practica #4 amplificadores fet

8/16/2019 Practica #4 Amplificadores Fet

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Practica # 4 Amplificador con Transistor FET

Gabriel Santiago Orellana Cabrera

[email protected]

Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca, Ecuador

Abstract — En esta práctica, se analizó en primer lugar el

diseño de los amplificadores con los transistores FET, y a su vez

después del diseño se analiza el funcionamiento de estos

amplificadores basándose en las condiciones del diseño de cada

uno de los circuitos de los amplificadores, que en este caso son tres,

source común, gate común, drain común.

Palabras clave— las palabras claves son las siguientes;

(Amplificador, JFet, Frecuencia de Corte, Transistor)

OBJETIVO GENERAL

Comprobar las configuraciones utilizando transistor FET

OBJETIVOS ESPECIFICOS1. Diseñar calcular y comprobar el funcionamiento de las

siguientes configuraciones utilizando el transistor fet parauna frecuencia de corte de 1Khz.

a. Amplificador en Source Común con y sin condensadorde Source y una ganancia de 6.

b. Amplificador en Drain Común con y sin condensadorde Drain y una ganancia de 1.

c. Amplificador en Gate Común con y sin condensador de

Gate y una ganancia de 3.

I. I NTRODUCCION

Trabajando con la implementación de los FET se pudo

diseñar amplificadores de pequeñas señales que oscilan entre los

mili voltios que se las origino gracias al generador de funciones,

la configuración que se utilizo para polarizar los transistores fue

por medio de divisor de voltaje ya que esta configuración

presenta mayor estabilidad lo que nos garantiza que lostransistores trabajen en la mitad de recta de carga. Una vez polarizado el transistor se realizo el calculo de impedancias decada circuito, con los valores de las impedancias se calculo se

obtuvo los los circuitos equivalentes en ca y los componentes

(capacitores) que sirven como acoplamientos en cada entrada y

salida de los circuitos. Para la configuración de Source Común

nos requirió tener una ganancia de 6, para lo cual voltaje que

ingresa a la salida debe ser 6 veces mayor. Para la configuraciónde Gate Común nos requirió tener una ganancia de 3 es decir que

el voltaje al medirlo en la salida debe ser igual a 3 veces el

voltaje de entrada. Para la configuración de Drain Común se nosrequirió tener una ganancia de 1 es decir que el voltaje de entrada

prácticamente es el mismo que el de salida. Se realizo todosestos cálculos para una frecuencia de corte de 1Khz en esta

frecuencia se tendrá un 77% de ganancia lo que quiere decir que

en 10 veces la frecuencia es decir 10Khz todas las

configuraciones nos debe dar el 100% de la ganancia, Tomando

en cuenta esto para la ganancia de 6 en la frecuencia de corte nos

dará un aproximado de 4.24 V y para 10 veces la frecuencia nos

dará los 6 V. Para la ganancia de 3 en la frecuencia de corte nos

dará un aproximado de 2.12 V y para 10 veces la frecuencia nos

dará los 3 V. Y para la ganancia de 1 en la frecuencia de corte

nos dará un aproximado de 0.707 V y para 10 veces la frecuencia

nos dará los 1 V.

II.

MARCO TEORICO

II-A. Amplificadores con FET.

El JFET (transistor de efecto de campo de unión) es un tipo de

FET que opera con una unión pn polarizada en inversa para

controlar corriente en un canal. Según su estructura, los JFET

caen dentro de cualquiera de dos categorías, de canal n o de

canal p.

La ecuación que rige a los FET en DCID mediante la ecuación

de Shockley:

!" # !$%% & '()*

(+

,

.&/

El factor de transconductancia gm, es la taza de cambio entra la

corriente de drenador y el voltaje gate-source

01 #2!"

2345 .6/

Procediendo a la derivación de la ecuación de Shockley

obtenemos la ganancia en función del voltaje gate-source

01 #6!$%%

78 & '

79%

78 .:/

El valor máximo de gm como podemos observar se lo conoce

como gmo y es cuando Vgs vale cero.

01; #6!$%%

78 .


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II-A.1 Análisis de un circuito amplificador con parámetros

híbridos.

Se tiene el circuito Equivalente del JFet visto como un

Cuadripolo y referenciados todos su paramentos internos, como

se había dicho en la práctica con BJT se usarán los parámetros

híbridos de estos transistores, en este caso será la

transconductancia.

Figura 1. Circuito equivalente de ca del JFET.

La impedancia de entrada se representa por el circuito abierto

en las terminales de entrada, entre el gate y el source, por lo que

se dice su impedancia es infinita.

La impedancia de salida se representa por el resistor rd, en

ocasiones se ignora la impedancia de salida por supuesta

suficientemente grande relación con otros elementos del

circuito por lo que puede ser representada como un circuito

abierto. En si el circuito equivalente es una fuente de corriente

cuya magnitud controla VGS y gm.

Tenemos entonces que sus impedancias son:

-Impedancia de entrada Zi’

En todos los JFET comerciales la impedancia de entrada es muy

grande debido a que en el gate no existe flujo de corriente por

lo que podemos aproximar a un circuito abierto.

-Impedancia de salida Zo’

Se define como la pendiente de la curva característica

horizontal en el punto de operación. [2] La impedancia de

salida en los JFET en hojas de especificaciones está dada como

yos en uS.

II-C.1. Configuración Source común.

Figura 2. Amplificador Source común

El amplificador en source común ofrece una importante ventaja

en comparación con otros amplificadores por su impedancia de

entra altísimo, que podemos considerar un circuito abierto. El

amplificador Source común es análogo al Emisor Común en

BJT.

Se aplica una señal de entrada al Gate y la señal de salida se

toma de Drain, la resistencia en el source la tenemos corto

circuitada por un capacitor de desacoplo por lo que la quesource pasa directamente a tierra y funciona como común entre

gate y drain. La polarización utilizada como se dijo

anteriormente es auto polarización. El ingreso esta acoplado

capacitivamente al Gate. El resistor RG sirve para asegurarnos

de que la compuerta no tenga ninguna corriente, por lo tanto

podemos imponernos una resistencia muy elevada. [3]

El condensador Ce es un condensador de desacoplo, su misión

es la de proporcionar un camino a tierra a la componente

alterna. En el capítulo anterior se analizó el efecto de la

resistencia RE desde el punto de vista de su efecto en la

estabilización del punto de polarización. Sin embargo, en este

capítulo veremos cómo desde el punto de vista de la

amplificación, esta resistencia hace disminuir la ganancia del

amplificador. Al añadir el condensador de desacoplo

conseguimos que la continua pase por RE mientras que la

alterna pasaría por el condensador Ce consiguiendo que no

afecte a la amplificación. [2]

II-B.2. Configuración Drain común.

Figura 3. Configuración en Drain común del JFET.

El amplificador en drenaje común es similar al amplificador

con BJT colector común. Al amplificador en Drain Común se

lo llama también seguidor de fuente, debido a que la señaltiende a la salida que se encuentra en dicha resistencia [3].

La configuración de drain común tiene la misma ganancia de

voltaje que colector común por lo que su funcionamiento

normalmente es para acoplador de impedancias. [3]


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Figura 4. Sustitución del modelo equivalente de ca del JFET.

II-B.3. Configuración Gate común.

Figura 4. Configuración en compuerta común del JFET.

La configuración de gate común presenta una impedancia de

entrada alta, pero no comparada con las anteriores que se pudo

suponer era infinita, esta configuración es similar a base común

en BJT. [3]

Figura 5. Sustitución del modelo equivalente de ca del JFET.

Materiales:

TABLA I. MATERIALES

Cantidad Elemento Precio c/u

3 Transistor FET (mpf 102) $ 0.60

20 Resistencias $ 0.06

0.5 metros Cable Multipar $ 1.00

Total $ 4.60

Equipos:

• Pinzas

• Pela Cable

• Protoboard

•

Multímetro

•

Osciloscopio

• Software de simulación (Multisim)

•

Fuente tensión continua•

Generador de funciones

III. DESARROLLO

III-A. Configuración de Source Común con condensador al

emisor.

Datos proporcionados o datos impuestos para comenzar los

cálculos de la primera configuración.

TABLA I I. DATOS PROPORCIONADOS

DATOS

PARAMETROS VALORES

>? 6

@ABB 12,3 mA

?C -4,95

DE 1KHz

?EE 15

@A 6 mA

Figura 6. Configuración Source común


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III-A.1. Calculo de las resistencias.

7FG # '7H & '!"

!"GG .&/

7FG # '


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III-A.4. Calculo de la polarización.

III-A.4.1. Recta de Carga de Salida.

yzoz !$ # M

?AB # ?{{ # `_? .&L/

yzoz 7$% # M

!$stu #7]]

T$ S TP .&O/

!$stu #&=

6I6UU\ S O=: \

@A|}~ # _I •^ |>

Figura 8. Recta de carga

III-A.4.2. Curva de Shockley .

yzoz !$ # M

?€B # ?C # 'ZN `? .&g/

yzoz 7$% # M

@A|}~ # @ABB # ^N[|> .&J/

Figura 9. Curva Shoctkley

III-A.5. Calculo de capacitores.

III-A.5.1 Capacitor de salida

; #&

6‚ V ƒ].T" S T„/ .&J/

; #&

6‚ V .&MMM/.6I6p\ S 6MU/

; # &gM …†

III-A.5.2 Capacitor de ingreso

‡ #&

6‚ V ƒ].oP S T/ .6M/

‡ #&

6‚ V .&MMM/.&p\ S 6p\/

‡ # 6& …†

III-A.5.3 Capacitor del source

P # &6‚ V ƒ].TG/

.6&/

P #&

6‚ V .&MMM/.&O=O/

P # &I&6 ˆ†

III-A.6. Tablas de datos medidos y calculados.

TABLA III. DATOS OBTENIDOS

DATOS OBTENIDOS

f

(Hz) Vi Vo ‰ #?Š

?‹

‰ Œ tdeface

Ž

100 1120 320 0,286 -10,88 0,25 m -27,36

200 1100 520 0,473 -6,51 0,27 m -46,8

300 1120 920 0,821 -1,71 0,21 m -48,6

400 1100 1270 1,155 1,25 2,2m -66,24

500 1100 1670 1,518 3,63 670u -73,8

600 1120 2160 1,929 5,70 720u -79,92

700 1110 2550 2,297 7,22 189u -88,2

800 1100 2960 2,691 8,60 180u -95,04

900 1080 3240 3,000 9,54 100u -103,6

1000 1080 3590 3,324 10,43 88u -111,6

2000 1100 5320 4,836 13,69 78u -136,8

3000 1080 5920 5,481 14,78 72u -151,2

4000 1080 6110 5,657 15,05 68u -158,4

5000 1080 6280 5,815 15,29 67u -162


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DATOS OBTENIDOS

f

(Hz) Vi Vo ‰ #?Š

?‹

‰ Œ tdeface

Ž

6000 1050 6320 6,019 15,59 57u -164,1

7000 1050 6400 6,095 15,70 53u -168,8

8000 1080 6400 5,926 15,46 8u -169,9

9000 1080 6400 5,926 15,46 6u -171,7

10000 1050 6440 6,133 15,75 2u -183,6

100 1120 320 0,286 -10,88 0,25 m -27,36

III-A.7. Graficas de Datos Obtenidos.

Figura 10. Grafica de la frecuencia frente a la ganancia en dB

Figura 11. Grafica de la frecuencia frente a la fase

III-A.7.1 Comparación entre los datos.

Figura 12. Grafica de la frecuencia frente a la ganancia en dB encomparación medido-simulado

Figura 13. Grafica de la frecuencia frente al ángulo de fase en

comparación calculado-simulado

III-A.8. Simulaciones.

Figura 14. Ganancia máxima del transistor

Figura 15. Diagramas de Bode

Figura 16. Simulación para 1 KHz


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III-B. Configuración de Source común sin condensador al

emisor.

Figura 18. Configuración de source común sin condensador

Simulaciones

Figura 19. Ganancia máxima


TABLA VI. DATOS OBTENIDOS

DATOS OBTENIDOS

F (Hz) Vi Vo ‰ #?Š

?‹ ‰ Œ

t

defaceŽ

100 1120 320 0,286 -10,88 2,5 -27,36

200 1100 520 0,473 -6,508 750 -46,8

300 1120 920 0,821 -1,709 375 -48,6

400 1100 1270 1,155 1,248 250 -66,24

500 1100 1670 1,518 3,626 140 -73,8

600 1120 2160 1,929 5,705 100 -79,92

700 1110 2550 2,297 7,224 80 -88,2

800 1100 2960 2,691 8,598 60 -95,04

900 1080 3240 3,000 9,542 50 -103,6

1000 1080 3590 3,324 10,433 30 -111,6

2000 1100 5320 4,836 13,690 10 -136,8

3000 1080 5920 5,481 14,778 9 -151,2

4000 1080 6110 5,657 15,052 9 -158,4

5000 1080 6280 5,815 15,291 8 -162

6000 1050 6320 6,019 15,591 6 -164,1

7000 1050 6400 6,095 15,700 6 -168,8

8000 1080 6400 5,926 15,455 5 -169,9

9000 1080 6400 5,926 15,455 4 -171,7

10000 1050 6440 6,133 15,754 3 -183,6

100 1120 320 0,286 -10,88 2,5 -27,36

Figura 21. Grafica de la frecuencia frente a la ganancia en dB


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III-C. Configuración de Drain común con condensador al

emisor.

TABLA V. DATOS PROPORCIONADOS

DATOS

PARAMETROS VALORES

> 1

@A 12,3

@A 2mA

DE 1KHz

?EE 15

Figura 22. Configuración en Drain común

III-C.1 Calculo de la Polarización.

7FG # '7H & '!"

!"GG .66/

7FG # '


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III-C.2.3 Cálculo de ganancias.

En esta sección del cálculo como ya tenemos como dato cual va

a ser la ganancia del amplificador procederemos a realizar el

cálculo de la resistencia de carga.

KW #01.Tw˜Tf/

& S 01.Tw˜Tf/ .::/

Tw˜Tf #Tw V Tf

Tw S Tf .:


10/19

III-C.6. Máxima Dinamica

7$%sœ # &Mž 7 .


11/19

DATOS OBTENIDOS

F

(Hz) Vi Vo ‰ #

?Š

?‹ ‰ Œ t

deface

Ž

7000 624 560 0,897 -0,940 6 7,56

8000 624 560 0,897 -0,940 5 5,76

9000 624 576 0,923 -0,695 4 3,888

10000 640 560 0,875 -0,590 3 3,6

Figura 30. Grafica de la frecuencia con la ganancia de voltaje

Figura 31. Grafica de la frecuencia con la ganancia en Db

III-C.9. Graficas de comparación.

Figura 32. Grafica comparativa de la frecuencia con la ganancia endB

Figura 33. Grafica comparativa de la frecuencia con la fase

III-D. Configuración de Drain común sin condensador al

emisor.

Figura 34. Configuración de colector común sin condensador de

emisor

Figura 35. Ganancia máxima



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TABLA VI I. DATOS OBTENIDOS

DATOS OBTENIDOS

f

(Hz) Vi Vo

‰

#?Š

?‹

‰ Œ t

defac

e

Ž

100 648 80 0,123 -18,170 2,5 90

200 632 128 0,203 -13,870 750 79,2

300 624 200 0,321 -9,883 375 70,2

400 632 240 0,380 -8,410 250 64,8

500 624 280 0,449 -6,961 140 57,6

600 632 320 0,506 -5,911 100 51,84

700 624 352 0,564 -4,973 80 47,88

800 632 384 0,608 -4,328 60 46,08

900 632 408 0,646 -3,801 50 42,12

1000 632 424 0,671 -3,467 30 39,6

2000 632 520 0,823 -1,694 10 21,6

3000 632 552 0,873 -1,176 9 14,04

4000 632 568 0,899 -0,927 9 11,52

5000 624 560 0,897 -0,940 8 9

6000 624 560 0,897 -0,940 6 8,64

7000 624 560 0,897 -0,940 6 7,56

8000 624 560 0,897 -0,940 5 5,76

9000 624 576 0,923 -0,695 4 3,888

10000 640 560 0,875 -0,590 3 3,6

100 648 80 0,123 -18,170 2,5 90

Figura 37. Grafica de la frecuencia con la ganancia de voltaje

Figura 38. Grafica de la frecuencia con la ganancia en Db

III-E. Configuración de Gate común con condensador al

emisor.

Datos proporcionados o datos impuestos para comenzar los

cálculos de la primera configuración.

TABLA V I I I. DATOS PROPORCIONADOS

DATOS PARAMETROS VALORES

>? 3

@A 6mA

@ABB 12,5 mA

DE 1KHz

?EE 15

Figura 39. Configuración gate común.

III-E.1 Calculo de la Polarización.

7FG # '7H & '!"

!"GG .


13/19

7FG # 6IM= 7

01 #6 !"GG

7H & '

7FG

7H .


14/19

III-E.3. Calculo de la polarización.

III-E.3.1. Recta de Carga de Salida.

yzoz !$ # M

?AB # ?{{ # `_? .L

Figura 41. Recta de carga

III-E.3.2. Curva de Shockley .

yzoz !$ # M

?€B # ?C # 'ZN `? .LL/

yzoz 7$% # M

@A|}~ # @ABB # ^N[|> .LO/

Figura 42. Curva Shoctkley

III-E.4. Calculo de capacitores.

III-E.4.1 Capacitor de salida

; #&

6‚ V ƒ].oj n oP/ .Lg/

; #&

6‚ V .&MMM/.=M \ n


15/19

III-E.6. Simulaciones.

Figura 43. Simulación de la ganancia completa máxima

Figura 44. Simulación de los diagramas de Bode



TABLA IX. DATOS OBTENIDOS

DATOS OBTENIDOS

f

(Hz) Vi Vo

‰

#?Š

?‹

‰ Œ t

defac

e

Ž

100 720 184 0,26 -11,85 2,5 m 133,2

200 688 376 0,55 -5,25 2,7 m 108

300 672 560 0,83 -1,58 2,1 m 96,12

400 656 704 1,07 0,61 2,2m 90,72

500 645 834 1,29 2,23 670u 82,8

600 632 936 1,48 3,41 720u 73,44

700 626 1200 1,92 5,65 189u 70,56

800 608 1100 1,81 5,15 180u 63,36

900 600 1150 1,92 5,65 100u 58,32

1000 592 1210 2,04 6,21 88u 57,6

2000 536 1450 2,71 8,64 78u 30,96

3000 540 1550 2,87 9,16 72u 25,92

4000 540 1600 2,96 9,43 68u 21,6

5000 540 1600 2,96 9,43 67u 16,2

6000 540 1618 3,00 9,53 57u 12,96

7000 540 1630 3,02 9,60 53u 11,34

8000 540 1630 3,02 9,60 8u 9,216

9000 540 1630 3,02 9,60 6u 8,424

10000 540 1630 3,02 9,60 2u 8,28

Figura 47. Grafica de la frecuencia con la ganancia de voltaje en

dB


16/19

Figura 48. Grafica de la frecuencia frente a la fase

Figura 49. Comparación entre lo simulado y medido

Figura 50. Grafica de la Comparación de frecuencia frente a la

fase

III-F. Configuración de base común sin condensador .

Figura 51. Configuración de base común sin condensador al emisor

III-F.1. Simulaciones

Figura 52. Grafica de la ganancia máxima

Figura 53. Grafica de los Bodes

TABLA X. DATOS OBTENIDOS

DATOS OBTENIDOS

f

(Hz)Vi Vo ‰ #

?Š

?‹

‰ Œ t deface Ž

100 680 220 0,32 -9,80 2,5 m 133,2

200 660 380 0,58 -4,80 2,7 m 108

300 660 560 0,85 -1,43 2,1 m 96,12

400 640 660 1,03 0,27 2,2m 90,72

500 620 780 1,26 1,99 670u 82,8

600 600 880 1,47 3,33 720u 73,44

700 580 980 1,69 4,56 189u 70,56

800 580 1010 1,74 4,82 180u 63,36

900 600 1150 1,92 5,65 100u 58,32

1000 560 1130 2,02 6,10 88u 57,6

2000 500 1360 2,72 8,69 78u 30,96

3000 500 1410 2,82 9,00 72u 25,92

4000 490 1440 2,94 9,36 68u 21,6


17/19

DATOS OBTENIDOS

f

(Hz)Vi Vo ‰ #

?Š

?‹

‰ Œ t deface Ž

5000 540 1600 2,96 9,43 67u 16,2

6000 500 1480 2,96 9,43 57u 12,96

7000 500 1480 2,96 9,43 53u 11,34

8000 480 1480 3,08 9,78 8u 9,216

9000 460 1456 3,17 10,01 6u 8,424

10000 480 1480 3,08 9,78 2u 8,28

Figura 54. Grafica de la frecuencia con la ganancia en dB

Figura 55. Grafica de la frecuencia con la ganancia en dB

IV.

A NALISIS

Source Común

Como podemos ver el objetivo se ha cumplido con un poco de

margen de error pero dentro de los rangos de tolerancia

normales, y pues nuestro circuito está amplificando lo que nos

planteamos, y podemos decir que la mayoría de parámetros para

que funcione de mejor manera se debe al cálculo de las

resistencia y capacitores quienes influyen mucho en las

ganancias.

Gate Común

Como podemos ver nuestro amplificador está funcionando y es

de mucha importancia los valores calculados de las resistencias

y capacitores los cuales influyen mucho en el valor de la

ganancia.

Drain Común

Como podemos visualizar en el amplificador configuración

Drain común tenemos una ganancia de 1, y un ángulo de

desfase de cero grados ósea no tenemos desfases para lograr

aquello depende mucho del diseño por lo que se requiere tener

un cálculo bueno de resistencias y capacitores en especial.

V. CONCLUSIONES

Para los diseños de cada uno de los amplificadores, se debe

tomar decisiones muy importantes al momento de imponerse

datos, especialmente con mucho criterio en el funcionamiento

de cada uno de los amplificadores, ya que si tomamos una maladecisión, el funcionamiento de nuestro amplificador no será el

correcto.

Debemos tomar muy en cuenta que los valores que nosotros

calculamos en el proceso de diseño de cada amplificador, no

son comerciales en nuestro medio, por lo que se debe comprara

elementos muy parecidos a los calculados, especialmente de los

condensadores ya que estos influyen mucho al ver la ganancia

de cada amplificador.

En el caso de los transistores JFET que nosotros usamos, no van

a tener las mismas características de los catálogos, por lo que esmejor sacar nuestros propios parámetros de funcionamiento del

transistor a usar, esto se lo puede hacer de manera muy fácil en

el laboratorio, polarizando al transistor y analizando su curva

de Shockley la cual nos da valores reales de 7H y de !$%%, los

cuales son valores fundamentales para nuestros diseños y por

ende para el funcionamiento.

VI. CONCLUSIONS

For the designs of each of the amplifiers, take very important

decisions when imposed data, especially with much discretion

in the operation of each of the amplifiers, because if we make a bad decision, the functioning of our amplifier will not will be

correct.

We must take note that the values that we calculated in the

design process of each amplifier, are not commercial in our

area, so you should buy very similar elements to those

calculated, especially capacitors as these strongly influence the

see the gain of each amplifier.


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In the case of the JFET transistors that we use, they will not

have the same characteristics of the catalogs, so you better

make our own operating parameters of the transistor to be used,

this can do it very easily in the laboratory , polarizing the

transistor and analyzing their Shockley curve which gives us

real values and which are fundamental values for our designs

and thus for operation.

VII.

BIBLIOGRAFIAS

[1] Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos ElectrónicosDécima Edición. Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky. PearsonEducation.

[2] IRWIN, Análisis de Circuitos en Ingeniería. Editorial CEAC.Barcelona-España 1984

[3] Principios de Electrónica. Sexta Edición. Albert Paul Malvino.West Balley College.

[4] http://www.elo.jmc.utfsm.cl/sriquelme/apuntes/fuentes%20de%20corriente/fuentes%20de%20corriente.pdf

VIII. A NEXOS


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practica #4 amplificadores fet

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