Apuntes de Electrónica Analógica

379 Pages·2015·11.27 MB·Spanish

by  Francisco J. Franco

Apuntes De Electr(cid:243)nica Anal(cid:243)gica
Francisco J. Franco PelÆez, GermÆn GonzÆlez D(cid:237)az e Ignacio MÆrtil de la Plaza
˝ndice general
I Apuntes de la Asignatura 13
1. MODELOS DC DE LOS DISPOSITIVOS ELECTR(cid:211)NICOS B`SICOS 14
1.1. El diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.1. Modelo de Shockley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.2. Modelo de la tensi(cid:243)n de codo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.3. Combinaciones de diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.4. Ejemplo de resoluci(cid:243)n de circuitos con diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.4.1. Caso 1: Ambos diodos en corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.4.2. Caso 2: Ambos diodos en conducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.4.3. Caso 3: D1 en corte, D2 en conducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.4.4. Caso 4: D1 en conducci(cid:243)n, D2 en corte . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2. El transistor bipolar de uni(cid:243)n (BJT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1. Modelo SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2. Modelo SPICE simpli(cid:28)cado por zona de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2.1. Zona de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2.2. Zona activa directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2.3. Zona activa inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.2.4. Zona de saturaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.3. Modelo simpli(cid:28)cado de los BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.4. Ejemplos de resoluci(cid:243)n de circuitos con transistores bipolares . . . . . . . . 25
1.2.4.1. Caso 1: Zona de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.4.2. Caso 2: Zona activa directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.4.3. Caso 3: Zona de saturaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.4.4. Caso 4: Zona activa inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3. El transistor MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1. Modelo cuadrÆtico bÆsico de un MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.2. CÆlculo del punto de operaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.2.1. Caso 1: Zona de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.2.2. Caso 2: Zona de saturaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.2.3. Caso 3: Zona lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
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1.4. El transistor JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2. MODELOS EN PEQUE(cid:209)A SE(cid:209)AL DE LOS DISPOSITIVOS ELECTR(cid:211)NICOS
B`SICOS 33
2.1. Modelos en pequeæa seæal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2. El diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.1. Modelo esencial en pequeæa seæal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.2. Extensi(cid:243)n del modelo en pequeæa seæal del diodo . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3. El transistor BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1. Consideraciones generales sobre el modelo en pequeæa seæal de los transistores 37
2.3.2. Popularidad de los modelos h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3. Rotaciones entre modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.3.1. Rotaciones entre modelos con mismo nodo comœn . . . . . . . . . 43
2.3.3.2. Rotaciones entre modelos similares con distinto nodo en comœn . . 44
2.3.4. Modelo en Π o de Giacoletto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.5. Modelo en pequeæa seæal del transistor bipolar a partir del modelo SPICE . . 48
2.3.5.1. Modelo de conductancias en emisor comœn . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.5.2. Modelo h(cid:237)brido en emisor comœn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.5.3. Modelos h(cid:237)bridos en base y colector comœn . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.5.4. Modelos de Giacoletto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.6. Extensi(cid:243)n del modelo en pequeæa seæal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.6.1. Inclusi(cid:243)n de resistencias parÆsitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.6.2. Capacidades parÆsitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.7. Frecuencia de transici(cid:243)n de un transistor bipolar . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4. El transistor MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.1. Modelo bÆsico a bajas frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.2. ParÆsitos en un transistor MOS. Capacidades parÆsitas. . . . . . . . . . . . 58
2.4.3. Frecuencia de transici(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5. El transistor JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3. EL PROBLEMA DE LA POLARIZACI(cid:211)N 64
3.1. (cid:190)QuØ es la polarizaci(cid:243)n? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.1. Consideraciones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.2. TØcnicas de polarizaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2. Redes de polarizaci(cid:243)n resistivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.1. Red simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.2. Red simple con una œnica alimentaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.3. Red con realimentaci(cid:243)n colector-base (drenador-puerta) . . . . . . . . . . . 69
3.2.4. Red con degeneraci(cid:243)n de emisor/fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3. Sensibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
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3.3.1. De(cid:28)nici(cid:243)n matemÆtica de sensibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.2. Sensibilidad en redes basadas en un NPN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2.1. Red simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2.2. Red con realimentaci(cid:243)n colector-emisor . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.2.3. Red con degeneraci(cid:243)n de emisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.2.4. Sensibilidad y realimentaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.3. Sensibilidad en SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4. Polarizaci(cid:243)n con fuentes de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.1. Algunas nociones sobre las fuentes y espejos de corriente . . . . . . . . . . . 80
3.4.2. Resistencia de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.3. Referencias de tensi(cid:243)n integradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.4. Fuentes de corriente primarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4.4.1. Tecnolog(cid:237)a bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4.4.2. Tecnolog(cid:237)a CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.5. Espejos simples de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.5.1. Espejo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.5.2. Escalado de corrientes en el espejo simple por modi(cid:28)caci(cid:243)n de la
geometr(cid:237)a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4.5.3. Re(cid:29)exi(cid:243)n mœltiple de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.6. Espejos Avanzados de Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4.6.1. Espejo de base compensada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.4.6.2. Espejos cascode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.6.3. Espejos Wilson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.6.4. Espejos con degeneraci(cid:243)n de emisor . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4.6.5. Espejo Widlar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4. AMPLIFICADORES DE ENTRADA SIMPLE 110
4.1. Nociones generales sobre ampli(cid:28)cadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.1. (cid:190)QuØ es un ampli(cid:28)cador? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.2. ParÆmetros caracter(cid:237)sticos de los ampli(cid:28)cadores . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.1.3. Efectos de la resistencia de fuente en la entrada . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2. Inserci(cid:243)n de la pequeæa seæal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3. Circuitos ampli(cid:28)cadores de entrada simple con componentes discretos . . . . . . . . 118
4.3.1. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de emisor/fuente comœn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3.1.1. Ganancias e impedancias a frecuencias medias. Caso bipolar . . . . 118
4.3.1.2. Ganancias e impedancias a frecuencias medias. Caso MOSFET . . 121
4.3.1.3. Ganancias e impedancias a frecuencias medias. Caso JFET . . . . 123
4.3.1.4. Comportamiento a bajas frecuencias. Todos los tipos . . . . . . . 123
4.3.1.5. Comportamiento a altas frecuencias. Caso bipolar . . . . . . . . . 125
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4.3.1.6. Comportamiento a altas frecuencias. Caso MOSFET . . . . . . . . 127
4.3.1.7. Comportamiento a altas frecuencias. Caso JFET . . . . . . . . . . 129
4.3.2. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de emisor/fuente degenerado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.2.1. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de emisor degenerado . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.3.2.2. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de fuente degenerada . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3.3. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de base/puerta comœn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3.3.1. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de base comœn a frecuencias medias . . . . . . . . . 132
4.3.3.2. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de base comœn a frecuencias bajas y altas . . . . . . 135
4.3.3.3. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de puerta comœn a frecuencias medias . . . . . . . . 136
4.3.3.4. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de puerta comœn a frecuencias bajas y altas . . . . . 138
4.3.4. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de colector/drenador comœn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.3.4.1. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de colector comœn a frecuencias medias . . . . . . . 140
4.3.4.2. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de colector comœn a frecuencias bajas y altas . . . . 143
4.3.4.3. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de drenador comœn a frecuencias medias . . . . . . 144
4.3.4.4. Con(cid:28)guraci(cid:243)n de drenador comœn a frecuencias bajas y altas . . . 146
4.4. Circuitos ampli(cid:28)cadores de entrada simple basados en fuentes de corriente . . . . . 147
4.5. Circuitos ampli(cid:28)cadores con varios transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.5.1. Con(cid:28)guraci(cid:243)n Colector Comœn - Emisor Comœn (CC-EC) . . . . . . . . . . 152
4.5.2. Con(cid:28)guraci(cid:243)n Darlington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.5.3. Con(cid:28)guraci(cid:243)n Cascode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.5.3.1. Tecnolog(cid:237)a bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.5.3.2. Tecnolog(cid:237)a CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.5.4. Con(cid:28)guraci(cid:243)n Cascode Activo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5. AMPLIFICADORES DE ENTRADA DIFERENCIAL 162
5.1. Nociones generales sobre ampli(cid:28)cadores diferenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.1.1. De(cid:28)nici(cid:243)n y usos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.1.2. Modo comœn y diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.2. Pares diferenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.2.1. Par diferencial con cargas resistivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.2.1.1. Tecnolog(cid:237)a Bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.2.1.2. Tecnolog(cid:237)a CMOS / Transistores JFET . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.2.2. No idealidades en un par diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.2.2.1. Corriente de polarizaci(cid:243)n de la entrada . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.2.2.2. Tensi(cid:243)n de o(cid:27)set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.2.2.3. Corriente mÆxima de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.2.2.4. Impedancia de entrada y salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.2.2.5. Frecuencia mÆxima de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.2.3. Pares diferenciales con carga activa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
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5.2.3.1. Tecnolog(cid:237)a bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.2.3.2. Tecnolog(cid:237)a CMOS/JFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.2.3.3. Mejoras de los pares diferenciales con carga activa . . . . . . . . . 178
5.2.3.4. Uso de pares diferenciales como ampli(cid:28)cadores operacionales . . . 179
6. ETAPAS DE SALIDA 181
6.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.1.1. (cid:190)Por quØ son necesarias las etapas de salida? . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.1.2. ParÆmetros elØctricos de una etapa de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.2. Etapas de salida t(cid:237)picas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2.1. Seguidor de emisor/fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2.1.1. Seguidor de emisor NPN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2.1.2. Seguidor de fuente NMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.2.1.3. Seguidores PNP y PMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.2.2. Pares complementarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.2.2.1. Pares complementarios (cid:16)push-pull(cid:17) clase B . . . . . . . . . . . . . 189
6.2.2.2. Etapa push-pull clase AB mejorada (tecnolog(cid:237)a bipolar) . . . . . . 192
6.2.2.3. Etapa push-pull clase AB mejorada (tecnolog(cid:237)a CMOS) . . . . . . 192
6.3. Protecci(cid:243)n frente a sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 195
7.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.2. Aplicaciones lineales avanzadas del ampli(cid:28)cador operacional . . . . . . . . . . . . . 197
7.2.1. Ampli(cid:28)cador diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2.2. Ampli(cid:28)cadores de instrumentaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.2.3. Circuitos emulados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.2.3.1. Resistencias negativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.2.3.2. Inducciones simuladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
7.2.4. Ampli(cid:28)cadores con ganancia controlada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.2.4.1. MØtodo anal(cid:243)gico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.2.4.2. Control digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.3. Estructura interna de un ampli(cid:28)cador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
7.4. No idealidades de un ampli(cid:28)cador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4.1. Tensi(cid:243)n de o(cid:27)set de la entrada: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4.2. Corriente de polarizaci(cid:243)n de la entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.4.3. Ganancia en lazo abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.4.4. Producto ganancia-ancho de banda o frecuencia de ganancia unidad . . . . . 207
7.4.5. Slew rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.4.6. Relaci(cid:243)n entre f y slew rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
U
7.4.7. ParÆmetros relacionados con la salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Ingenier(cid:237)a Superior en Electr(cid:243)nica 5
Eprints UCM Universidad Complutense de Madrid
7.5. Comparadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.5.1. Nociones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.5.2. Comparadores regenerativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8. APLICACIONES NO LINEALES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONA-
LES 215
8.1. Circuitos recti(cid:28)cadores de precisi(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.1.1. Circuitos recti(cid:28)cadores sencillos con diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.1.2. Recti(cid:28)cador de media onda de precisi(cid:243)n o (cid:16)Superdiodo(cid:17) . . . . . . . . . . . 216
8.1.3. Recti(cid:28)cador de precisi(cid:243)n de media onda con resistencias de realimentaci(cid:243)n . 218
8.1.4. Recti(cid:28)cador de onda completa o circuitos de valor absoluto . . . . . . . . . 219
8.2. Ampli(cid:28)cadores logar(cid:237)tmicos y exponenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8.2.1. Ampli(cid:28)cadores logar(cid:237)tmicos sencillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.2.2. Ampli(cid:28)cadores exponenciales sencillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.2.3. Otras limitaciones de los circuitos logar(cid:237)tmicos y exponenciales . . . . . . . 222
8.2.4. Implementaci(cid:243)n de multiplicadores, divisores y otras operaciones con ampli-
(cid:28)cadores logar(cid:237)tmicos/antilogar(cid:237)timicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.3. Operaciones aritmØticas con transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.3.1. Uso de transistores de efecto campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.3.2. Celdas multiplicadoras con BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.3.3. Divisi(cid:243)n, potenciaci(cid:243)n y ra(cid:237)ces a base de multiplicadores . . . . . . . . . . . 226
8.4. Detectores de pico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.5. Transistores como etapas de salida de ampli(cid:28)cadores operacionales . . . . . . . . . 229
9. FILTROS ANAL(cid:211)GICOS 232
9.1. Propiedades matemÆticas de los (cid:28)ltros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
9.2. Tipos de (cid:28)ltro con arreglo a la frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.3. Implementaci(cid:243)n de (cid:28)ltros con funciones de primer y segundo orden . . . . . . . . . 237
9.3.1. Filtros LP: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.3.2. Filtros HP: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.3.3. Filtros BP: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.3.4. Filtros BR: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.3.5. Filtros AP: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.4. Normalizaci(cid:243)n y escalado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.5. Filtros LP de orden superior a 2 basados en funciones matemÆticas especiales . . . 238
9.5.1. Filtros LP de Butterworth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.5.2. Filtros LP de Bessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.5.3. Filtros LP de Chebyshev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9.5.4. Otros (cid:28)ltros LP de caracter(cid:237)sticas especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.6. Diseæo de (cid:28)ltros distintos HP, BP y BR a partir del (cid:28)ltro equivalente LP . . . . . . 243
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9.6.1. Creaci(cid:243)n de (cid:28)ltro HP a partir de un LP equivalente . . . . . . . . . . . . . 244
9.6.2. Creaci(cid:243)n de (cid:28)ltro BP a partir de un LP equivalente . . . . . . . . . . . . . 244
9.6.3. Creaci(cid:243)n de (cid:28)ltro BR a partir de un LP equivalente . . . . . . . . . . . . . 245
9.7. Implementaci(cid:243)n f(cid:237)sica de (cid:28)ltros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.7.1. Filtros pasivos. Red RC en escalera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.7.2. Filtros activos. Con(cid:28)guraciones generales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.7.2.1. Con(cid:28)guraciones de polo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.7.2.2. Con(cid:28)guraciones de Sallen-Key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.7.2.3. Con(cid:28)guraciones realimentadas con bucle mœltiple . . . . . . . . . 249
9.7.2.4. Con(cid:28)guraciones de immitancia generalizada . . . . . . . . . . . . 249
9.7.3. Filtros activos LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.7.3.1. Filtros LP con con(cid:28)guraciones inversoras y no inversoras . . . . . 250
9.7.3.2. Filtro LP de Sallen-Key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.7.3.3. Filtro LP con con(cid:28)guraci(cid:243)n de bucles de realimentaci(cid:243)n multiples 251
9.7.3.4. Filtro LP con con(cid:28)guraci(cid:243)n de immitancia generalizada . . . . . . 251
9.7.4. Filtros activos HP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.7.4.1. Filtros HP con con(cid:28)guraciones inversoras . . . . . . . . . . . . . 252
9.7.4.2. Filtro HP de Sallen-Key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.7.4.3. Filtro HP con con(cid:28)guraci(cid:243)n de bucles de realimentaci(cid:243)n multiples 253
9.7.4.4. Filtro HP con con(cid:28)guraci(cid:243)n de immitancia generalizada . . . . . . 253
9.7.5. Filtros activos BP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
9.7.5.1. Filtros BP con con(cid:28)guraciones inversoras y no inversoras . . . . . 254
9.7.5.2. Filtro BP con con(cid:28)guraci(cid:243)n de bucles de realimentaci(cid:243)n mœltiples 254
9.7.5.3. Filtro BP con con(cid:28)guraci(cid:243)n de immitancia generalizada . . . . . . 255
9.7.6. Filtros activos BR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.7.6.1. Filtro BR basado en con(cid:28)guraci(cid:243)n de realimentaci(cid:243)n por bucles
mœltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
9.7.6.2. Filtro BR basado en con(cid:28)guraci(cid:243)n de immitancia generalizada . . 256
9.7.7. Filtros activos AP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.OSCILADORES 259
10.1.Osciladores lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.1.1. Criterio de Barkhausen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.1.2. Ejemplos de osciladores lineales t(cid:237)picos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
10.1.2.1. Oscilador de deriva de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
10.1.2.2. Oscilador de Puente de Wien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.1.2.3. Osciladores de Hartley y Colpitts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.1.2.4. El cristal de cuarzo. Oscilador de Pierce . . . . . . . . . . . . . . 269
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10.1.3. In(cid:29)uencias de las no idealidades de los ampli(cid:28)cadores operacionales en las
caracter(cid:237)sticas de los osciladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.1.3.1. Slew rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.1.3.2. Producto ganancia-ancho de banda . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.1.3.3. Distorsi(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10.1.3.4. In(cid:29)uencia de las tensiones de saturaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . 275
10.2.Osciladores de relajaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10.2.1. Oscilador en anillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10.2.2. Oscilador multivibrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
10.2.3. Oscilador basado en comparador regenerativo . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.CIRCUITOS BASADOS EN AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CAPA-
CIDADES 282
11.1.Circuitos Sample & Hold (S/H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
11.1.1. Diferencias entre circuitos S/H y circuitos Track & Hold (T/H) . . . . . . . 282
11.1.2. Circuito S/H simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11.1.3. No idealidades asociadas a un circuito S/H . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.1.3.1. Tensi(cid:243)n de o(cid:27)set de los ampli(cid:28)cadores . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.1.3.2. Fugas por corrientes de polarizaci(cid:243)n de la entrada . . . . . . . . 285
11.1.3.3. Limitaciones en frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.1.3.4. Efecto pedestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.1.3.5. Rango de tensiones de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.1.4. Circuitos S/H Mejorados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.1.4.1. Circuito S/H con realimentaci(cid:243)n directa hacia la entrada y reduc-
ci(cid:243)n de o(cid:27)set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.1.4.2. Circuitos S/H mejorados con reducci(cid:243)n de o(cid:27)set . . . . . . . . . 291
11.1.4.3. Circuito S/H con eliminaci(cid:243)n de efecto pedestal . . . . . . . . . 292
11.1.4.4. Circuito S/H con paso por tierra en periodo de seguimiento . . . 293
11.2.Circuitos basados en la conmutaci(cid:243)n de capacidades . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
11.2.1. Condensadores frente a resistencias en circuitos integrados . . . . . . . . . 294
11.2.2. Ampli(cid:28)cadores de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
11.2.3. Equivalentes resistivos de condensadores conmutados . . . . . . . . . . . . 295
11.2.3.1. Relojes no solapados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
11.2.3.2. Estudio de un equivalente resistivo (paralelo) . . . . . . . . . . . 296
11.2.3.3. Otros equivalentes resistivos de capacidades conmutadas . . . . . 297
11.2.4. Diseæo de un (cid:28)ltro RC con capacidades conmutadas . . . . . . . . . . . . 297
11.2.4.1. Integrador con equivalente resistivo paralelo . . . . . . . . . . . . 299
11.2.4.2. Integrador con equivalente resistivo insensible a capacidades parÆ-
sitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Ingenier(cid:237)a Superior en Electr(cid:243)nica 8
Eprints UCM Universidad Complutense de Madrid
11.2.5. Limitaciones de los circuitos de capacidades conmutadas . . . . . . . . . . 302
11.2.6. Uso de la transformada z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
11.3.Otros Circuitos basados en ampli(cid:28)cadores operacionales y capacidades . . . . . . . 304
II ParÆmetros SPICE 305
12.El Diodo segœn SPICE 306
12.1.Corrientes en el diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
12.2.Capacidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
12.3.Efectos de la temperatura sobre corrientes y potenciales . . . . . . . . . . . . . . . 310
12.3.1. Dependencia de las corrientes de saturaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
12.3.2. Dependencia de los demÆs parÆmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
12.4.Ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
12.5.Ejemplos de diodos reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
12.5.1. 1N4148 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
12.5.2. BAT54 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.5.3. BZX284-6V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.5.4. LXHL-BW02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
13.El Transistor Bipolar segœn SPICE 314
13.1.Modelo bÆsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
13.2.Corrientes de recombinaci(cid:243)n en las zonas de carga espacial . . . . . . . . . . . . . . 316
13.3.Modelado del efecto de alta inyecci(cid:243)n y del efecto Early . . . . . . . . . . . . . . . 317
13.4.Modelado de las resistencias parÆsitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
13.4.1. Resistencia de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
13.4.2. Resistencia de emisor y colector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
13.5.Incorporaci(cid:243)n del sustrato y de la capa epitaxial del colector . . . . . . . . . . . . . 318
13.6.Capacidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
13.6.1. Capacidad Base-Emisor (C ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
BE
13.6.2. Capacidad Base-Colector (C ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
BC
13.6.3. Capacidad de base externa a colector interno (C ) . . . . . . . . . . . . . 320
BX
13.6.4. Capacidad de uni(cid:243)n del sustrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
13.7.Efecto de casi-saturaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
13.8.Variaciones con la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
13.9.Ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.10.Ejemplos de transistores reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.10.1.2N2222A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
13.10.2.2N2907 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
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