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EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Transistores, diodos y resistencias son los únicos componentes prácticos en los CI típicos. También se pueden usar condensadores, pero normalmente son de valor pequeño, menores de 50 pF. Ésta es la razón por la que los diseñadores de CI no pueden usar condensadores de acoplo y de desacoplo de la misma forma que lo hacen para circuitos discretos. Así, para CI, se emplea el acoplamiento directo entre etapas y se elimina también el condensador de desacoplo de emisor, teniendo cuidado de no perder demasiada ganancia de tensión.
El circuito clave para lograrlo es el amplificador diferencial. El diseño de este circuito es extremadamente inteligente porque elimina la necesidad del condensador de desacoplo de emisor. Por esto y por otras razones, el amplificador diferencial se utiliza como etapa de entrada en casi todos los amplificadores operacionales integrados.
Entrada y salida diferenciales
La Figura 17-1 representa un amplificador diferencial. Consiste en dos etapas en EC en paralelo con una resistencia de emisor común. Aunque tiene dos tensiones de entrada (v1 y v2) y dos tensiones de colector (vcl y vc2), el circuito total se considera como una sola etapa. Como no hay condensadores de acoplo o desacoplo, no existe frecuencia de corte inferior.
La tensión alterna de salida voutse define como la tensión entre los colectores con la polaridad que se indica en la Figura 17-1:
Vout= vc2-vc1
Esta tensión se denomina salida diferencial porque combina las dos tensiones alternas de colector en
una tensión que es igual a la diferencia de las tensiones de colector.
Figura 17-1. Entrada diferencial y salida diferencial.
nota Se usarán letras minúsculas para Vout, vc1 y vc2 porque son tensiones alternas que incluyen la tensión a cero hercios [O Hz] como un caso particular.)
Idealmente, el circuito tiene idénticos transistores y resistencias de colector. Con esta simetría perfecta, Vout es cero cuando las dos tensiones de entrada son iguales. Cuando v, es mayor que v2, la tensión de salida tiene la polaridad que se muestra en la Figura 17-1. Cuando v2 es mayor que v1 la tensión de salida se invierte y tiene la polaridad opuesta.
El amplificador diferencial de la Figura 17-1 tiene dos entradas separadas. La entrada v1
se denomina entrada no inversora porque Vout está en fase con V 1 Por otro lado, v2 se denomina la entrada inversora, porque Vout está desfasada 180° con respecto a v2. En algunas aplicaciones sólo se utiliza la entrada no inversora y la inversora se pone a masa. En otras aplicaciones sucede lo contrario.
Cuando ambas entradas están presentes, la entrada total se denomina entrada diferencial porque la tensión de salida es igual a la ganancia de tensión multiplicada por la diferencia entre las dos tensiones de entrada. La ecuación para la tensión de salida es:
Vout = A (v1 - v2) (17-2)
Donde A es la ganancia de tensión. En el Apartado 17-3 se obtendrá la ecuación para la ganancia de tensión.
Terminal de salida único
Una salida diferencial como la de la Figura 17-1 necesita una carga flotante porque ningún extremo de la carga puede estar conectado a masa. Esto es un inconveniente en muchas aplicaciones, ya que las cargas tienen normalmente un único terminal, es decir, el otro está conectado a masa.
La Figura 17-2 representa uno de los esquemas más utilizados para un amplificador diferencial. Tiene muchas aplicaciones porque puede alimentar cargas de un terminal, como etapas en EC, seguidores de emisor y otros circuitos. Como se puede observar, la señal alterna de salida se toma del colector de la parte derecha. La resistencia de colector de la parte izquierda se ha eliminado porque no cumple ninguna función.
Debido a que la entrada es diferencial, la tensión alterna de salida todavía está determinada por
A (v1 - v2). Sin embargo, con un único terminal de salida, la ganancia de tensión es la mitad de lo que era con salida diferencial. Se obtiene sólo la mitad de la ganancia de tensión porque la salida se toma sólo de un colector.
La Figura \l-2b muestra el símbolo de diagrama de bloques para un amplificador diferencial con entrada diferencial y salida única. Se usa el mismo símbolo para un amplificador operacional. El signo más (+) representa la entrada no inversora y el signo menos (-) la entrada inversora.
Configuraciones con entrada no inversora
A menudo sólo está activa una de las dos entradas y la otra está a masa, como se representa en la Figura 17-3cz. Esta configuración tiene una entrada no inversora y una salida diferencial. Como v2 = O, la Ecuación (17-2) resulta en:
no inversora y una salida diferencial. Como v2 = O, la Ecuación (17-2) resulta en:
Vout= -Av1
(17-3)
(17-1)
La Figura 17-3b señala otra configuración para el amplificador diferencial. Ésta posee una entrada no inversora y salida de un terminal. Como Vout es la tensión alterna de salida, la Ecuación (17-3) todavía es válida, pero la ganancia de tensión valdrá la mitad porque la salida se toma sólo de un lado del amplificador diferencial.
Configuraciones con entrada inversora
En algunas aplicaciones v2 es la entrada activa y v1 es la entrada conectada a masa, como aparece en la Figura 17-4a. En este caso, la Ecuación (17-2) se simplifica a:
Vout= -Av1 (17-4)
El signo menos en la Ecuación (17-4) indica inversión de fase. La Figura17-4b representa la última configuración que se va a explicar.
Figura 17-3 (a) entrada no inversora y salida diferencial (b)entrada no inversora
y salida de un terminal
CONCLUSIÓN
La Tabla 17-1 resume las cuatro configuraciones básicas de un amplificador diferencial. El caso general tiene una entrada diferencial y una salida diferencial
Figura 17-4 entrada inversora y salida diferencial
Tabla17-1 configuraciones del amplificador diferencial
Entrada Salida Vin Vout
Diferencial
Diferencial
Terminal único
Terminal único
Diferencial
Terminal único
Diferencial
Terminal único
v1-v2
v1-v2
v1 o v 2
v1 o v 2
Vc2-Vc1
Vc2
Vc2-Vc1
Vc2
El resto de los casos son subconjuntos del caso general .por ejemplo para obtener el funcionamiento con una sola entrada se usa una de ellas y la otra se conecta a masa en este caso se puede utilizar tanto la entrada inversora v2 como la no inversora v1
ANÁLISIS EN CONTINUA DE UN AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
La Figura 17-5a representa el circuito equivalente de continua para un amplificador diferencial. A lo largo de esta sección se supondrá que los transistores son idénticos y las resistencias de colector también. En este análisis preliminar también se supondrá que las bases están conectadas a masa.
El tipo de polarización utilizada aquí debería resultar familiar. Es casi idéntica a la polarización de emisor con dos fuentes de alimentación (PEDF) que se estudió en el Capítulo 8. Si se recuerda, la mayor parte de la tensión de alimentación negativa en un circuito PEDF aparece a través de la resistencia de emisor, lo que fija una corriente de emisor.
Figura 17-5 b) segunda aproximación
+VCC
RC RC
=0V
RE
-VEE
Figura 17-5 a) análisis ideal para continua
Análisis ideal
La corriente a través de la resistencia común de emisor, RE, se denomina corriente de polarización. Si se ignora la caída de tensión VEE a través de los diodos de emisor de la Figura 17-5a, entonces la parte superior de la resistencia de emisor es idealmente una masa para continua. En este caso toda la tensión VEE se genera a través de RE y la corriente de polarización es:
IT=VEE / RE (17-5)
Esta ecuación es suficiente para detectar averías y para análisis preliminares porque nos lleva rápidamente al punto de interés: casi toda la tensión de alimentación de emisor aparece a través de la resistencia de emisor.
Cuando las dos mitades de la Figura 17-5a están perfectamente igualadas, la corriente de polarización
se dividirá por igual; por tanto, cada transistor tiene una corriente de emisor de:
IE =IT/2
La tensión continua en cada colector viene dada por la siguiente ecuación, ya familiar:
Vc = Vcc - ICRC (17-7)
Segunda aproximación
Se puede mejorar el análisis de continua incluyendo la caída de tensión VBE a través de cada diodo emisor.
En la Figura 17-5 b la tensión en la parte superior de la resistencia de emisor es un VBE por debajo de
masa. Así, la comente de polarización vale:
IT=VEE-VBE/RE (17-8)
Donde VBE = 0,7 V para transistores de silicio.
Efecto de las resistencias de base en la corriente de polarización
En la Figura 17-5¿> ambas bases se conectaron a masa por simplicidad. Cuando se
usan, las resistencias de base tienen un efecto despreciable en la corriente de polarización
si el amplificador diferencial está bien diseñado. Esto es así porque la ecuación para la
corriente de polarización incluyendo las resistencias de base es:
IT=VEE-VBE/RE+RB/2ΒDC
En cualquier diseño práctico RB/2βdc es menor que un 1 por 100 de RE. Por eso se prefiere utilizar las
Ecuaciones (17-5) o (17-8) para calcular la corriente de polarización
EJEMPLO 17-1
¿Cuáles son las corrientes y tensiones ideales en la Figura 17-6ª
SOLUCIÓN
Con la Ecuación (17-5), la corriente de polarización es:
Cada corriente de emisor es la mitad de la corriente de polarización:
Cada colector tiene una tensión de polarización de aproximadamente:
Vc= 15V-(1 mA)(5kQ) = 10 V
EJEMPLO 17-2
Vuelva a calcular las corrientes y tensiones para la Figura 17-6a usando la segunda aproximación.
SOLUCIÓN
La corriente de polarización es:
Cada corriente de emisor es la mitad de la corriente de polarización:
Cada colector tiene una tensión de polarización de aproximadamente:
Vc= 15V-(0.955 mA)(5kQ) = 10.2 V
Como se puede observar las respuestas solo cambian ligeramente si se utiliza la
segunda aproximación de hecho si se construye el mismo circuito EWB y se
prueba, se obtiene las siguientes respuestas usando transistores 2N3904
IT=1.912mA
IE=0.956mA
IC=0.950mA
VC=10.25V
Estas respuestas son casi las mismas que se obtuvieron con la segunda
aproximación y no muy diferentes de las respuestas ideales lo que se quiere
destacar que el análisis ideal es adecuado para muchas situaciones. Si se necesita
mucho mas precisión se debe hacer el análisis con la segunda aproximación o con
EWB.
ANÁLISIS EN ALTERNA DE UN AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Comenzaremos en la configuración mas simple la entrada no inversora y salida de un
terninal
Teoría de funcionamiento
La figura 17.8 representa una entrada no inversora y salida de un terminal
Para valores grandes de RE la corriente de polarización se puede considerar constante ,
un incremento de la corriente del emisor Q1 produce una reducción de la corriente del
emisor q2 y viceversa
Figura 17.8
Ganancia en el terminal de salida único
En la figura 17.8 muestra el circuito equivalente para señal. Cada transistor tiene una r’e
en paralelo con RE . en un diseño practico RE es mucho mayor que r’e por lo que se
puede eliminar RE.,
Ganancia en la salida diferencial
Figura 17.9
Configuraciones con entrada inversora
la figura 17.10 muestra una entrada inversora y salida de u terninal. El análisis de
alternqa es casi idéntico al análisis no inversor. En este cirtcuito la señal inversora v2
produce una tencion alterna de salida amplificadae invertida
la ganancia de tencion es el doble de la que se explica previamente
Configuración con entrada diferencial
Las configuraciones con entrada diferencial tienen ambas entradas activas al mismo
tiempo. El análisis de alterna se puede simplificar utilizando el teorema de
superposición
Figura17.10
Para entrada no inversora
Para entrada inversora
Combinando se tiene
Tabla de ganancias de tensión
Entrada Salida A Vout
diferencial diferencial Rc/ r’e A(v1 – V2)
diferencial Terninal unico Rc/ 2 r’e A ( V1 – V2)
Terninal único diferencial Rc / r’e AV1 ò – AV2
Terminal único Terminal unico Rc / 2r’e AV1 ò –AV2
Impedancia de entrada
En una etapa en EC, la impedanciade netrada de la base :
En un amplificador diferencial la impedancia de entrada de cada base es
Ejemplo
En la figura 17.11, ¿Cuál es la tensión alterna de salida? Si B=300,¿Cuánto vale la
impedancia de entrada del amplificador diferencial?
Se analizo el circuito equivalente en el ejemplo 17.1 idealmente existe 15v a través de la
resistencia de emisor, que produce una corriente de polarización de 2mA, lo que
significa que la corriente continua de emisor en cada transistor es :
Ie = 1mA
Ahora se puede calcular la resistencia de emisor para señal
r’e=25mV/1ma =25
A=2k/25 =200
La tencion alterna de salida vale Vout= 200(1mv)=200mV
Y la impedancia de entrada del amplificador diferencial
Zin=2*300*25 =15k
Ejemplo
Repetir el ejemplo anterior para V2=1mv y V1=0
Ahora se excita la entrada inversora en lugar de la no inversora. Idealnete la tencion de
lasida tiene lka misma magnitud, 200mv, pero etsa invertida. La impedancia de entrada
es aproximadamente 15K
Ejemplo
¿Cuál es la tensión alterna de salida en la figura 17.12 si B=300? ¿Qué valor toma la
impedancia de entrada del amplificador diferencial
Idealmente, existe 15v a través de la resistencia de emisor, asi que la corriente de
polarización es:
It = 15 / 1M =15uA
Como la corriente de emisor en cada transistor es la mitad de la corriente de
polarización
La ganacia de tension para la salida de un terminal vale:
La tension alterna de salida es:
y la impedancia de entrada de la base:
17-4 CARACTERISTICAS DE ENTRADA DE UN AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
La suposición de simetría en un amplificador diferencial es una buena
aproximación. Pero para aplicaciones de precisión no se pueden tratar como
identicas las dos mitades de un amplificador diferencial. Existen tres
parámetros en la hoja de caracteristicas de cada amplificador operacional que
un diseñador debe usar cuando se necesitan respuestas mas precisas. Estos
son la corriente de polarización de entrada, la corriente offset de entrada y la
tensión de offset de entrada.
Corriente de polarización de entrada
En un op amp integrado, la βdc de cada transistor en la primera etapa es
ligeramente diferente, lo que significa que las corrientes de base en la
Figura17-13 son sutilmente distintas. La corriente de polarización de entrada
se define como el promedio de las corrientes continuas de base:
Por ejemplo, si IB1 = 90 nA e IB2 = 70 nA, la corriente de polarización d entrada
es:
Con op amp bipolares, la corriente de polarización de entrada es del orden de
los nano amperios. Cuando los op amps usan JFET en el amplificador
diferencial de entrada, la corriente de polarización de entrada esta en la escala
de los pico amperios.
La corriente de polarización de entrada circulara hacia las resistencias entre
las bases y masa. Estas resistencias pueden ser componentes discretos o
resistencia Thevenin de las fuentes de entrada.
Corriente de offset de entrada
La corriente de offset de entrada se define como la diferencia entre las
corrientes continuas de base:
Esta diferencia en las corrientes de base indica lo parecidos que son los
transistores, Si son identicos, la corriente de offset de entrada es cero
casi simpre ambos transistores son ligeramente diferentes y las dos corrientes
de base son iguales.
Corriente de base y offsets
Reordenando las Ecuaciones (17-12) y (17-13), se pueden derivar ambas para
las corrientes de base:
Efectos de la corrinte de base
Algunos amplificadores diferenciales funcionan con una resistencia de base
solamente en uno de sus lados, como se muestra en Figura 17-14ª.
La corriente de base a traves de RB produce una tension continua de entrada
no inversora de :
(Nota: Se usan letras mayusculas para tensiones continuas de error como V1.
Esta tension tiene el mismo efecto que una senial de entrada genuina. Cuando
esta senial falsa se amplifica aparece una tension continua no deseada Verror
en la salida, como aparece en la Figura 14-17ª.)
Efectos de la corriente offset de entrada
Una manera de reducir la tensión de error de salida para no utilizar una
resistencia de base igual en el otro lado del amplificador diferencial, como se
presenta en Figura 17-14b. En este caso, se tiene una entrada continua
diferencial de:
Como Iin(offset) es normalmente menor que el 25 por 100 de Iin(polarización), la
tension de error de entrada es mucho mas pequenia cuando se usan
resistencia de bases iguales.
Tension offset de entrada
Cuando se integra un amplificador operacional como la primera etapa de un
op amp, las dos mitades son casi iguales, pero no totalmente identicas. Para
empezar, las dos resistencias de colector pueden ser diferentes, como se
muestra en la Figura 17-15 a. A causa de ello aparece una tension de offset en
la salida.
Otra fuente de offset es una tensión VBE ligeramente diferente para cada
transistor.
La tension de offset de entrada se define como la tension de entrada que
produciria la misma tension de salida en un amplificador diferencial perfecto.
Expresandolo como una ecuación:
En esta ecuación. Voffset no incluye los efectos de la corriente de polarizacion
de entrada ni de la corriente de offset de entrada porque ambas bases estan a
masa cuando se mide Voffset.
Por ejemplo, si un amplificador diferencial tiene una tension de offset de salida
de 0.6 V y una ganacia de tension de 300, la tension de offset de entrada es:
La Figura 17-15c ilustra la idea. Una tension de offset de entrada de 2 mV
excita un amplificador diferencial con una ganacia de tension de 300 para
producir una tension de offset de 0,6 V.
Efectos combinados
En la Figura 17-16, la tension de salida es la superposición de todos los
efectos existentes a la entrada. Para empezar, tenemos la entrada alterna
ideal:
que es lo que se desea. Es la tension que proviene de las dos fuentes de
entrada. Se amplifica para producir la salida alterna deseada:
Después estan las tres entradas continuas de offset no deseadas. Con las
Ecuaciones (17-13 a) y (17-13b) se pueden derivar las siguientes formulas:
La ventaja de estas ecuaciones es que se usan Iin(polarización) e Iin(offset), valores
que aparecen en la hoja de caracteristicas. Las tres tensiones de offset se
amplifican para producir la tension de offset de salida:
En muchos casos se puede ignorar Voffset, hecho que dependerá de la
aplicación.
Resistencia de base iguales
Cuando los errores de offset y la polarización no se pueden ignorar existen
otros remedios. Como ya se menciono, una de las primeras cosas que puede
hacer un diseñador consiste en utilizar resistencias de base iguales: RB1 =
RB2 = RB, lo que provoca un mayor parecido entre ambas mitades del
amplificador diferencial porque las Ecuaciones (17-16) y (17-19) se convierten
en:
Conclusión
La Tabla 17-3 resume las fuentes de tensión de offset de salida.
EJEMPLO 17-8
El amplificador diferencial de la Figura 17-17 tiene una A = 200, Iin(polarización)
= 3μA, Iin(offset) = 0,5μA y Vin(offset) = 1mV. ¿ Cual es la tension de offset de
salida? Si se emplea una resistencia una resistencia de base adaptada, ¿ cual
es la tension de offset de salida?
SOLUCION
Con las Ecuaciones (17-16) y (17-18):
La tension de offset de salida es:
Cuando se usa una resistencia de base adaptada de 1kΩ en el lado inversor:
V1offset= 0
V2offset =RBIin(offset)= (1k)(0.5µA)=0.5mV
V3offse=v in(offset) = 1mV
La tensión de offset de salida es:
Voffset=200(0.5 mV+1m V)=300mV
EJEMPLO 17.9
El amplificador diferencial de la figura 17 -18 tiene una A=300, Iin(polarización)
=80nA,Iin(offset)=20 A y Vin(offset) =5mV. ¿Cuál es la tensión de offset de salida?
El circuito utiliza resistencias de bases iguales. Con las ecuaciones mostradas arriba:
V1offset = 0
V2offset = (10K)(20nA)=0.2mV
V3offset = 5mV
La tensión de offset total de salida es:
V offset = 300(0.2mV+5mV)=1.56Mv
Figura 17-18. Ejemplo
17.5 GANANCIA EN MODO COMÚN
La figura 17-19ª representa una entrada diferencial y salida de un terminal.
Se esta aplicando la misma tensión de entrada, Vin(CM), a cada base. Esta señal se
denomina una señal en modo común. Si el amplificador diferencial es perfectamente
simétrico no existe tensión alterna de salida con una señal de entrada en modo común
porque V1=V2. Cuando un amplificador diferencial no es perfectamente simétrico
existirá una pequeña tensión alterna de salida.
En la figura 17-19 se aplican tensiones iguales a las entradas no inversoras. Si el
amplificador diferencial esta funcionando en un medio con gran cantidad de
interferencias electromagnéticas, cada base actúa como una pequeña antena y detecta
una señal de tensión no deseada.
Nada impide dibujar un circuito equivalente, como se ve en la figura 17-19b. en el, las
dos resistencias en paralelo de 2RE tienen una resistencia equivalente de RE; por
consiguiente, este circuito equivalente no cambia la tensión de salida.
Como las dos corrientes de emisor son iguale, no hay corriente a través del conductor
entre los emisores. Por la misma razón se puede quitar, como se muestra en la figura 17-
20, sin que se altere ninguna corriente o tensión.
Con una señal de modo común, la parte derecha del circuito es equivalente a un
amplificador en EC con resistencia de emisor sin desacoplar.
Como RE siempre mucho mayor que la ganancia de tensión en modo común es
aproximadamente igual a:
ACM =
Con valores típicos de RC y RE, la ganancia de tensión en modo común es,
generalmente, menor que 1.
Relación de rechazo al modo común
La relación de rechazo al modo común (CMRR: del ingles Common - Mode Rejection
Ratio) se define como la ganancia de tensión dividida por la ganancia de tensión en
modo común. Expresándolo matemáticamente, tenemos:
CMRR =
Por ejemplo, si A=200 y ACM=0.5, CMRR=400.
Figura 17-20. El lado derecho actua como un amplificador en EC con resistencia
de emisor sin desacoplr con una entrada en modo comun.
Cuanto mayor es CMRR, mejor. Una alta significa que el amplificador diferencial
amplifica la señal deseada y la discrimina frente a la señal en modo común.
Las hojas de caracteristicas normalmente especifican CMRR en decibeli9os, utilizando
la siguiente formula de conversión:
CMRRDB = 20 log CMRR
Por ejemplo, si CMRR=400:
CMRR =20 log 400=52 dB
EJEMPLO 17-10
En la figura 17-21, ¿Cuál es la ganancia de tension en modo comun?¿Y la tension de
salida?
SOLUCION
Con la Ecuacion (17-20), obtenemos:
ACM = = 0.5
La tension de salida es:
Vout= 0.5(1mV)=0.5mV
Como podemos observar, el amplificador diferencial atenúa (o debilita) la señal en
modo común, en lugar de amjplificarla.
EJEMPLO 17-11
En la figura 17-22, S=150,ACM=0.5 y Vin=1mV. Si las conexiones de la base estan
captando una señal en modo comun de 1mA, ¿Cuál es la tensión de salida?
SOLUCION
La entrada tiene dos componentes, la señal deseada y una señal en modo común. Ambas
poseen la misma amplitud. La componente deseada se amplifica para obtener una salida
de:
Vout1=150(1mV)=150mV
La señal en modo comun se atenúa para conseguir ena salida de:
Vout= 0.5(1mV)=0.5mV
La salida es la suma de ambos componentes:
Vout =Vout1 +Vout2
La salida contiene ambas componentes, pero la componente deseada es 300 vgeces
mayor que la no deseada.
Figura. Ejemplo
El ejemplo demuestra porque un amplificador diferencial es útil como etapa de un op
amp: atenúa la señal en modo común.
EJEMPLO 17-12
Un 741 es un op amp con A=20.000 y CMRRdB =90 dB. ¿Cuál es la ganancia de tensión
en modo común? Si tanto la señal deseada como la señal en modo común tienen un
valor de 1 V, ¿Cuánto vale la tension de salida?
SOLUCION
CMRR= antilog
Reordenando la Ecuacion (17-21), tenemos:
ACM= = = 6.32
La componente de salida deseada es:
Vout = 200.000(1 V)=0.2 V
La salida en común vale:
Vout2=6.32(1 V)=6.32 V
Coko podemos observar, la salida deseada es mucho mayor que la saliuda en modo
común.
17-6. CIRCUITOS INTEGRADOS
La invencion del circuito Integrado(CI) en 1959 fue un hecho muy importante debido a
que los componentes ya no son discretos, sino integrados. Al ser sus componentes
integrados microscopicamente pequeños, un fabvricante puede colocar miles de ellos en
el espacio ocupado por único transistor discreto.
Figura 17-23. A) Cristal p; b) oblea; c)capa epitaxial; d)capa aisladora.
Idea Básica
Un fabricante produce un cristal p de varias pugadas de largo (Fig. 17-23a). Este se
corta en muchas obleas delgadas, como se ve en la figura 17-23b. Un lado de la oblea se
reviste de un aislante y se pule para dejar libre de asperezas su superficie. A esta oblea
se le llama sustrato p, y es el que se usará como soporte de los siguientes integrados. A
continuacion las obleas se colocan en el horno. Aquí se hace circular por encima de
ellas una mezcla de gas de átomos de silicio y átomos pentavalentes, lo que forma una
capa delgada de semiconductor tipo n en la superficie caliente del sustrato (Fig. 17-23c).
Esta delgada capa se denomina capa epitaxial. Como se puede ver en la fig. 17-23c, la
capa epitaxial tiene un espesor de entre 0.1 y mil aproximadamente (el mil equivale a
25,4 micras).
La oblea, a continuaciòn, se corta en áreas rectangulares, como se muestra en la figura
17-24. Cada una de estas áreas rectangulares, como se muestra en la figura 17-24. Cada
una de estas áreas se convertirá en un chip. Pero antes de que la oblea se corte, el
fabricante producirá cientos de circuitos en ella, una en cada área de la figura 17-24.
El modo de construir un un transistor integrado es el siguiente. Una seccion del SiO2 se
retira dejando expuesta una parte de la capa epitaxial (Fig. 17-25a). la oblea se coloca
entonces en un horno donde átomos trivalentes es suficiente para transformar la capa
epitaxial expuesta de material n en el material p. por consiguiente, se tiene una isla de
material n bajo la capa del SiO2 mostrada en la figura 17-25 c.
A continuacion se abre una ventana en la capa de SiO2, quedando expuesta la capa
epitaxial n (Fig. 17-25d). La capa que se ve a través de la ventana será el colector del
transistor.
Para formar la base se pasan átomos trivalentes a través de la ventana; esas impurezas se
difunden en la capa epitaxial y forman una isla de material tipo p (Fig. 17-25e). Se
vuelve a formar una capa de SiO2 pasando oxígeno sobre la oblea.
Figura 17-25. Pasos para hacer un transistor.
Para componer el emisor se forma una ventana en la capa de SiO2 quedando expuesta
una isla de material tipo p (Fig. 17-25g). difundiendo átomos pentavalentes en la isla p,
se puede formar la pequeña isla n de la figura 17-25h.
Despues se sella la estructura aplicando oxígeno en oblea (Figura 18-25i). Mediante el
grabado de las ventanas en la capa de SiO2 se puede depositar metal para hacer los
contactos eléctricos con el emisor, base y colector. Todo este proceso da coo resultado
el transistor integrado de la Figura 17-26a.
Para el diodo se hace lo mismo hasta la fig(17-28f). Entonces, se abren las ventanas
sobre las islas p y n. Depositando metal a través de esas ventanas, se hace contacto
eléctrico con el cátodo y el ánodo del diodo integrado(Fig. 17-26b). Mediante la
apertura de las ventanas que se encuentran sobre la isla p de la figura 17-25f, se puede
hacer contacto metálico con esta isla para obtener una resistencia integrada (Fig. 17-
26c).
La razon por la que casi todos los circuitos integrados es porque los transistores, diodos
y resistencias son fáciles de fabricar en un chip.
Un ejemplo simple
Para tener idea de cómo se produce un circuito examinemos el circuito de tres
componentes de la figura(a) .Al fabricarlo nos gustaría producir simultáneamente
cientos de circuitos similares a este en una oblea. Cada área del chip debería ser igual a
la figura (b). El diodo y la resistencia se formarían como se menciono anteriormente. En
un paso posterior se haría lo mismo con el emisor del transistor. A continuación se
abrirían las ventanas y se depositaria metal para conectar al diodo, el transistor y la
resistencia.
Sin considerar lo complicado que puede ser un circuito su fabricación consiste
principalmente en la apertura de ventanas, la formación de islas p y n, y la conexión de
los componentes integrados. El sustrato p aísla dichos componentes entre si. En la
figura (b) hay zonas de deplexión no tienen portadores de corriente, los componentes
integrados se aíslan uno del otro. Este tipo de aislamiento se conoce como aislamiento
de zonas de deplexión.
TIPOS DE CI
Los circuitos integrados que hemos descritos llaman CI monolíticos .que significa “una
piedra”, esto es porque los componentes son parte de un chip. Este es el tipo más común
de circuitos integrados, estos se utilizan como amplificadores, reguladores de tensión,
conmutadores, receptores de AM, circuitos de televicion y circuitos digitales.
Estos tienen limitaciones de potencia.
Cuando se requiera potencia mas alta se puede usar Ci de capa fina y de capa gruesa o el
CI hibrido.
NIVELES DE INTEGRACION
La integración a baja escala SSI se refiere a los CI con menos de 12 componentes. La
mayoría de estos circuitos utilizan resistencias, diodos y transistores bipolares
integrados.
La integración a media escala MSI se refiere a los CI que tienen de 12 a 100
componentes integrados por chip.
La integración a gran escala LSI hace referencia a los CI con más de cien componentes.
La integración a escala ultra grande ULSI hace referencia a los CI que tienen más de
un millón de componentes integrados por chip.
EL ESPEJO DE CORRIENTE
El espejo de corriente se usa en los CI porque es una forma conveniente de crear fuentes
de corriente y cargas activas. La ventaja es el incremento en la ganancia de tensión y en
la CMRR de un amplificador diferencial.
EL ESPEJO DE CORRIENTE ALIMENTA LA CORRIENTE DE
POLARIZACION
Con la terminal de salida única, la ganancia de tensión de un amplificador operacional
es y la ganancia de tensión en modo común es el cociente es:
CMRR = Cuanto mas grande sea el valor de , mayor será el valor de CMRR.
Una forma de obtener una equivalente de valor grande consiste en utilizar un espejo
de corriente para producir la corriente de polarización como vemos en la figura.
CARGA ACTIVA
La ganancia de tensión de un amplificador diferencial con terminal de salida único es
.La figura representa un espejo de corriente utilizado como una resistencia de
carga activa.
EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CARGADO
Cuando se usa una resistencia de carga con un amplificador diferencial, la mejor
solución consiste en utilizar el teorema de Thevenin. Se calcula la tensión alterna de
salida Vout .
Esta tensión es igual a la tensión de Thevenin .La resistencia de Thevenin será de 2
con la salida diferencial y de con terminal de salida único.
EJEMPLO 10-13
¿Cuál es la tensión en la carga de la figura 17-32 (a) cuando =15 K?
SOLUCION
Idealmente la corriente de polarización es 2 mA, la corriente de emisor es 1 mA y =
25 Ω. La ganancia de tensión en ausencia de carga es:
A= = = 300
La tensión de Thevenin o de salida en ausencia de carga toma un valor de
300(10mV)= 3v
FIGURA 17-31
a) Amplificador diferencial con resistencia de carga; (b) circuito equivalente
Thevenin para la salida diferencial: c) circuito equivalente de thevenin para
salida de un terminal.
La resistencia Thevenin es:
=15KΩ
La figura 17-32 b es el circuito equivalente Thevenin Con una resistencia de carga de 15
KΩ, la tensión en la carga vale:
= 0.5 (3v) = 1.5v
EJEMPLO 17-14
Se utiliza un amperímetro para la resistencia de carga de la figura 17-32 (a). ¿Cuál es la
corriente atreves del amperímetro?
= 0.2 mA
Sin el teorema de Thevenin habría sido un problema muy difícil de resolver.
