra nació como una u na recopilación de apuntes propios que han sido mejorados, revisados y ampliados sucesivamente a lo largo de los años, en el afán de disponer de una base bibliográfica operativa y eficaz para las asignaturas impartidas por los autores, sin perjuicio de que el alumno profundice en ciertos conceptos a través de la amplia bibliografía disponible. d isponible. Por otro lado, se ha orientado al nuevo marco pedagógi-

VIII

Prefacio

co del Espacio Europeo de Educación Superior Superior,, dando una especial importancia i mportancia no sólo a la adquisición de una buena base conceptual, sino también a la experimentación, a la resolución de problemas y a la autoformulación autoformulación de nuevas nuevas cuestiones, así como a la búsqueda de sus respuestas a través de caminos que no estén previamente establecidos. Dividida en tres grandes bloques, la obra comienza con una descripción de los conceptos teóricos necesarios en Electrónica analógica, desde la presentación de los componentes electrónicos básicos a su uso en amplificadores de todo tipo. Un segundo bloque complementa los conceptos introducidos por medio de problemas resueltos, seleccionados con el criterio de aplicación directa de la teoría y con una dificultad creciente. Finalmente, un último bloque presenta simulaciones realizadas por ordenador sobre algunos de los circuitos estudiados en el bloque anterior, y propone al lector la búsqueda de nuevos efectos, así como la comparación entre resultados meramente teóricos y la experiencia real. Esperamos que la obra sirva al alumno como el mejor banco de gimnasio en el que ejercitar su músculo técnico e intelectual, y que sirva al profesor como una obra viva en la que apoyar su tarea. Como tal obra viva, está aún sujeta a ampliaciones, mejoras y nuevos nuevos enfoques, por lo que ani mamos a quien lo desee a participar en e n la evolución evolución de la misma, y a hacernos llegar nuevas propuestas y sugerencias. Los autores Noviembre 2008

Agr Agradec adeciimie ienntos

• A Jorge Raldúa Veuthey Veuthey y a Juan Ignacio Gutiérrez González, por su inestimable inesti mable colaboración en la documentación de la obra. • Al Vicerrectorado Vicerrectorado de Gestión de de Grado Grado de la Universidad Universidad Carlos Carlos III de Madrid, Madrid, por su apoyo en los Proyectos de Innovación Docente. • A nuestros nuestros antiguos profesores y a todos todos los compañeros compañeros de la Universidad Universidad Carlos Carlos III de Madrid, con los que hemos compartido tantas horas de docencia y superado tantos obstáculos. • A Cristina Sánchez, por su apoyo apoyo en el proceso de edición de la obra con McGrawMcGrawHill. • Y aunque aunque sea un tópico, tópico, no por ello menos menos cierto, cierto, al imprescindible e incondicional apoyo de nuestras familias, que nos permite mantener la sensatez en los peores momentos.

MÓDULO

I FUNDAMENTOS TEÓRICOS

TEMA

1 Fundamentos de los semiconductores. La unión PN

.1 IN INTRODUCCIÓ TRODUCCIÓN N

1

La electrónica actual está basada en los materiales semiconductores. Los conductores están formados por átomos cuyos electrones más externos no forman parte de los enlaces de la estructura atómica, y quedan libres en el material. Los electrones de los conductores ocupan una infinidad de niveles energéticos posibles en un intervalo de valores de energías que se denomina denomi na “banda de conducción” conducción”, el intervalo de niveles n iveles que pueden ocupar para moverse moverse libremente por el material. Los Lo s aislantes, por otro lado, lado, no tienen electrones libres. La “banda de valencia”, valencia”, el intervalo i ntervalo de niveles energéticos ocupados por electrones ligados a sus átomos, está muy lejos de la banda de conducción. Entre las dos bandas hay un salto (gap) que sólo un aporte de energía grande permite salvar. En los materiales semicondu sem iconductores, ctores, por el contrario, el gap existe, exi ste, pero es suficientemente pequeño como para que leves aportes de energía permitan a algunos electrones saltar a los niveles de la banda de conducción, quedando libres en el material. Por el hecho de estar a una temperatura, por ejemplo, distinta del cero absoluto ( 273.15 ºC), la energía de sus vibraciones les permite quedar libres en un material semiconductor. Si aumenta la temperatura, aumentará aumentará el número de electrones elect rones libres, disminuyendo di sminuyendo la resistencia del material al paso de la corriente eléctrica. Ésta es una diferencia radical con respecto a un conductor normal: en él, al aumentar la temperatura, se incrementa 3

4

Módulo I Fundamentos teóricos

la agitación de los portadores, y con ello el número de choques y la resistencia eléctrica del material. El hecho crucial de la existencia de este gap, y de cómo puede ser controlada la conducción por el añadido de átomos de elementos elementos distintos, disti ntos, conforma todo un un universo iverso de ventajas ventajas que han hecho de los materiales semiconductores la clave para realizar dispositivos electrónicos, no lineales. A diferencia di ferencia de los condensadores, condensadores, las resistencias o las la s inductancias, elementos que modifican las señales eléctricas desfasándolas o variando su amplitud, los dispositivos creados con semiconductores van a permitirnos realizar toda una nueva serie de modificaciones de las señales: transformarlas en señales diferentes, rectificar su aspecto alterno y pasarlo pas arlo a continuo, continuo, y sobre todo, amplificarlas. La Electrónica Analógica estudia todos los dispositivos que permiten la amplificación de señales y sus posibilidades posibil idades de uso. Para Para iniciar inicia r este viaje debemos presentar las particularidades particula ridades de un semiconductor, semiconductor, así como la unión un ión PN, PN, el ladrillo ladri llo de construcción constr ucción básico de los dispositivos electrónicos.

.2 FUNDAMENTOS DE LOS SEMICONDUCTORES

1

1.2.1 ELECTROAFINIDAD La estructura de los átomos queda definida por un núcleo de protones y neutrones y por una nube de electrones distribuida en orbitales definidos por sus niveles energéticos. Existen diferentes posibilidades de encontrar un electrón en cada nivel, y también diferentes formas espaciales para los niveles. Los electrones más ligados al átomo se encuentran en las capas inferiores, infer iores, con niveles niveles de energía más bajos. Los electrones elect rones más energéticos distribuyen distr ibuyen su forma de onda espacialmente en las capas superiores. El número de electrones presentes en la última capa afecta directamente a la reactividad del material, ya que tener la última capa cubierta por el máximo de electrones energéticamente posibles en ella se corresponde con un material inerte. Aquellos materiales a los que les falte o sobre algún electrón para alcanzar la estructura de capa completa serán los más reactivos. Según el número de protones, la última capa puede contener 2, 8 electrones, etc. En este sentido, se define la ELECTROAFINIDAD de un material o un átomo como la tendencia a capturar o desprender electrones de sus capas. Dicha electroafi nidad será la que determine determi ne el tipo de enlace en lace que cada átomo átomo establecerá con el resto de los átomos que le rodeen, sean de su mismo m ismo elemento o de otros.

1.2.2 MATERIAL SEMICONDUCTOR Los átomos presentes en el Universo son formados en el interior de las estrellas, e strellas, donde las enormes presiones gravitatorias producen fusiones nucleares que terminan creándolos. Tras las explosiones o los estertores finales de la vida de las estrellas, los átomos liberados pueden aparecer en los elementos que conforman los planetas o el polvo interestelar. Nuestro Nuestro planeta es muy rico, por ejemplo, en silicio (contenido (contenido en la arena) a rena) y en carbono (contenido en los hidrocarburos y en las formas vivas). La estructura atómica de ambos elementos es idéntica en sus últimas capas, por lo que sus electroafinidades

Tema 1 Fundamentos de los semiconductores. La unión PN

5

serán similares. Es interesante observar que la vida tal y como la conocemos se basa en el carbono y, y, sin embargo, no en el silicio. si licio. No obstante, el silicio sil icio ha sido el elemento que ha provocado la revolución tecnológica más importante del siglo XX. En este apartado intentaremos comprender comprender qué hace a este material y a otros otro s como él, los semiconductores, tan especiales. Diremos que un semiconductor es intrínseco si únicamente ú nicamente está formado por el material base, es decir, no tiene átomos distintos disti ntos de los que conforman el material (p. ej., Si, AsGa, etc.). El semiconductor es extrínseco si se le añaden átomos de otros elementos. Analicemos primero el comportamiento de los semiconductores intrínsecos. El átomo de silicio tiene 4 electrones elect rones (e-) (e-) en su última últi ma capa, con lo que se encuentra en un estadio energético intermedio, i ntermedio, pues pues le hacen falta 4 electrones más para completarla. completarla. A través través de los llamados enlaces covalentes, covalentes, comparte cada uno de sus sus 4 electrones con átomos cercanos (Figura 1.1). Si

Si

Si

Si

Si

Figura Fig ura 1.1. 1. 1. Representación simplificada bidimensional

de un átomo de silicio en su red cristalina.

A temperatura ambiente, ambiente, los átomos de silicio se encuentran vibrando alrededor de su posición en la red cristalina. En el cero absoluto de temperatura (0 K =  273.15 ºC), por definición, no habría vibración atómica ni electrónica. Esta vibración hace que aumente la probabilidad probabilidad de que los electrones de los últimos orbitales se escapen de algún alg ún átomo, creando lo que llamaremos un par electrón-hueco. El hueco es simplemente la ausencia del electrón en el enlace. Desde el punto de vista matemático, son posibles análisis sencillos si se asume que el hueco tiene una carga positiva. La palabra para designar genéricamente a los electrones elect rones o huecos es portador port ador,, pues tienen la capacidad capacidad de transportar una carga de un punto del material a otro. Es interesante conocer el número de electrones libres que tiene el silicio a una temperatura dada. Para ello planteamos las siguientes definiciones: • ni nº de portadores libres del material intrínseco, • n nº de electrones, • p nº de huecos, entonces se cumple que p ∙ n = ni2 y en un material intrínseco ni = n = p.

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