Circuitos y dispositivos microelectrónicos /
Mark N. Horenstein
- 2a ed.
- Naucalpan de Juárez : Prentice-Hall Hispanoamericana, 1997
- xxvi, 1126 p. : fig., tablas ; 27 cm
Incluye índice alfabético
CAPÍTULO 1 REPASO DE LA TEORÍA DE LOS CIRCUITOS LINEALES 1.1 Leyes de corriente y de voltaje de Kirchhoff 1.2 Notación de canal (bus) de voltaje 1.3 Definición de la característica voltaje-corriente 1.4 Superposición en circuitos lineales 1.5 Circuitos resistivos 1.6 Circuitos equivalentes Thévenin 1.7 Circuitos equivalentes Norton 1.8 Divisores de voltaje y de corriente 1.9 Circuitos resistor-capacitor de una sola constante de tiempo 1.9.1 Respuesta transitoria del circuito RC 1.9.2 Respuesta del circuito RC en régimen sinusoidal permanente CAPÍTULO 2 AMPLIFICADORES OPERACIONALES 2.1 Amplificador operacional de circuito integrado 2.2 Modelo simplificado del amplificador operacional 2.3 Aproximación ideal del amplificador operacional 2.4 Circuitos lineales con amplificador operacional 2.4.1 Amplificador no inversor 2.4.2 El corto virtual 2.4.3 Amplificador inversor 2.4.4 Resistencia de entrada 2.4.5 Amplificador operacional seguidor de voltaje 2.4.6 Amplificador diferencial 2.4.7 Amplificador de instrumentación 2.4.8 Amplificador sumador 2.4.9 Amplificador operacional con una red de retroalimentación puente T 2.4.10 Integrador 2.4.11 Diferenciador 2.5 Circuitos no lineales 2.5.1 Comparador e indicador de polaridad de lazo abierto 2.5.2 Disparador Schmitt 2.6 Propiedades no ideales de los amplificadores operacionales 2.6.1 Niveles de saturación de salida 2.6.2 Voltajes de desvío de entrada y de salida 2.6.3 Corrientes de polarización y de desvío de entrada 2.6.4 Limitación de la rapidez de respuesta 2.6.5 Límite de corriente de salida 2.6.6 Respuesta en frecuencia finita 2.6.7 Producto ganancia-ancho de banda CAPÍTULO 3 INTRODUCCIÓN A LOS ELEMENTOS DE CIRCUITO NO LINEALES 3.1 Propiedades básicas de los elementos no lineales 3.2 Análisis gráfico con un elemento de circuito no lineal 3.3 Ejemplos de dispositivos no lineales de dos terminales 3.3.1 Materiales semiconductores 3.3.2 Características físicas del diodo de unión PN2 3.3.3 Característica voltaje-corriente del diodo de unión PN 3.3.4 Diodo Zener 3.3.5 Unión PN bajo un voltaje de polarización inversa grande 3.3.6 Diodo Schottky 3.3.7 Diodo varactor 3.3.8 Diodo túnel 3.3.9 Varistor de metal-óxido 3.4 Método gráfico con fuentes que varían con el tiempo 3.5 Soluciones matemáticas iterativas 3.6 Modelado por segmentos lineales de dispositivos no lineales de dos terminales CAPÍTULO 4 PROCESAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES CON DISPOSITIVOS NO LINEALES DE DOS TERMINALES 4.1 La característica de transferencia 4.2 Circuitos de corte y limitación 4.3 Circuitos rectificadores 4.3.1 Rectificador de media onda 4.3.2 Puente rectificador 4.4 Circuitos de fuente de alimentación 4.4.1 Fuente de alimentación con rectificador de media onda 4.4.2 Fuente de alimentación con rectificador de onda completa 4.4.3 Fuente de alimentación con carga no resistiva 4.4.4 Regulación de voltaje 4.4.5 Circuitos rectificador-capacitor para procesamiento de señales 4.5 Circuitos rectificadores de precisión 4.5.1 Rectificador de media onda de precisión 4.5.2 Limitador de precisión 4.5.3 Rectificador de media onda de precisión modificado con ganancia CAPÍTULO 5 DISPOSITIVOS DE TRES TERMINALES 5.1 Definición de un dispositivo de tres terminales 5.2 Transistores de efecto de campo 5.2.1 Estructura física del MOSFET incremental de canal n 5.2.2 Resumen de ecuaciones v-i del MOSFET incremental de canal n 5.2.3 MOSFET decremental 5.2.4 Voltaje fuente a sustrato distinto a cero (efecto de cuerpo) 5.2.5 Sobreesfuerzo electrostático y descarga electrostática 5.2.6 Transistor de efecto de campo de unión 5.2.7 Curva de transconductancia FET 5.2.8 Transistores de efecto de campo de canal P 5.2.9 Transistor de efecto de campo de metal semiconductor (MESFET) de arseniuro de galio (GaAs) 5.3 Transistor de unión bipolar 5.3.1 Estructura física del transistor bipolar 5.3.2 Características v-i del BJT NPN 5.3.3 BJT PNP 5.4 Características v-i del transistor con pendiente positiva 5.4.1 Pendiente positiva de las características v-i del FET 5.4.2 Pendiente positiva de las características v-i del BJT 5.5 Dispositivos fotónicos 5.5.1 Fotodiodo 5.5.2 Fototransistor 5.5.3 Diodo emisor de luz 5.5.4 Diodo láser 5.5.5 Circuitos optoelectrónicos 5.6 Dependencia de los dispositivos a la temperatura 5.6.1 Dependencia del MOSFET y del JFET a la temperatura 5.6.2 Dependencia de un diodo de unión pn y un BJT a la temperatura 5.7 Limitaciones de potencia en la operación de dispositivos CAPÍTULO 6 CIRCUITOS BÁSICOS CON DISPOSITIVOS DE TRES TERMINALES 6.1 Configuración de inversor 6.1.1 Inversor BJT 6.1.2 Inversor MOSFET 6.1.3 Inversor CMOS 6.2 Configuración de seguidor de voltaje 6.2.1 Seguidor de voltaje BJT 6.2.2 Seguidor de voltaje MOSFET 6.3 Configuración de seguidor de corriente 6.3.1 Seguidor de corriente BJT (amplificador de base común) 6.3.2 Configuración cascode BJT 6.3.3 Seguidor de corriente MOSFET 6.3.4 Cascode MOSFET con carga MOSFET 6.4 Operación en el régimen digital 6.4.1 El transistor como un interruptor 6.4.2 El inversor como una compuerta lógica digital 6.4.3 Inversor lógico BJT 6.4.4 Inversor lógico CMOS 6.4.5 Inversor lógico NMOS 6.4.6 Efecto de un voltaje fuente a sustrato distinto a cero (efecto de cuerpo) CAPÍTULO 7 AMPLIFICACIÓN ANALÓGICA 7.1 Definición de una señal 7.2 Circuitos activos y pasivos 7.3 Polarización 7.3.1 Conceptos generales de la polarización 7.3.2 Técnicas de polarización para el BJT 7.3.3 Técnicas de polarización para MOSFET y JFET 7.4 Modelado en pequeña señal de circuitos analógicos 7.4.1 Señal incremental 7.4.2 Modelo a pequeña señal del BJT 7.4.3 Modelo en pequeña señal del FET 7.4.4 Cómo modelar el efecto de cuerpo en MOSFET 7.4.5 Resistencia en pequeña señal del puerto de salida del transistor 7.4.6 Resistencia en pequeña señal del puerto de entrada del transistor 7.5 Representación de amplificador en dos puertos CAPÍTULO 8 AMPLIFICADORES DIFERENCIALES 8.1 Topología básica del amplificador diferencial 8.2 Señales en modo diferencial y en modo común 8.3 Amplificador diferencial BJT 8.3.1 Amplificador diferencial BJT con una entrada 8.3.2 Amplificador diferencial BJT con dos entradas 8.3.3 Superposición de las respuestas diferencial y común 8.3.4 Relación de rechazo común 8.3.5 Resistencias de entrada y de salida del amplificador diferencial BJT 8.3.6 Polarización del amplificador diferencial BJT 8.3.7 Espejo de corriente BJT 8.3.8 Fuente de corriente de Widlar BJT 8.4 Amplificadores diferenciales MOSFET y JFET 8.4.1 Amplificador diferencial NMOS 8.4.2 Amplificador diferencial JFET con cargas resistivas 8.4.3 Amplificador diferencial CMOS 8.4.4 Amplificador diferencial BiCMOS 8.5 Funcionamiento a gran señal de los amplificadores diferenciales 8.5.1 Descripción a gran señal del amplificador diferencial BJT 8.5.2 Descripción a gran señal de los amplificadores diferenciales MOSFET y JFET con cargas resistivas 8.5.3 Descripción a gran señal del amplificador diferencial MOSFET con cargas CMOS 8.5.4 Rango de excursión del amplificador diferencial CAPÍTULO 9 RESPUESTA EN FRECUENCIA Y COMPORTAMIENTO DEPENDIENTE DEL TIEMPO DE CIRCUITOS 9.1 Fuentes de capacitancia e inductancia en circuitos electrónicos 9.1.1 Capacitancia parásita en las terminales 9.1.2 Inductancia parásita de terminales 9.1.3 Capacitancia interna de la unión pn 9.1.4 Capacitancia en el transistor de unión bipolar 9.1.5 Capacitancia en el transistor de efecto de campo MOS 9.1.6 Capacitancia en el transistor de efecto de campo de unión 9.2 Respuesta de amplificador en régimen permanente sinusoidal 9.2.1 Representación mediante gráficas de Bode en el dominio de la frecuencia 9.2.2 Representación en gráfica de Bode de funciones de sistema de complejidad arbitraria 9.2.3 Límites de frecuencia de banda alta, baja y media 9.2.4 Superposición de polos 9.3 Respuesta en frecuencia de circuitos conteniendo capacitores 9.3.1 Capacitores de alta y de baja frecuencia 9.3.2 El concepto de polo dominante 9.3.3 Efecto de la capacitancia transversal sobre la respuesta del amplificador 9.3.4 Teorema de Miller y multiplicación Miller 9.3.5 Polos de alta frecuencia con resistor de retroalimentación 9.3.6 Respuesta en frecuencia con capacitor de desvío 9.4 Respuesta en frecuencia del amplificador diferencial 9.4.1 Respuesta en frecuencia en modo diferencial 9.4.2 Respuesta en frecuencia en modo común 9.4.3 Respuesta en frecuencia de configuración cascode 9.4.4 Consideraciones de diseño de circuitos integrados 9.5 Respuesta en el tiempo de los circuitos electrónicos 9.5.1 Capacitancia interna del diodo y el rectificador de media onda 9.5.2 Respuesta incremental a escalón de un amplificador a transistor CAPÍTULO 10 RETROALIMENTACIÓN Y ESTABILIDAD 10.1 El lazo de retroalimentación negativa 10.2 Requisitos generales de los circuitos retroalimentados 10.3 Efectos de la retroalimentación en el funcionamiento del amplificador 10.3.1 Efecto de la retroalimentación sobre la linealidad de amplificadores 10.3.2 Efecto de la retroalimentación en el ancho de banda del amplificador 10.4 Los cuatro tipos básicos de amplificador 10.4.1 Características de puerto de un amplificador 10.4.2 Muestreo de salida 10.4.3 Mezclado de entrada 10.5 Las cuatro topologías de retroalimentación 10.6 Efecto de las conexiones de la red de retroalimentación en la resistencia de puerto del amplificador 10.6.1 Resistencia de entrada de la conexión con mezclado de entrada en serie 10.6.2 Resistencia de entrada de la conexión-mezclado de entrada en derivación 10.6.3 Resistencia de salida de la conexión de muestreo de salida en paralelo 10.6.4 Resistencia de salida de la conexión con muestreo de salida en serie 10.7 Ejemplos reales de amplificadores retroalimentados 10.7.1 Amplificador operacional (retroalimentación serie/paralelo) 10.7.2 Amplificador MOSFET de transconductancia con resistor de retroalimentación (retroalimentación serie/serie) 10.7.3 Amplificador de transresistencia de una etapa (retroalimentación paralelo/paralelo) 10.7.4 Amplificador de corriente BJT con retroalimentación (retroalimentación paralelo/serie) 10.8 Estabilidad del lazo de retroalimentación 10.8.1 Corrimiento de fase del amplificador 10.8.2 Cómo evaluar la estabilidad de la retroalimentación utilizando la gráfica Nyquist 10.8.3 Análisis mediante gráficas de Bode de la estabilidad de la retroalimentación 10.8.4 Compensación de frecuencia 10.8.5 Compensación externa CAPÍTULO 11 AMPLIFICADORES MULTIETAPA Y DE POTENCIA 11.1 Carga de entrada y de salida 11.2 Cascada de amplificación en dos puertos 11.3 Polarización de amplificadores multietapa 11.4 Corrimiento del nivel de CD 11.4.1 Corrimiento de niveles en circuitos BJT 11.4.2 Desplazamiento de nivel en circuitos MOSFET 11.5 Cascada de amplificadores diferenciales 11.6 Etapas de salida de amplificación de potencia 11.6.1 Configuración de salida de par complementario (Clase B) 11.6.2 Configuración de salida con polarización lineal (Clase A) 11.6.3 Configuración de salida con polarización mínima (Clase AB) 11.7 Amplificadores de potencia integrados 11.8 Dispositivos de potencia 11.8.1 Disipadores de calor 11.8.2 BIT de potencia 11.8.3 MOSFET de potencia CAPÍTULO 12 CIRCUITOS ANALÓGICOS INTEGRADOS 12.1 Cascada básica de amplificador operacional 12.2 Estudio de caso: amplificador operacional bipolar LM741 12.2.1 Etapa de entrada BJT del amplificador operacional LM741 12.2.2 Etapa de ganancia media del amplificador operacional LM741 12.2.3 Etapa de salida del amplificador operacional LM741 12.2.4 Cascada completa del amplificador operacional 12.2.5 Compensación en frecuencia 12.2.6 División de polos 12.2.7 Origen de la limitación de rapidez de respuesta 12.2.8 Ajuste de desvío nulo 12.3 Estudio de caso: amplificador operacional CMOS simple 12.3.1 Diseño de la polarización 12.3.2 Funcionamiento en modo diferencial en pequeña señal 12.3.3 Funcionamiento en modo común 12.3.4 Rango de excursión de la señal CAPÍTULO 13 FILTROS Y OSCILADORES ACTIVOS 13.1 Un filtro activo simple de primer orden 13.2 Funciones de filtros ideales 13.3 Respuestas de filtros de segundo orden 13.3.1 La función bicuadrática de filtro 13.3.2 Filtro pasabajas activo de segundo orden 13.3.3 Filtro pasaaltos de segundo orden activo 13.3.4 Filtro activo pasabanda de segundo orden 13.4 Cascada de filtros activos 13.4.1 Respuesta del pasabajas Butterworth 13.4.2 Respuesta del filtro Chebyshev pasabajas 13.4.3 Cascada pasaaltos y pasabanda 13.4.4 Otros tipos de filtros 13.5 Escalamiento de magnitud y frecuencia 13.6 Redes y filtros de capacitores conmutados 13.7 Osciladores 13.7.1 Oscilador de puente de Wien 13.7.2 Oscilador de desplazamiento de fase 13.7.3 Osciladores sintonizados LC 13.7.4 Osciladores cristal 13.7.5 Oscilador de disparador Schmitt CAPÍTULO 14 CIRCUITOS DIGITALES 14.1 Conceptos fundamentales de los circuitos digitales 14.1.1 Escala de integración 14.1.2 Familias lógicas 14.1.3 Definición de los niveles lógicos 14.1.4 Márgenes de ruido 14.1.5 Capacidad de carga de salida y capacidad de carga de entrada 14.1.6 Retardo de propagación 14.1.7 Disipación de potencia 14.1.8 Producto retardo-potencia 14.2 Familia lógica CMOS 14.2.1 Característica del inversor CMOS 14.2.2 Comportamiento dinámico del inversor CMOS 14.2.3 Compuertas lógicas CMOS 14.2.4 Compuerta de transmisión CMOS 14.3 Familia lógica NMOS 14.3.1 Inversor NMOS con carga incremental 14.3.2 Inversor NMOS con carga decremental 14.3.3 Comportamiento dinámico de un inversor NMOS 14.3.4 Compuertas lógicas NMOS 14.4 Familia lógica TTL 14.4.1 Comportamiento dinámico del inversor BJT 14.4.2 Estructura básica de TTL 14.4.3 Inversor lógico TTL completo 14.4.4 Característica de transferencia del inversor lógico TTL 14.4.5 Compuertas lógicas TTL 14.4.6 Salida de tercer estado 14.4.7 Versiones mejoradas de TTL 14.5 Familia lógica acoplada por emisor 14.5.1 Inversor lógico ECL básico 14.5.2 Análisis detallado de un inversor lógico ECL 14.5.3 Característica de transferencia del inversor ECL 14.5.4 Compuertas lógicas ECL 14.6 Circuitos lógicos BiCMOS 14.6.1 Inversor BiCMOS estándar 14.6.2 Característica de transferencia en cd del inversor BiCMOS 14.6.3 Compuertas lógicas BiCMOS CAPÍTULO 15 FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS DIGITALES 15.1 Circuitos lógicos secuenciales 15.1.1 Flip-flop de inicio-reinicio 15.1.2 Flip-flop SR sincronizado 15.1.3 Flip-flop JK 15.1.4 Flip-flop de tipos D y T 15.1.5 Entradas preinicio y de borrado 15.2 Circuitos multivibradores 15.2.1 Multivibrador monoestable 15.2.2 Multivibrador Astable 15.2.3 El temporizador integrado 555 15.3 Memoria digital 15.3.1 Memoria de sólo lectura 15.3.2 Memoria de acceso aleatorio estática 15.3.3 Memoria de acceso aleatorio dinámica 15.3.4 Elementos de memoria EPROM y EEPROM 15.4 Interfaz analógica a digital 15.4.1 Conversión digital a analógica 15.4.2 Circuito de muestreo y retención 15.4.3 Conversión analógica a digital CAPÍTULO 16 DISEÑO ELECTRÓNICO 16.1 Panorama general del proceso de diseño 16.2 Las herramientas del diseño electrónico 16.3 Problemas de diseño abiertos 16.3.1 Fuente de alimentación de energía en cd ajustable de alta corriente 16.3.2 Amplificador de micrófono dinámico 16.3.3 Controlador de flecha giratoria 16.3.4 Indicador de velocidad de flecha de motor (Tacómetro analógico) 16.3.5 Odómetro electrónico para bicicleta 16.3.6 Interruptor de luz actuado por voz 16.3.7 Modulador de amplitud 16.3.8 Wáttmetro analógico de audiofrecuencia 16.3.9 Monitor de temperatura ambiente 16.3.10 Instrumento musical electrónico de proximidad manual 16.3.11 Interruptor de luz operado a mano 16.3.12 Monitor de ritmo cardiaco 16.3.13 Nanoamperímetro de cd 16.3.14 Indicador de nivel bajo de batería 16.3.15 Generador de funciones 16.3.16 Cargador de baterías de níquel cadmio (NiCad) 16.3.17 Medidor de campo magnético de ca 16.3.18 Controlador para tren modelo 16.3.19 Óhmetro de baja resistencia 16.3.20 Micrófono inalámbrico 16.3.21 Trazador de curvas de transistores 16.4 Problemas de diseño de circuitos integrados analógicos 16.4.1 Amplificador operacional BJT 1 16.4.2 Amplificador operacional BJT 2 16.4.3 Amplificador operacional BiFET 16.4.4 Amplificador operacional CMOS APÉNDICE A Física de los dispositivos semiconductores A.1 Materiales electrónicos A.2 Descripción cualitativa de los huecos A.3 Impurezas A.3.1 Átomos aceptores A.3.2 Átomos donores A.4 Densidades de portadores dentro de un semi conductor A.5 Flujo de corriente en un semi conductor A.5.1 Densidad de corriente de corrimiento A.5.2 Densidad de corriente por difusión A.5.3 Recombinación de concentraciones de portadores en exceso A.5.4 Gradiente de densidad de corriente A.5.5 Resumen de propiedades A.6 Gradiente de difusión dentro de un semiconductor A.7 Deducción de la característica v-i del diodo de unión PN A.7.1 Relaciones Boltzmann A.7.2 Mecanismo de inyección de portadores A.7.3 Componentes de corriente del diodo A.7.4 Corrección por recombinación en la región de agotamiento A.7.5 La unión pn en los puntos extremos de operación A.8 Transistor de unión bipolar A.8.1 Característica v-i del BJT A.8.2 Región angosta de la base del BJT A.8.3 El modelo de Ebers-Moll para el transistor A.9 Transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor A.9.1 Deducción de la característica v-i del MOSFET en modo incremental de canal n para un VDS pequeño A.9.2 Deducción de la característica v-i del MOSFET en modo incremental de canal n para un VDS grande APÉNDICE B Fabricación de dispositivos semiconductores y de circuitos integrados B.1 Vista general del proceso de fabricación B.2 Crecimiento epitaxial B.3 Oxidación B.4 Dopado de obleas B.5 Depósito de película B.6 Ataque químico de obleas R.7 Procesamiento litográfico B.8 Una secuencia de fabricación MOS B.9 Una secuencia de fabricación BJT APÉNDICE C Diseño de circuitos auxiliado por computadora, utilizando SPICE y PSpice C.1 Utilización de ápice C.2 Capacidades de SPICE y de PSPICE C.3 Descripción del circuito C.3.1 Resistores, capacitores e inductores C.3.2 Fuentes independientes C.3.3 Fuentes dependientes C.3.4 El enunciado .MODEL C.3.5 Semiconductores C.3.6 Cómo modelar amplificadores operacionales en SPICE C.3.7 Dispositivos no lineales arbitrarios (fuentes polinómicas) C.3.8 Definiciones de subcircuitos C.4 Tipos de análisis C.5 Cómo generar la salida C.6 Referencias APÉNDICE D Código de colores y valores estándar de resistores APÉNDICE E Sugerencias para lectura adicional Otros libros sobre electrónica Teoría de circuitos lineales Amplificadores operacionales Circuitos integrados analógicos Filtros activos Electrónica y dispositivos de potencia Circuitos y dispositivos digitales Circuitos BICMOS Dispositivos semiconductores