Circuitos y dispositivos electronicos

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electrónica analoga

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  • 1. Llus Prat Vias, ed. Circuitos y dispositivos electrnicos Fundamentos de electrnica EDICIONS UPC los autores, 1998; Edicions UPC, 1998.

2. La presente obra fue galardonada en el tercer concurso "Ajut a l'elaboraci de material docent" convocado por al UPC. Primera edicin: noviembre de 1994 Segunda edicin: septiembre de 1995 Tercera edicin: septiembre de 1996 Cuarta edicin: septiembre de 1997 Quinta edicin: septiembre de 1998 Sexta edicin: marzo de 1999 Diseo de la cubierta: Manuel Andreu / Edicions UPC Diseo y montaje interiores: Edicions UPC y David Pablo Con la colaboracin del Servei dInformaci, Imatge i Publicacions de la UPC Los autores, 1999 Edicions UPC, 1999 Edicions de la Universitat Politcnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel. 934 016 883 Fax. 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es e-mail: edupc@sg.upc.es Impresin: Romany-Valls Pl. Verdaguer 1, 08786 Capellades (Barcelona) Depsito legal: B-10.970-99 ISBN: 84-8301-291-X Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico y la distribucin de ejemplares de ella mediante alquiler o prstamo pblicos, as como la exportacin e importacin de ejemplares para su distribucin y venta fuera del mbito de la Unin Europea. 3. La rpida evolucin de la tecnologa electrnica obliga a una renovacin y actualizacin constante de su enseanza. Deben introducirse nuevos conceptos y condensar otros. En particular hay dos aspectos que en la actualidad conviene considerar desde el principio en la formacin del estudiante: la utiliza- cin de herramientas informticas para el anlisis y diseo de circuitos electrnicos, y proporcionar al estudiante una visin global de la ingeniera electrnica. Este segundo aspecto es consecuencia de la creciente interaccin entre el diseador de circuitos y sistemas y el fabricante de circuitos integrados. Este libro pretende responder a este planteamiento. Se trata de un texto de introduccin a la electrni- ca dirigido a estudiantes que inician sus estudios universitarios. Su contenido puede agruparse en cua- tro bloques temticos. El primer bloque est dedicado a introducir las tcnicas ms elementales de anlisis de circuitos. El conocimiento de esta temtica es esencial para comprender el comportamiento de los circuitos elec- trnicos que se tratan en los restantes captulos. Este bloque comprende los cinco primeros captulos del libro. El segundo bloque se dedica a presentar las caractersticas elctricas de los principales dispositivos semiconductores y su aplicacin a circuitos analgicos y digitales bsicos. Las caractersticas de los dispositivos electrnicos se presentan a partir de su circuito equivalente. Los dispositivos tratados en este texto son el diodo, el transistor bipolar, los transistores de efecto de campo (MOS y JFET), los tiristores y algunos dispositivos optoelectrnicos. Este bloque comprende los captulos seis al nueve. El tercer bloque presenta los rasgos ms significativos del comportamiento fsico de los dispositivos semiconductores y de su tecnologa de fabricacin. A partir de las propiedades elctricas de los semi- conductores se explica el comportamiento de la unin PN y el principio de funcionamiento del tran- sistor bipolar y del transistor MOS, justificando el modelo circuital que representa al dispositivo. Tambin se presentan los procesos bsicos en la tecnologa de semiconductores y las etapas de fabri- cacin del transistor bipolar y del transistor MOS. Este tema se desarrolla en el captulo diez. El cuarto bloque se dedica a la presentacin y utilizacin del programa de anlisis de circuitos por ordenador SPICE. A diferencia de los anteriores, la presentacin de esta temtica se distribuye a lo Prlogo 7 los autores, 1998; Edicions UPC, 1998. 4. largo del texto. En el apndice B se hace una presentacin general del programa comercial PSPICE, y al final de los captulos cuatro al ocho se presenta la utilizacin de este simulador de manera gradual. Se pone especial nfasis en la forma en que SPICE modela los distintos dispositivos semiconductores. Se han cuidado, de forma especial, los aspectos pedaggicos en la presentacin de las materias que contiene este libro, ofreciendo gran cantidad de material educativo: ejemplos resueltos, ejercicios pro- puestos al estudiante indicando la solucin, cuestiones conceptuales que estimulen la reflexin del lec- tor y problemas de aplicacin. Este libro se ha escrito a partir de la experiencia adquirida por sus autores en la enseanza, durante varios aos, de un curso semestral de introduccin a la electrnica en la Escola Tcnica Superior dEnginyers de Telecomunicaci de Barcelona (ETSETB) y en la Escola Universitria Politcnica del Baix Llobregat (EUPBL), ambas de la Universitat Politcnica de Catalunya. El libro desborda el con- tenido de dicho curso con el objeto de facilitar su utilizacin como material educativo en otros estu- dios. En particular, si los estudiantes ya han seguido un curso bsico de anlisis de circuitos, se pue- den obviar los cinco primeros captulos y centrar el curso en el resto del libro. Los autores quieren expresar su agradecimiento a las autoridades acadmicas de la Universitat Politcnica de Catalunya por la ayuda concedida para la elaboracin de este libro. Asimismo desean agradecer los consejos y comentarios recibidos de colegas y estudiantes durante la elaboracin de este libro y que han sido de gran utilidad. Los autores CIRCUITOS Y DISPOSITIVOS ELECTRNICOS 8 los autores, 1998; Edicions UPC, 1998. 5. 1 Conceptos bsicos 1.1 Magnitudes elctricas fundamentales ...................................................................... 15 1.1.1 Carga elctrica.............................................................................................. 15 1.1.2 Campo elctrico ........................................................................................... 15 1.1.3 Tensin......................................................................................................... 17 1.1.4 Corriente....................................................................................................... 18 1.1.5 Potencia........................................................................................................ 20 1.2 Componentes, dispositivos y circuitos..................................................................... 21 1.3 Seales...................................................................................................................... 23 1.3.1 Seal escaln................................................................................................ 23 1.3.2 Seal exponencial......................................................................................... 25 1.3.3 Seal sinusoidal............................................................................................ 26 1.4 Leyes de Kirchhoff................................................................................................... 28 1.5 Smbolos y unidades ................................................................................................ 30 Cuestiones y problemas..................................................................................................... 31 2 Circuitos resistivos 2.1 Concepto de resistencia............................................................................................ 35 2.2 Anlisis de circuitos resistivos por el mtodo de nudos.......................................... 39 2.3 Anlisis de circuitos resistivos por el mtodo de mallas......................................... 42 2.4 Concepto de circuito equivalente............................................................................. 45 2.5 Resistencias en serie. El divisor de tensin ............................................................. 46 2.6 Resistencias en paralelo. El divisor de corriente ..................................................... 48 2.7 Reduccin de circuitos resistivos............................................................................. 49 Cuestiones y problemas..................................................................................................... 51 ndice 9 los autores, 1998; Edicions UPC, 1998. 6. 3 Circuitos lineales 3.1 Linealidad y superposicin ...................................................................................... 57 3.2 Clculo de un circuito por el mtodo de superposicin .......................................... 61 3.3 Circuitos equivalentes de Thvenin y de Norton..................................................... 62 3.4 Transferencia de seal.............................................................................................. 65 Cuestiones y problemas..................................................................................................... 67 4 Fuentes dependientes 4.1 Concepto de fuente dependiente lineal .................................................................... 73 4.2 Anlisis de circuitos con fuentes dependientes........................................................ 74 4.3 Fuentes dependientes y circuitos activos................................................................. 78 4.4 El amplificador operacional..................................................................................... 78 4.5 Anlisis de circuitos con A.O. que trabajan en la regin lineal .............................. 81 4.6 Circuitos de acoplamiento con A.O......................................................................... 86 4.7 Anlisis de circuitos con A.O. operando en forma no lineal................................... 88 4.8 Anlisis de circuitos con ordenador usando SPICE ................................................ 90 Cuestiones y problemas.........................................................................