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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
Circuitos Integrados Elementales
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
ELECTRÓNICA BÁSICA I.2
24
24
242
HSiSiHHClSiHSiCl
+⇒+⇒+
222 22 HSiOOHSi +⇒+
Circuitos Integrados Elementales
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
ELECTRÓNICA BÁSICA I.3
Circuitos Integrados Elementales
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
ELECTRÓNICA BÁSICA I.4
Circuitos Integrados Elementales
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
ELECTRÓNICA BÁSICA I.5
Circuitos Integrados Elementales
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")
ELECTRÓNICA BÁSICA I.6
Circuitos Integrados Elementales
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)
ELECTRÓNICA BÁSICA I.7
Circuitos Integrados Elementales
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
ELECTRÓNICA BÁSICA I.8
Circuitos Integrados Elementales
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
ELECTRÓNICA BÁSICA I.9
Circuitos Integrados Elementales
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
ELECTRÓNICA BÁSICA I.10
( )
+ −
−=
=∏
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
Circuitos Integrados Elementales
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
ELECTRÓNICA BÁSICA
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
≈
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
-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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
( )∞→≅
++= 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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
( )
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
( ) 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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
NN
O vRRv
RRv
RRv
+++−= ⋅⋅⋅2
21
1
Aplicaciones elementales (2)
-+
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
dtdvRCv I
O −=
( )∫ ∫−−= =t
ItCO dtvRC
vv 001
( Si vI » kT/e )
Aplicaciones elementales (3)
-+
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
−≈
+−=
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA
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
Circuitos Integrados Elementales
ELECTRÓNICA BÁSICA