ELECTRÓNICA ANALÓGICA PARA INGENIEROS JORGE PLEITE GUERRA RICARDO VERGAZ BENITO JOSÉ MANUEL RUIZ DE MARCOS ELECTRÓNICA ANALÓGICA PARA INGENIEROS ELECTRÓNICA ANALÓGICA PARA INGENIEROS Jorge Pleite Guerra Profesor titular Dpto. Tecnología electrónica Universidad Carlos III. Madrid Ricardo Vergaz Benito Profesor titular Dpto. Tecnología electrónica Universidad Carlos III. Madrid José Manuel Ruiz de Marcos Profesor asociado Dpto. teoría de la señal Universidad Carlos III. Madrid MADRID • BOGOTÁ (cid:127) BUENOS AIRES (cid:127) CARACAS (cid:127) GUATEMALA (cid:127) LISBOA MÉXICO (cid:127) NUEVA YORK (cid:127) PANAMÁ (cid:127) SAN JUAN (cid:127) SANTIAGO (cid:127) SAO PAULO AUCKLAND • HAMBURGO (cid:127) LONDRES (cid:127) MILÁN (cid:127) MONTREAL (cid:127) NUEVA DELHI (cid:127) PARIS SAN FRANCISCO (cid:127) SIDNEY (cid:127) SINGAPUR (cid:127) ST. LOUIS (cid:127) TOKIO (cid:127) TORONTO ELECTRÓNICA ANALÓGICA PARA INGENIEROS No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográfi cos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. Derechos reservados © 2009, respecto a la primera edición en español, por: McGraw-Hill/Interamericana de España, S.A.U. Edifi cio Valrealty, 1.a planta Basauri, 17 28023 Aravaca (Madrid) ISBN: 978-84-481-6885-8 Depósito legal: XXX Editora: Cristina Sánchez Diseño de cubierta: reprotel.com Composición: EDITEC Impresión: XXX IMPRESO EN - PRINTED IN Contenido PREFACIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII MÓDULO I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . .1 Tema 1. Fundamentos de los semiconductores. La unión PN. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Tema 2. Tipos de diodos. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Tema 3. El transistor bipolar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Tema 4. El transistor de efecto campo (FET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Tema 5. Análisis de circuitos amplifi cadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Tema 6. Análisis en pequeña señal con el BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Tema 7. Análisis en pequeña señal con transistores FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Tema 8. Amplifi cadores con varios transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Tema 9. Conceptos básicos de la respuesta en frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Tema 10. Métodos de análisis de la respuesta en frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Tema 11. Respuesta en frecuencia de topologías amplifi cadoras . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Tema 12. Conceptos básicos de realimentación electrónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Tema 13. Análisis de topologías de amplifi cadores realimentados . . . . . . . . . . . . . . 165 Tema 14. Conceptos básicos del amplifi cador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Tema 15. Circuitos de aplicación del amplifi cador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Tema 16. Etapas de potencia. Amplifi cador clase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Tema 17. Amplifi cador Clase B y Clase AB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Tema 18. Fuentes de tensión reguladas y estabilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 MÓDULO II. PROBLEMAS RESUELTOS. . . . . . . . . . . . . . . . . .227 Problemas vinculados al Tema 3. El transistor bipolar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Problemas vinculados al Tema 4. El transistor de efecto campo (FET) . . . . . . . . . . 241 Problemas vinculados al Tema 6. Análisis en pequeña señal con el BJT . . . . . . . . . 251 Problemas vinculados al Tema 7. Análisis en pequeña señal con transistores FET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 VI Contenido Problemas vinculados al Tema 8. Amplifi cadores con varios transistores . . . . . . . 279 Problemas vinculados al Tema 11. Respuesta en frecuencia de topologías amplifi cadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Problemas vinculados al Tema 12. Conceptos básicos de realimentación electrónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Problemas vinculados al Tema 14. Conceptos básicos del amplifi cador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Problemas vinculados al Tema 17. Amplifi cador Clase B y Clase AB . . . . . . . . . . . . 345 Problemas vinculados al Tema 18. Fuentes de tensión reguladas y estabilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 MÓDULO III. ANÁLISIS DE SIMULACIONES . . . . . . . . . . . . . .359 Simulaciones vinculadas al Tema 2. Tipos de diodos. Aplicaciones. . . . . . . . . . . . . 361 Simulaciones vinculadas al Tema 3. El transistor bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Simulaciones vinculadas al Tema 4. El transistor de efecto campo (FET) . . . . . . . . 385 Simulaciones vinculadas al Tema 6. Análisis en pequeña señal con el BJT. . . . . . . 389 Simulaciones vinculadas al Tema 7. Análisis en pequeña señal con transistores FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 Simulaciones vinculadas al Tema 8. Amplifi cadores con varios transistores . . . . . 415 Simulaciones vinculadas al Tema 11. Respuesta en frecuencia de topologías amplifi cadoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 Simulaciones vinculadas al Tema 12. Conceptos básicos de realimentación electrónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 Simulaciones vinculadas al Tema 14. Conceptos básicos del amplifi cador operacional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 Simulaciones vinculadas al Tema 17. Amplifi cador Clase B y Clase AB. . . . . . . . . . 451 Simulaciones vinculadas al Tema 18. Fuentes de tensión reguladas y estabilizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .463 Prefacio Este libro nace de la experiencia docente −más de doce años− del equipo de autores en diferentes titulaciones de ingeniería de la Universidad Carlos III de Madrid, amén de la identificación de un conjunto de necesidades que se resumen a continuación. Existe en la actualidad una extensa bibliografía en Electrónica analógica cuyos contenidos cubren de forma suficiente los conocimientos que deben adquirir los es- tudiantes universitarios. Sin embargo, este alcance tan amplio (en profundidad y en extensión) obliga a un alumno de ingeniería, aún sin dominio de la materia, a localizar y seleccionar qué partes de una obra están directamente relacionadas con la asignatura cursada y, aún más difícil, a enlazar dichas partes entre sí. Esto supone una barrera al empleo de la bibliografía que, en el mejor de los casos, disminuye el rendimiento del tiempo dedicado al estudio y, en el peor, hace desistir de la consulta bibliográfica. Por otro lado, la creación del nuevo Espacio Europeo de Educación Superior, dentro del proceso de convergencia europeo, propone unos retos en la metodología docente cuyo abordaje demanda la disponibilidad de material con nuevos enfoques. Se exige que el alumno no sólo aprenda una materia, sino que aprenda a aprender, y que sepa plantear soluciones a problemas sin un procedimiento previamente trazado. Queda fuera del alcance de esta obra resolver el debate de cómo inculcar en el estudiante una actitud proactiva en contraposición a una vocación reactiva, y cómo estimular la sufi- ciente confianza en sí mismo como para impulsarle en la exploración del conocimiento, adquiriendo el protagonismo de su propio aprendizaje. En cambio, hacemos nuestro el objetivo de dar apoyo a esta nueva metodología. Por eso, no sólo se ofrecen aquí los conceptos teóricos y se proponen problemas guiados para su resolución práctica, sino que además se incorpora un conjunto de simulaciones de circuitos (emulando unas prácticas en laboratorio) que invitan a la reflexión sobre el material presentado y a la formulación de nuevas preguntas. Esta obra nació como una recopilación de apuntes propios que han sido mejorados, revisados y ampliados sucesivamente a lo largo de los años, en el afán de disponer de una base bibliográfica operativa y eficaz para las asignaturas impartidas por los autores, sin perjuicio de que el alumno profundice en ciertos conceptos a través de la amplia bibliografía disponible. Por otro lado, se ha orientado al nuevo marco pedagógi- VIII Prefacio co del Espacio Europeo de Educación Superior, dando una especial importancia no sólo a la adquisición de una buena base conceptual, sino también a la experimentación, a la resolución de problemas y a la autoformulación de nuevas cuestiones, así como a la bús- queda de sus respuestas a través de caminos que no estén previamente establecidos. Dividida en tres grandes bloques, la obra comienza con una descripción de los conceptos teóricos necesarios en Electrónica analógica, desde la presentación de los componentes electrónicos básicos a su uso en amplificadores de todo tipo. Un segundo bloque complementa los conceptos introducidos por medio de problemas resueltos, seleccionados con el criterio de aplicación directa de la teoría y con una dificultad creciente. Finalmente, un último bloque presenta simulaciones realiza- das por ordenador sobre algunos de los circuitos estudiados en el bloque anterior, y propone al lector la búsqueda de nuevos efectos, así como la comparación entre resultados meramente teóricos y la experiencia real. Esperamos que la obra sirva al alumno como el mejor banco de gimnasio en el que ejercitar su músculo técnico e intelectual, y que sirva al profesor como una obra viva en la que apoyar su tarea. Como tal obra viva, está aún sujeta a ampliaciones, mejoras y nuevos enfoques, por lo que animamos a quien lo desee a participar en la evolución de la misma, y a hacernos llegar nuevas propuestas y sugerencias. Los autores Noviembre 2008 Agradecimientos • A Jorge Raldúa Veuthey y a Juan Ignacio Gutiérrez González, por su inestimable colaboración en la documentación de la obra. • Al Vicerrectorado de Gestión de Grado de la Universidad Carlos III de Madrid, por su apoyo en los Proyectos de Innovación Docente. • A nuestros antiguos profesores y a todos los compañeros de la Universidad Carlos III de Madrid, con los que hemos compartido tantas horas de docencia y superado tantos obstáculos. • A Cristina Sánchez, por su apoyo en el proceso de edición de la obra con McGraw- Hill. • Y aunque sea un tópico, no por ello menos cierto, al imprescindible e incondicional apoyo de nuestras familias, que nos permite mantener la sensatez en los peores mo- mentos.