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Ingeniería en Electrónica, Telecomunicaciones y Redes de InformaciónElectrónica BásicaRicardo Llugsi, Pablo Lupera
Este libro ha seguido el proceso editorial de la Escuela Politécnica Nacional en el que se incluye el proceso de revisión por pares anónimos.
Jenny Ruales (Editora)Marco Calahorrano (Coeditor)Víctor HidalgoLeonardo BasileLuis Urquiza
Comité Editorial:
Sebastián LaverdeTécnico Operativo:Dirección de Realaciones Instticuionles
ISBN: 978-9978-383-44-5
Publicado bajo el sello de EPN EditorialVicerrectorado de Docencia, Escuela Politécnica NacionalLadrón de Guevara E11-253Quito-Ecuador
Primera edición, 2020Primera impresión, 2020
El contenido del libro es de absoluta responsabilidad de los autores.
© Escuela Politécnica Nacional
Diseño de Portadas:
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Electrónica Básica
Ricardo Llugsi Cañar Pablo Lupera Morillo
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Contenido
Contenido ........................................................................................................................................ 3
Prólogo .......................................................................................................................................... 11
Introducción ................................................................................................................................... 13
Glosario ......................................................................................................................................... 15
Notación utilizada .......................................................................................................................... 23
Sobre los Autores .......................................................................................................................... 25
Capítulo I: Elementos semiconductores ........................................................................................ 29
1.1 Semiconductores Puros ....................................................................................................... 29
1.2 Semiconductores Impuros ................................................................................................... 32
1.3 Juntura Tipo PN ................................................................................................................... 34
1.4 Polarización Inversa en Junturas PN ................................................................................... 37
1.5 Esquema de conexión de una batería para polarización directa en un semiconductor P y N (Forward-Biased) ...................................................................................................................... 38
1.6 Analogía existente entre corriente y voltaje de un diodo .................................................... 39
1.7 Diodo (Juntura PN) .............................................................................................................. 39
1.8 Voltaje de Ruptura (Breakdown) ......................................................................................... 42
1.9 Puente integrado para Rectificador de Media Onda y de Onda Completa .......................... 42
1.9.1 Rectificador de Media Onda ......................................................................................... 42
1.9.2 Uso del Diodo junto con un Capacitor ......................................................................... 49
1.9.3 Puente rectificador de onda completa ........................................................................... 52
1.9.4 Comparación de transformadores de onda a DC .......................................................... 56
1.9.5 Uso de filtro capacitivo en los rectificadores de ondas ................................................ 58
1.10 Circuitos Recortadores (Clippers) y Elevadores (Clampers) ............................................ 59
1.10.1 Circuitos Recortadores ............................................................................................... 59
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1.10.2 Circuitos Clampers ..................................................................................................... 61
1.11 Diodo Zener ....................................................................................................................... 62
1.11.1 Circuitos con Diodos Zener ........................................................................................ 64
1.11.2 Resistencia Zener y Regulación Porcentual ............................................................... 66
1.12 Análisis de Junturas PN en Fuentes Ópticas ..................................................................... 67
1.12.1 El diodo de emisión de luz (LED) .............................................................................. 72
1.13 Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (Láser) .................................. 74
1.13.1 Materiales Semiconductores para Láser ..................................................................... 80
1.13.2 Eficiencia .................................................................................................................... 81
1.15 Preguntas del Capítulo ....................................................................................................... 83
Capítulo II: El transistor ................................................................................................................ 91
2.1 Análisis de corriente en el transistor ................................................................................... 92
2.2 Configuraciones del transistor ............................................................................................. 93
2.2.1 Corriente de emisor ...................................................................................................... 94
2.2.2 Corriente de colector .................................................................................................... 95
2.2.3 Corriente de base .......................................................................................................... 95
2.2.4 Ganancia de corriente de emisor común ....................................................................... 96
2.2.5 Relaciones de corriente ................................................................................................. 97
2.3 Regiones de operación del transistor ................................................................................... 98
2.3.1 Región de corte ............................................................................................................. 98
2.3.2 Región activa ................................................................................................................ 98
2.3.3 Saturación ..................................................................................................................... 98
2.4 Análisis de potencia en transistores ..................................................................................... 99
2.5 Polarización del transistor ................................................................................................... 99
2.5.1 Análisis primario de polarización ................................................................................. 99
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2.6 Diseño de configuración en polarización con BJT. ........................................................... 101
2.6.1 Configuración de polarización fija (Base) .................................................................. 101
2.6.2 Configuración de polarización del colector ................................................................ 102
2.6.3 Configuración de polarización del emisor .................................................................. 104
2.6.4 Configuración de polarización por divisor de voltaje ................................................ 105
2.7 Análisis DC de amplificadores con BJT (polarización) .................................................... 107
2.8 Análisis AC de un TBJ ...................................................................................................... 112
2.8.1 Análisis del amplificador con TBJ en configuración de Emisor Común ................... 113
2.8.2 Análisis del amplificador con TBJ en configuración de Base Común sin capacitor en el terminal de la base ........................................................................................................... 117
2.8.3 Análisis del amplificador con TBJ en configuración de Base Común con capacitor en el terminal de la base ........................................................................................................... 120
2.9.1 Diseño de amplificadores con transistores bipolares (configuración de Emisor Común) ............................................................................................................................................. 131
2.9.2 Diseño de amplificadores con BJT (Base Común) ..................................................... 140
2.9.3 Diseño de amplificadores con BJT (Colector Común) ............................................... 144
2.10 Diseño de Amplificadores con Impedancia de Entrada ................................................... 146
2.10.1 Diseño de Amplificadores con BJT (Emisor Común) .............................................. 146
2.10.2 Diseño de Amplificadores con BJT (Base Común) ................................................. 147
2.10.3 Diseño de Amplificadores con BJT (Colector Común) ........................................... 149
2.12 Preguntas del Capítulo ..................................................................................................... 151
Capítulo III: Transistor de efecto de campo de unión de Juntura o Unión (Junction Field-Effect Transistor) .................................................................................................................................... 157
3.1 Característica de Voltaje - Corriente ................................................................................. 161
3.2 Saturación en JFET ............................................................................................................ 164
3.3 Ventajas del JFET .............................................................................................................. 165
3.4 Parámetros del JFET .......................................................................................................... 165
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3.5 Relación entre los Parámetros del JFET ............................................................................ 166
3.6 Variación de la Transconductancia .................................................................................... 167
3.7 Regiones de operación del JFET ....................................................................................... 168
3.8 Modelos para pequeña señal .............................................................................................. 170
3.8.1 Modelo Híbrido π ....................................................................................................... 170
3.8.2 Modelo T .................................................................................................................... 172
3.9 Circuitos equivalentes de pequeña señal ........................................................................... 173
3.9.1 Modelo T simplificado ............................................................................................... 173
3.9.2 Circuito de Norton en drenaje .................................................................................... 174
3.9.3 Circuito de Thévenin en la fuente .............................................................................. 176
3.10 Circuitos amplificadores con JFET ................................................................................. 177
3.10.2 Amplificador con JFET en configuración de Drenaje-Común ................................. 177
3.10.3 Amplificador con JFET en configuración de Compuerta-Común ........................... 178
3.11 Ejercicios con JFET ......................................................................................................... 179
3.12 Preguntas del Capítulo ..................................................................................................... 182
Capítulo IV: Acoplamiento de Amplificadores Multietapa ........................................................ 185
4.1 Acoplamiento Resistivo Capacitivo .................................................................................. 187
4.1.1 Ventajas en el Uso de Acoplamiento Capacitivo ....................................................... 190
4.2 Acoplamiento de Impedancia o Acoplamiento Inductivo ................................................. 191
4.2.1 Ventajas en el Uso de Acoplamiento Inductivo ......................................................... 194
4.3 Amplificador de Etapas Múltiples usando un Transformador .......................................... 194
4.3.1 Beneficios del amplificador de etapas múltiples usando un transformador ............... 197
4.4 Amplificadores de etapas múltiples acopladas directamente ............................................ 200
4.4.1 Beneficios del amplificador de etapas múltiples acopladas directamente .................. 200
4.4.2 Ejercicio de aplicación del acoplamiento directo ....................................................... 200
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4.5 Diseño de un Amplificador de Múltiples Etapas (Ejercicio) ............................................. 203
4.6 Preguntas del Capítulo ....................................................................................................... 219
Capítulo V: Amplificador Operacional ....................................................................................... 221
5.1 Historia del amplificador operacional ............................................................................... 222
5.7 Amplificador en Configuración de Buffer ........................................................................ 230
5.8 Amplificador Derivador .................................................................................................... 230
5.9 Amplificador en Configuración de Integrador .................................................................. 232
5.10 Amplificador Sumador .................................................................................................... 233
5.11 Amplificador Diferencial ................................................................................................. 233
5.12 Ejemplo de Usos del Amplificador Operacional ............................................................. 234
5.12.1 Amplificador Operacional en Configuración de Filtro ............................................ 234
5.12.2 Amplificador de Electrocardiograma ....................................................................... 235
5.12.3 Amplificador Utilizado para Medir la Rigidez de un Elemento ............................... 237
5.12.4 Amplificador Operacional con Sensores Piezoeléctricos ......................................... 239
5.12.5 Control PID .............................................................................................................. 240
5.13 Ejercicios de Amplificadores Operacionales ................................................................... 241
5.15 Preguntas del Capítulo ..................................................................................................... 247
Capítulo VI: Respuesta en Frecuencia ........................................................................................ 251
6.1 Introducción ....................................................................................................................... 251
6.2 Efecto de las Capacitancias Internas en la Respuesta en Frecuencia ................................ 254
6.2.1 Capacitancias Parásitas ............................................................................................... 254
6.2.2 Teorema de Miller ...................................................................................................... 259
6.2.3 Respuesta de frecuencia del amplificador con BJT .................................................... 261
6.2.3.4 Respuesta en baja frecuencia ........................................................................................... 261
6.2.3.4 Respuesta en alta frecuencia ........................................................................................... 264
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6.2.4 Respuesta de frecuencia del amplificador operacional ............................................... 266
6.2.5 Slew rate (tasa de barrido) .......................................................................................... 271
6.2.6 Ancho de banda de potencia máxima (Full Power Bandwidth) ................................. 272
6.3 Preguntas del capítulo ........................................................................................................ 274
Capítulo VII: Realimentación ...................................................................................................... 275
7.1 Realimentación negativa (Negative Feedback) ................................................................. 275
7.1.1 Estabilidad de Ganancia en Realimentación Negativa ............................................... 277
7.1.2 Análisis de ancho de banda ........................................................................................ 278
7.1.3 Análisis de Impedancia de Entrada ............................................................................ 279
7.1.4 Análisis de Impedancia de Salida ............................................................................... 281
7.2 Realimentación Positiva .................................................................................................... 281
7.2.1 Osciladores ................................................................................................................. 281
7.2.2 Osciladores LC ........................................................................................................... 283
7.2.3 Osciladores RC ........................................................................................................... 286
7.4 Preguntas del capítulo ........................................................................................................ 292
Capítulo VIII: Filtros ................................................................................................................... 293
8.1 Clasificación de filtros considerando la respuesta en frecuencia ...................................... 294
8.1.1 Filtros Pasa-bajos ........................................................................................................ 294
8.1.2 Filtro Pasa-altos .......................................................................................................... 294
8.1.3 Filtros Pasa-banda ...................................................................................................... 295
8.1.4 Filtros Rechaza-banda ................................................................................................ 296
8.2 Clasificación de filtros considerando la técnica de implementación ................................. 298
8.2.1 Filtros pasivos ............................................................................................................. 298
8.2.1.1 Filtros RL pasa-bajos (sin carga) ....................................................................................... 298
8.2.1.2 Filtro pasa-bajos RL (con carga) ........................................................................................ 301
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8.2.1.3 Decibeles y ploteo de Bode .............................................................................................. 301
8.2.1.4 Filtro pasa-bajos general de primer orden ....................................................................... 303
8.2.1.5 Filtro pasa-bajos RC (sin carga) ........................................................................................ 306
8.2.1.6 Filtros RC pasa-bajos (con carga) ...................................................................................... 306
8.2.1.7 Filtro pasa-altas de primer orden ..................................................................................... 308
8.2.1.8 Filtros pasa-altas RC ......................................................................................................... 311
8.2.1.9 Filtros pasa-altas RL .......................................................................................................... 312
8.2.1.10 Filtro pasa-banda de segundo orden .............................................................................. 312
8.2.1.11 Filtro Pasa-banda RLC serie ............................................................................................ 314
8.2.2 Filtros Activos ............................................................................................................ 316
8.2.2.1 Filtros pasa-bajo de Butterworth ..................................................................................... 318
8.2.2.2 Filtros Pasa-bajo de Tschebyscheff .................................................................................. 319
8.2.2.3 Filtros pasa-bajo de Bessel ............................................................................................... 320
8.2.2.4 Filtro pasa-bajo de primer orden ..................................................................................... 321
8.2.2.5 Filtros pasa-bajos de segundo orden ............................................................................... 323
8.2.2.5.1 Topología de Sallen-key ............................................................................................. 324
8.2.2.5.2 Topología de Multiple Feedback ............................................................................... 325
8.2.2.6 Filtro pasa-altos de primer orden ..................................................................................... 327
8.2.2.7 Filtros pasa-altas de segundo orden ................................................................................ 329
8.2.2.7.1 Topología Sallen-Key ................................................................................................. 329
8.2.2.7.2 Topología de múltiple feedback ................................................................................ 331
8.4 Preguntas del Capítulo ....................................................................................................... 332
Capítulo IX: Ejercicios de Diseño de Amplificadores con BJT sin Requerimiento de Impedancia de Entrada .................................................................................................................................... 333
9.1 Diseño de amplificadores en configuración de Emisor Común ........................................ 334
9.2 Diseño de amplificadores en configuración de Base Común ............................................ 353
9.3 Diseño de amplificadores en configuración de Colector Común ...................................... 373
Capítulo X: Ejercicios de Diseño de Amplificadores con BJT con Requerimiento de Impedancia de Entrada .................................................................................................................................... 391
10.1 Diseño de amplificadores en configuración de Emisor Común ...................................... 391
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10.2 Diseño de amplificadores en configuración de Base Común .......................................... 397
10.3 Diseño de amplificadores en configuración de Colector Común .................................... 403
Bibliografía de los capítulos ........................................................................................................ 409
Anexo A: Comportamiento de elementos en AC y DC .............................................................. 415
Anexo B: Uso de capacitores en alta frecuencia ......................................................................... 417
Anexo C: Resistencias y Capacitores Estándar ........................................................................... 419
Anexo D: Parametrización (R. Sloan, 2012). .............................................................................. 421
Anexo E: Tipos de encapsulados ................................................................................................. 433
Anexo F: Amplificador cascode .................................................................................................. 439
Anexo G: Tablas de coeficientes para filtros ............................................................................... 453
Anexo H: Máxima Transferencia de Potencia ............................................................................. 461
Bibliografía de los Anexos .......................................................................................................... 465
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Prólogo
Los estudiantes de carreras tales como la Ingeniería en Telecomunicaciones, la Automatización y control industrial, las Tecnologías de información y la propia Ingeniería Eléctrica, necesitan de un conocimiento profundo en el área de la electrónica, ya que todas las aplicaciones finales implementadas, tanto para la industria, así como para el beneficio de la colectividad, tienen como base operacional a los dispositivos y circuitos electrónicos. Desde hace varias décadas existen ya documentos especializados que enmarcan varios criterios y conceptos importantes sobre esta área, sin embargo, a saber, de los autores, no todos los libros y manuales existentes presentan, con un adecuado cuidado y de forma fluida, varios de los conceptos fundamentales requeridos para un exitoso entendimiento de la electrónica.
En este documento se pretende plasmar los contenidos más relevantes y útiles en el ámbito de la electrónica básica, teniendo como premisa la enseñanza progresiva de los diferentes conceptos relacionados, tanto a los dispositivos electrónicos, así como a los circuitos que pueden ser implementados con los mismos. El trabajo realizado busca generar en el lector un conocimiento básico, pero al mismo tiempo sólido en el ámbito matemático, que le permita entender adecuadamente los conceptos y, más aún, implementar la electrónica desde su forma más elemental.
Sin embargo y, a pesar de lo descrito anteriormente, es necesario considerar que este documento tiene un enfoque académico por lo que el lector debe comprender que solo encontrará los fundamentos de la electrónica y la presentación de ciertas soluciones acordé a lo abordado en el libro, y no hallará soluciones específicas a problemas que podrían generarse en el campo amplio de la aplicación de la electrónica.
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Introducción
El libro está dividido en 10 secciones que muestran al lector la evolución de la electrónica y sus aplicaciones. Se inicia el capítulo 1 con un análisis profundo de la temática de semiconductores, se revisan los conceptos de juntura PN, el uso de los diodos de propósito general y para aplicaciones especiales (zener, led, láser). En el capítulo 2 se explora el concepto del transistor, dividiendo su estudio en dos tipos de análisis: DC (polarización) y pequeña señal AC, lo anterior permite tener el conocimiento adecuado para analizar de forma efectiva la teoría de la amplificación con transistores de unión bipolar (BJT).
Posteriormente, en el capítulo 3 se hace el análisis del transistor de efecto de campo de unión de unión (FET), el mismo que se presenta como una evolución del BJT. Se examina su modo de operación y las configuraciones que permiten llevar a cabo el proceso de amplificación. El capítulo 4 hace una reseña sobre los tipos de acoplamiento en amplificadores multietapa, y se presenta la metodología general que se usa para llevar a cabo el diseño de los mismos.
El capítulo 5 analiza el amplificador operacional, indicando sus características generales, la matemática del dispositivo, las configuraciones más comunes de operación y algunos ejemplos de aplicación. Con el propósito de entender adecuadamente la operación de los elementos electrónicos mencionados a lo largo de este documento; se presenta también, el estudio de la respuesta en frecuencia de los mismos, ya que cada dispositivo electrónico se comporta de una forma totalmente diferente al trabajar en baja, media o alta frecuencia, este análisis es llevado a cabo en el capítulo 6.
En el capítulo 7 se revisa la temática de realimentación teniendo en cuenta las dos configuraciones que se pueden implementar: negativa y positiva. En el capítulo 8 se lleva a cabo un estudio de filtros, lo que permitirá posteriormente al lector entender de mejor manera la operación de los diferentes dispositivos electrónicos con el análisis en el dominio de la frecuencia. Para complementar el concepto de diseño con BJT se han incluido dos capítulos al final de este documento (capítulos 9 y 10) exclusivamente con ejercicios para que el lector pueda llevar a cabo un análisis metódico de este proceso. Finalmente, en la sección de anexos se encuentran los tópicos necesarios para que el lector complemente el estudio de la electrónica y entienda con facilidad las bases teóricas abordadas en este material.
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