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PREFACIO
El presente trabajo en su momento sirvió al autor
como una guía para el estudio de las materias de
análisis de circuitos electrónicos y como
un medio para comprender los conceptos físicos que
subyacen detrás de los elementos de circuito. En
particular se repasan los siguientes elementos de circuito:
diodos, transistores, amplificadores, y algunos circuitos
integrados. Cada tema se presenta desde el punto de vista
conceptual para posteriormente presentar el análisis
matemático de los modelos que los representan.
La información contenida en el presente trabajo,
ha sido resultado del minucioso estudio de diversas fuentes
bibliográficas. En autor ha tenido la oportunidad de
trabajar en la industria cuyo ramo es
diseño/manufactura/ensamble de componentes
electrónicos para la industria automotriz
1 ; entre sus funciones estuvieron el
desarrollo de software para los ingenieros de probadores
electrónicos, así como para ingenieros de proceso y
control de cambios. Se hace notar al lector que muchos circuitos
complejos incluyendo los circuitos integrados son la
composición de los elementos básicos de circuito
presentados aquí. Cabe destacar que la finalidad
última de crear dispositivos inteligentes es proveer
confort y seguridad a la sociedad.
CONVENCIONES Y
CONCEPTOS CLAVE
A lo largo del presente trabajo se
emplearan las siguientes convenciones y generalidades,
consúltense a medida que se citen en el texto.
– Ánodo (+). En un
dispositivo de dos terminales, se le llama así a la
terminal con potencial más positivo. En un diodo es la
terminal P
– Cátodo (-). En
un dispositivo de dos terminales, se le llama así a la
terminal con potencial más negativo.
En un diodo es la terminal N
– En una grafica de
características de un dispositivo, el eje de las
abscisas (eje X) será el eje del
voltaje, mientras que el eje de las ordenadas (eje Y)
será el eje de corriente. Esta gráfica
asocia dos variables para dispositivos de dos terminales
(diodos); pero asocia tres variables para dispositivos de tres
terminales (transistores), en este caso la gráfica
completa se compone de un conjunto de curvas
características que muestran los cambios de (V,I) cuando
una tercer variable (por ejemplo IB) se mantiene
fija.
– Flujo convencional de
corriente. Tanto en electricidad como en
electrónica, se ha adoptado el hecho
de que la corriente eléctrica es producida por el flujo de
cargas positivas, es decir cuando se conecta una carga
(impedancia) en las terminales de una fuente de voltaje, las
cargas positivas se dirigen de la terminal de mayor potencial (+)
a la terminal de menor potencial (-). Sin embargo la naturaleza
real de la corriente eléctrica exige que los portadores
negativos (e-) se dirijan del cátodo (-) al ánodo
(+).
– Notación de doble
subíndice. Es una notación abreviada que
expresa que:
Vab = Va – Vb, siendo Va y Vb los voltajes en los
puntos a y b respecto al punto común
(generalmente tierra), en una red cualquiera.
– Polarización.
En su concepción más sencilla se refiere al hecho
de aplicar una diferencia de potencial en los extremos de un
dispositivo electrónico por medio de una fuente
de voltaje que puede ser de cd o
ca.
– Región de
agotamiento. Dentro de un dispositivo electrónico
semiconductor, es la región
(zona) que no presenta portadores libres y es, por
lo tanto, incapaz de soportar la conducción a
través de ella. Esta región es ensanchada
(ampliada) o reducida cuando sus extremos se encuentran sometidos
a una diferencia de potencial.
– Un punto de
operación define un punto estable Q (o punto de
trabajo) mediante la intersección de dos
gráficas, la gráfica de características del
dispositivo y la línea recta que representa la
configuración del circuito, obtenida a partir de un
análisis del circuito.
Capítulo
1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA
La electrónica es una disciplina aplicada
derivada de la electricidad y la física que abarca un
amplio rango de actividades relacionadas con la
generación y transmisión de
información por medio de señales
eléctricas. La aplicación de las
técnicas electrónicas da como resultado el
desarrollo de sistemas electrónicos capaces de
manipular señales y generar información. Los
sistemas electrónicos están formados a partir de
circuitos especializados que a su vez están
constituidos por la asociación de elementos físicos
que se denominan dispositivos eléctricos pasivos
(resistencias, condensadores, bobinas) y dispositivos
electrónicos activos (diodos, transistores,
amplificadores, reguladores, decodificadores, microprocesadores,
microcontroladores etc.)
1.1 DISPOSITIVOS
ELECTRÓNICOS
En principio los dispositivos electrónicos se
conocían como válvulas puesto que se
diseñaban a partir de tubos al vacío
(diodos, triodos, tetrodos, pentodos etc.) Actualmente los
dispositivos se diseñan en estado sólido
(circuitos integrados monolíticos) aprovechando
la relativa facilidad que presentan los materiales
semiconductores para cambiar su capacidad conductiva al ser
sometidos a técnicas especiales de
dopado.
Se le llama circuito discreto a aquel circuito
que se forma a partir de dispositivos básicos
(resistencias, capacitores diodos y transistores) y cuyos
componentes se obtienen por separado y se sueldan entre sí
en una tarjeta de circuito impreso. Se denominan circuitos
integrados a aquellos circuitos (analógicos, digitales
o análogo-digitales) cuya presentación es en forma
de un encapsulado hermético y del cual solo se observan
sus terminales. Existe una gran variedad de CI de todo tipo y los
hay desde los más simples (compuertas, amplificadores
integrados, hasta los más complejos, temporizadores,
microprocesadores, microcontroladores, etc.)
1.2
CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS
INTEGRADOS
Un circuito Integrado (CI) se fabrica al unir
dispositivos individuales tales como transistores, diodos,
capacitores y resistencias en un solo chip de silicio, estos
componentes son conectados entre si mediante finos alambres de
aluminio depositados en la superficie del chip, todos estos
componentes se encapsulan en un solo componente dando una
apariencia semejante a la mostrada en la figura 1.1.
1.2.1 TIPOS DE CIRCUITOS INTEGRADOS
De acuerdo al tipo de señal con que operan, los
circuitos integrados se clasifican en CI analógicos y CI
digitales y CI análogo-digitales. Una señal
analógica es cualquier señal cuya forma de onda
es continua, tiene un máximo y un mínimo y no es
quebrada, por ejemplo una señal senoidal. Una
señal digital es una señal discontinua en
forma de pulsos por ejemplo una onda cuadrada.
CI analógicos. También llamados
circuitos lineales, producen, amplifican o
responden a voltajes variables, es decir en este tipo de CI
interesa la magnitud de la señal de entrada como la de
salida. Todos los CI lineales están fabricados a partir de
transistores. Los CI analógicos incluyen amplificadores,
temporizadores, osciladores y reguladores de voltaje.
CI digitales. También denominados
circuitos lógicos responden a, o producen
señales que tienen únicamente dos niveles de
voltaje, nivel alto y nivel bajo. Todos los CI lógicos
están fabricados a partir de compuertas lógicas,
estas compuertas lógicas son circuitos formados a partir
de la combinación de resistencias y diodos o bien
resistencias y transistores. Los CI digitales incluyen
microprocesadores, microcontroladores, memorias etc.
CI análogo-digitales. Combinan en un solo
chip tanto circuitos analógicos como digitales. Ejemplos
de ellos son: comparadores, convertidores
digital/analógico, circuitos de interfase, temporizadores,
osciladores controlados por voltaje (VCO) y lazos de seguimiento
de fases.
1.2.2 ENCAPSULADO DE LOS CIRCUITOS
INTEGRADOS
Los tipos de encapsulados más comunes en que se
presentan los circuitos integrados se listan a
continuación:
Encapsulado DIP. Es el encapsulado más
común, consiste en dos hileras paralelas de terminales
distribuidas a los lados del CI, en este encapsulado las patillas
del CI atraviesa la tarjeta de circuito impreso (TCI) y
se sueldan en la parte inferior. Véase la figura 1.2
(a).
Encapsulado SMT. Se denomina
tecnología de montaje de superficie (SMT) y
consiste en encapsulados cuyas patillas no atraviesan la TCI por
lo que se sueldan en la superficie. De acuerdo al
número de terminales se clasifican en encapsulado de
contorno pequeño SO (8, 14 y 16 terminales) y
SOL (16, 18, 20, 24, y 28 terminales). Se fabrican tanto en
plástico (más económico) como
en cerámica (más robusto). Véase la figura
1.2 (b).
Encapsulado TO-5. Este tipo de encapsulado se
fabrica de metal y es muy robusto, sin embargo su uso está
limitado por el espacio disponible en la TCI. Véase la
figura 1.2 (c).
Encapsulado LCC. Consiste en un CI de
cerámica que no tiene terminales que sobresalgan
para conectarlo a la TCI, por esta razón se
denomina portador de pastilla sin terminales (LCC). La
conexión LCC se hace tanto mecánica como
eléctricamente mediante soldadura. La figura 1.2 (d)
muestra la forma correcta de conectar un LCC sobre la
TCI
Encapsulado PLCC. Este tipo de encapsulado fue
introducido en1980 como alternativa al LCC, consiste en
terminales salientes doblabas hacia arriba en forma de J
invertida, los hay de 20, 28, 44, 52 y 84 terminales
en encapsulado de plástico. Véase la figura 1.2
(e).
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