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ELECTRÓNICA BÁSICA

Circuitos integrados elementales

I.0

CIRCUITOS INTEGRADOS ELEMENTALESTecnologías de integración monolítica

Amplificadores multietapa

Amplificadores diferenciales

El amplificador operacionalAO's ideales y reales. C. de transferencia

Amplificador inversor y no inversorAnálisis de circuitos con AO's

El par acoplado por emisor. Análisis DCCaracterísticas de transferencia. Análisis AC

Esbozo de análisis del acoplo RC

Fabricación de un transistor npn

Etapas acopladas en alterna y en continua

Pares integrados. Darlington. Cascodo

Fases de realización de un N-MOSOtros dispositivos y componentes integrados

Modos común y diferencial. CMRR

Diferenciales con FET's

Introducción. Procesos planares

Fuente de corriente de emisores

Aplicaciones elementalesCálculo analógico con AO's

Circuitos Integrados Elementales

IntroducciónCircuito integrado: Conjunto de elementos activos y pasivos interconectados y contenidos en un único cristal de semiconductor

n+n+n+ n+ n+

substrato p

n n np p p

AluminioS C2 E2 B2 B1 E1 C1

Aislante p+

SiO2

Dimensiones del orden de mm2

Integran miles de componentesBajo costeFiabilidadRepetitividadMisma variación con la temperatura

VCC

RC1

C2

Q1 Q2

E1 E2

ELECTRÓNICA BÁSICA I.1


Procesos planares (I)

Crecimiento y corte del cristal de Si en obleas.

Fotolitografía

10 cm

200-300 mic

5-25 µm

Silano

máscara fotoresina

Crecimiento epitaxial de una capa de Si con diferente nivel de impurezas a partir de la reducción de ciertos gases

Oxidación: Crecimiento de una capa superficial de SiO2 0.02-2 µm


24

24

242

HSiSiHHClSiHSiCl

+⇒+⇒+

222 22 HSiOOHSi +⇒+


Procesos planares (II)Difusión.

Implantación iónica

Metalización

30-200 KeV

Fósforo: para tipo nBoro: para tipo p

x ( m)

log N (cm-3)

1016

1021

1018

0,7

Aluminio+ fotolitografía+ ataque químico ⇒

Mayor capacidad de integración



Fabricación de transistores npn

Crecimientoepitaxial y oxidación

Capa n epitaxial

substrato pCapas n+

enterradas

SiO2

Apertura de ventanas para difusión de aislamiento

aislamiento p+

p p

p p

Difusión de la base

MetalizaciónAluminio

E1B1B2 C1C2 E2

Difusión del emisor

n+ n+

B2

C2C1

B1 E2E1



Otros transistores bipolares

pn

n+n+n+ n+

p

C BE1 E2 E3

pn

n+n+n+ n+

p

C BE1 E2 E3

substrato p substrato p

Transistor lateral Transistor vertical

Transistor con multiples emisores

Transistor Schottky

Contacto del colector

Contactos de los emisores

Contacto de la base

aislamiento

E EB C

p

nnp p+n+

B C E

n+ p p

CB

E1E2E3

BC

E3

E2

E1

C

B

E1E2 E3

C

B

E1E2 E3



Fabricación de transistores N-MOS

Implantación de capa p+

y crecimiento de capa de óxido grueso.

Si3N4

p+

SiO2

p

Ataque selectivo del Si3N4y crecimiento de una capa delgada de óxido.

Oxido de puertaÓxido de campo

Deposición de la puerta de polisilicio

Poly

Aislante

n+ n+

G DB S

Implantación fuente ydrenador + Metalización

Vista superior

W

L("self-alignment")



Otros dispositivos integradosDiodos

1

2 1

21

2

Diodo Schottky (metal-semiconductor)

n+

substrato n

substrato p

Al

SiO2

1 2

Resitencias

p

p

n

p

pn

p

p

n

n+ n+ n+ n+ n+

p+ p+ p+ p+

1 1 12 2 2

1 2

substrato p

p+ p+región de aislamiento n

resistencia p

substrato p

p+ p+p

n

región de aislamiento n

Resistencia variable por tensión (diodo de efecto de campo)



Otros dispositvos (II)

substrato p

metalizaciónSiO2

B

J2

J1

pn+

n

AJ2

J1

C2 ≈ 0.2 pF/mil2

C1

(parásita)

AB

substrato

R=10-50Ohm

n+

nsubstrato p

metalizaciónA

B

J1

SiO2

C1

AB

J1

C≈4 10-4 pF/mic2

R=5-10Ohm

BaratosTamaño reducidoFiables10 Ohm≤R≤50kOhm; C≤200pFNo incluyen inductanciasRespuesta en frecuencia limitada

Capacidad de unión

Capacidad MOS

Circuitos integrados



Amplificadores multietapa (I)

VCC

Acoplo RC

Acoplo continua

Más complejos de analizarAmplifican a baja frecuenciaIntegrablesBien diseñados son más

estables con la temperatura

Permiten aumentar las prestaciones con respecto a la utilización de una sola etapa



Amplificadores multietapa (II)

vs

RSEt

apa

1RL

Etap

a 2

Etap

a n

vO,1=vi,2 vO,N-1=vi,N vO,Nvi,1

iNiO,2iO,1i2i1

iL

Etap

a k

R i,k

+1

vs

Ro,k-1

Equivalente Thèvenin etapa k

AV,m:Ganancia de tensión de la etapa m cuando se carga con impedancia infinita.

Ri,k+1: Impedancia de entrada a la etapa k+1.Ro,k-1: Impedancia a la salida de la etapa k-1.

generadores independientes = 0


( )

+ −

−=

=∏

1,,

,1

1 momi

mikm

mVm RR

RA

( )So RR =0,

iiiV v

ivoA,

,,=

1, −kTHA

∞=kiR ,

01 =+ii

1

11

+

++ =

ki

kiki i

vR

,

,,

1

11

−

−− =

ko

koko i

vR

,

,,

noL

LNTH

S

noV RR

RAvv

A,

,,

+==

I.11


Etapas compuestas

Q1

Q2

B

C

E

IC

IB

RCRS

VS

Q1

Q2

B

C

E

VCC

IC ≈ β 2IBICO,T ≈ β ICOrO(CC-CE) > rO(CC-CC)CC-CE mejor respuesta en frecuencia que CC-CC

Configuración CC-CC (Darlington)

Configuración cascodo (CE-CB)

Configuración CC-CE

Igual ganancia en tensión que la configuración en emisor comúnRespuesta en alta frecuencia mejorada


EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

-VEE

RC

vI1

vO1

IEE

+VCC

RC

vO2

vI2

T1 T2

Req

circuito simétrico

T1, T2 iguales (CI's)

T1,T2 en activa

Análisis(transistores idénticos, fuente de corriente ideal)

sólo dependen de la DIFERENCIA vD = vI1 - vI2

iC1 , iC2 , vO1 , vO2 y vOD = v O1 - vO2

Amplificador de contínua2 entradas y 2 salidasCondiciones:

I.12



≈

T

BEESFC V

vIi 11 expα

021 =++ EEEE Iii

−−+≈

T

II

EEFC

Vvv

Ii21

1

1 exp

α

−−+≈

T

II

EEFC

Vvv

Ii21

2

1 exp

α

21211 BEBEI vvii −=−

≈

T

BEESFC V

vIi 22 expα

iC2 iC1FIEE

FIEE2

0

vD=vI1-vI2

v01

v02

VCC

-VCC

0v0=

v01-v02

VCC- FIEERC

04kT/e

ZONA LINEAL

Característica de transferencia

INTERRUPTOR (circuitos digitales)

AMPLIFICADOR (circuitos analógicos)

Aplicaciones

Circuitos ECL: muy rápidos

Zona lineal extensa Buen comportamiento en alta frecuenciaEtapa entrada OPAMPS

Pendiente en la zona lineal:

ganancia controlable con IEE

I.13



ekTIg

vi EEF

mD

C

/4α==

ekTRIRg

vv CEEF

cmD /401 α

==

CAMBIO DE VARIABLEVi1= Vc+Vd/2

Vd= Vi1-Vi2

parte común

parte diferencial

Vc=Vi1+Vi2

2

Vi2= Vc-Vd/2

Análisis en pequeña señalEn la región lineal, TRT's en activa

RC RC

hfeIb1 hfeIb2

Vo1 Vo2

Req

hie hie

Ib1 Ib2

Vi1 Vi2

Vod

= f (Vc+Vd / 2,Vc-Vd/2) = =

Vox= f (Vi1,Vi2 ) = =

Ad>>AcAMPLIFICADOR DIFERENCIAL SI

Cifra de mérito: FACTOR DE RECHAZO AL MODO COMÚN

CMRR(dB) = 20 logAd

Ac

f(Vd/2,-Vd/2)f(Vc ,Vc)= + = =CIRCUITO LINEAL

régimen senoidal permanente

modocomún

mododiferencial

AdVdAcVc= +

I.14



CIRCUITO LINEALsuperposición

Respuesta al modo común

RC RC

hfeIb1 hfeIb2

Vo1Vo2

2Req

hie hie

Ib1 Ib2

Vc Vc

Vod

2Req

por simetría, no puede circular corriente por esa rama (teorema de BARTLETT)

el circuito queda dividido en dos partes IDÉNTICAS

Respuesta al modo diferencial

Req

RC RC

hfeIb1 hfeIb2

Vo1Vo2

hie hie

Ib1 Ib2

Vd/2 -Vd/2

Vod

por simetría, el potencial en este punto es cero (teorema de BARTLETT)

el circuito queda dividido en dos partes IDÉNTICAS

I.15



-hfeRC

hie+(1+hfe)2ReqVcVo1

-hfeRC

2hieVd= +

hie+(1+hfe)2Req

VcIb1 2hie

Vd= +

Vo2-hfeRC

hie+(1+hfe)2ReqVc

hfeRC

2hieVd= +

Vod 0 Vc-hfeRC

hieVd= +

Ib2 hie+(1+hfe)2Req

Vc

2hie

-Vd= +

diferencialcomún

Respuesta total

SALIDA: ASIMÉTRICA DIFERENCIAL

SE REQUIEREN FUENTES DE CORRIENTE DE ALTA IMPEDANCIA

I.16



( )∞→≅

++= eqm

ie

eqfeie Rgh

RhhCMRR

212

Fuente de corriente en emisor

-VEE

R3 R2

R1T3

Continua (T3 en activa):β»1; R3(1+β )»RB

Alterna

-VEE

RE

Resistencia

Continua:

Alterna:

IEE=VEE-VBE

RE

Req=RE

acoplados

Fuente con transistor

Para un mismo valor de IEEel transistor proporciona

mejor CMRR

Diferencial con FET 's

Para alta impedancia de entrada

+

- I.17



( )

21

21

21

2

33 1

RRRRR

RRRVV

RVV

RRVVI

BEE

B

BEB

B

BEBEE

+=

+=

−≈++

−=

ββ

( )

+

+++= −fe

ieBoeBieeq h

hRRhRhRR 31

3 1//

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

-+

v-

v+

vD vO

+VCC

-VCC

Amplificador operacional idealAmplificador diferencial de

continua, con:

• Ganancia diferencial infinita• Rechazo al modo común infinito• Impedancia de entrada infinita

(corrientes de entrada nulas)• Impedancia de salida nula

Amplificador operacional realcaracterísticas tipo LF411

Ad (dB)>88CMRR(dB)>70

Ii < 0.2 nARo< 40 ohm

Rin >1012 ohm

v-

v+Ri

Ro

AdvD+AcvC

vO

+VCC

-VCC

vO

vD

+VCC

-VCC

ZONA LINEAL

PENDIENTE=

OFFSET

-Ad

ideal

real

Característica de transferencia

LF411CN

NSC ≈8926

I.18



Análisis de circuitos con AO's

La ganancia del operacional es tan grande que una fracción de mV entre las entradas produce la saturación de la salidaLA TENSIÓN DIFERENCIAL A LA ENTRADA

ES NULA (CORTOCIRCUITO VIRTUAL)v+=v-

Regla 1

Las corrientes de entrada al operacional son muy pequeñasPOR LAS ENTRADAS NO HAY CORRIENTE

(CIRCUITOS ABIERTOS)i+=i-=0

Regla 2

-+

v-v+i+

i-

¿CÓMO FUNCIONA? La salida actúa sobre la red externa (de REALIMENTACIÓN) para conseguir tensión nula a la entrada, pero sólo dispone del margen entre las tensiones de alimentación

I.19



Amplificador inversor

-+

v-

v+

vIvO

R1R2

(no hay corriente por las entradas)

(cortocircuito o tierra virtual)

Amplificador no inversor

-+

v-

v+vIvO

R1

R2

Ganancia determinada por elementos de la red de realimentación

I.20



( ) dOddO

O

AvvvAvvAvR

vvR

vv

/−=⇒−=−=

−=−

−−−+

−−

21

1 I

d

O v

ARRR

Rv21

1

2+

+

−=

01

2 →=⇒∞→ −vvRRvA IOd y si

IO vRRv

+=

1

21

Aplicaciones elementales (1)

-+v2

R2

v1R1

vNRN

vO

R

-+vI

vO=vI

Zi oo Zo=0

Sumador

SeguidorAdaptador ideal en tensión

Conversor V-I

-+vI

R

ZL

iL=vI/R

Amplificador detransadmitancia

-+

iIR

vO=-RiI

Conversor I-V

Amplificador detransimpedancia

I.21



NN

O vRRv

RRv

RRv

+++−= ⋅⋅⋅2

21

1


-+

vI

R

vO

C

Diferenciador

-+

R+ -vC

vIvO

C

Integrador

Función de transferencia en alterna

20log VoVi

logf

20 logf-20 logf

INTEGRADOR

DIFERENCIADOR

Aplicación a la resolución de ecs. diferenciales

Aplicación al filtrado de señales analógicas (filtros activos)

I.22



dtdvRCv I

O −=

( )∫ ∫−−= =t

ItCO dtvRC

vv 001

( Si vI » kT/e )


-+

vIR

vO

i

( Si vI » RI0 )

Amplificador logarítmico

Inconveniente: muy sensible a T a través de I0.MEJOR:

-+

vI

R

vO

Amplificador exponencial

-+

vIR

IR

vO= - kTe ln

vI

RIR

I.23



−≈

+−=

0

01

RIvIn

ekT

RIv

ekTv

I

Io In

−≈

−

−=

kTevRI

kTev

eRIv

Io

Ioo

exp

exp 1

Cálculo analógico

x-

+

y

log

log

exp

sumador

logx

logy

log(xy)

vO=Cte xy

Multiplicador

(Hay otras versiones más prácticas)

Elevador al cuadrado

z

x

y

multiplicadorx×y

z2

Extractor de raíz cuadrada

xmultiplicador

yx×y

-+

R2R1

x×y

vI

I.24



IO vRRv1

2−=−

ENTRADA NIVELCONTINUA

ETAPASGANANCIA SALIDA

Amplif.diferencial

CMRRDetermina:

OffsetZ entrada(Darlington,

FET)

Etapas en emisorcomún

Determina:Gananciade tensión

Seguidorde emisor

Determina:Tensión dereposo nulaa la salida

Determina:Z salida

Margen dinámico

Gananciade corriente

Variasconfigu-aciones

Estructura de los operacionales

I.25



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