sábado, 24 de julio de 2010

ACTIVE CIRCUIT ELEMENTS

When we have considered electrical circuits, we have come across CIRCUIT ELEMENTS (also known as CIRCUIT COMPONENTS) such as resistors and capacitors . These are PASSIVE components, as they behave according to simple rules when voltages are applied to them. In electronics however, there are a number of components that have a rather more complex behaviour. These components are known as ACTIVE COMPONENTS, and include diodes, LEDs, transistors and operational amplifiers. In this topic we will look at these and see how they can be used in electronic circuitry.

Diodes:

Diodes are devices which operate on the basis of semiconductors p-n junctions. You will remember, from your study of semiconductors in Grade 11, that forward biasing of a diode enables electrons to flow from the n-side of the junction to the p-side, provided the applied potential difference is above the potential difference of the virtual cell (about 0.6 V for Si, and about 0.2 V for germanium).


That it is much easier to explain the behaviour of diodes in terms of electron flow, but in circuits, current is conventionally assumed to flow through the circuit from the positive pole of the source to the negative pole. A typical diode, as well as the symbols that are used to represent diodes in a circuit, is shown on the right.

The conducting properties of a junction diode are depicted in the graphs above. Note that when the diode is reverse-biased, the current (carried by minute quantities of impurities in the silicon, called "minority carriers") is extremely small (about 1 µA or less), and the scales of both the horizontal (potential difference) and vertical (current) axes are not the same.

Since a diode such as the one described above only allows current to pass through if the applied voltage is of a certain polarity, diodes are used as RECTIFIERS, that is, devices that convert an alternating current to a direct current, and as such, find wide applications in electronic power sources.


The diagram above shows how an AC output from a transformer is converted to a pulsed DC current by passing the AC current through a diode. Only the positive values of the applied voltage will forward-bias the diode, allowing the current to flow. The negative regions of the wave will reverse-bias the diode, effectively converting the diode to an insulator, shutting off the current. The rectification is called "half-wave rectification", since only half the cycle produces current.

The light-emitting diode:

Light-emitting diodes, (LED), are semiconductor-based devices that convert electricity into light. They are found in all sorts of places, for example, to indicate whether an appliance is on or off, in digital displays, and in so-called "light boards".






LEDs are based on the principle that when electrons from n-type semiconductors fill "holes" in p-type semiconductors, energy is given out. In a normal diode, this energy appears as heat. If the p-type semiconductor is doped with certain impurities, such as gallium arsenide, the energy is released as photons having a relatively narrow frequency range. Suitable dopants can result in the emission of visible light (red, green, yellow or blue) or infrared light.

Since a diode acts as a switch, the LED will either emit light of be dark. Bar-types LEDs are used to create digital displays, as shown here below. A special circuit lights up individual diodes to create lighted segments forming the characters.

The transistor:

The invention of the transistor in the 1950's by Bardeen, Brattrain and Shockley revolutionised the field of electronics. Previously, electronic circuits depended on glass tubes (called "valves"), which were slow, bulky and relatively short-lived. Transistors are small, cheap and reliable. The computer you are using, and the display you are staring at, make use of thousands of transistors. The basic construction consists of a sandwich of three thin semiconductor layers, forming two p-n junctions. There are various types of transistors some of which are listed below:

Bipolar junction transistors (BJT), coming in two varieties, n-p-n and p-n-p transistors. They are indicated as follows on circuit diagrams:

These transistors have three connections, called the base (b), the emitter (e) and collector (c). The base is connected to a p-type semiconductor in n-p-n transistors, and to an n-type semiconductor in p-n-p transistors.

Field effect transistors (FET). Again, these are of two types, n-channel FETs and p-channel FETs. The symbol for these is

As with the BJTs, FETs have three connections, called the gate (g), the source (s) and the drain (d). In n-channel FETs, the gate is connected to an p-type semiconductor, while in the p-channel FETs, the gate is connected to a n-type semiconductor.
Transistors act as switches and amplifiers. BJTs are controlled by current across the base-emitter junction, whereas FETs are controlled by voltage across the gate-source junction. Low currents (or voltages) prevent current flowing from the collector to the emitter (or from the drain to the source in the case of FETs). Transitors can switch on and off millions of times every second almost indefinitely provided the circuit is well designed.

Operational amplifiers

Before discussing the operational amplifier, it will be useful to discuss the terms "amplifier" and "gain".

What is an amplifier?

In electronics, an amplifier is a device that increases the power of an incoming electrical signal.

What is "gain"?

In electronics, GAIN refers to the ratio of the power (or voltage) entering an amplifier to the power (or voltage) put out by the amplifier. One must be careful to state whether one is dealing with power ratios or voltage ratios. Further, one should be alert as to whether the gain is a simple ratio, or whether it is stated in units of DECIBELS, dB, which is a logarithmic function of that ratio:

Input power = 5mW; output power = 75 mW.
Using a simple power ratio, the gain = 75/5 = 15.
Using decibels: the gain = 10 log1015 = 11.8 dB.

If there is a power loss, the gain is less than 1 (negative decibels), and we are then dealing with a case of ATTENUATION. The two graphs below illustrate what one aims to achieve with an amplifier:

On the left above we have a fluctating signal produced by some instrument (the "raw" signal). On the right, the signal has passed through an amplifier producing a gain of 5.

The OPERATIONAL AMPLIFIER (termed "op-amp" for short) is a device that can provide considerable gains (over 105) over a large range of inputs. Operational amplifiers are complex circuits that include transistors, resistors and capacitors. They are normally provided as an INTEGRATED CIRCUIT (IC) built into a CHIP, with connectors ("pins") whose function is provided by the manufacturer. For example, the 741 operational amplifier is an integrated circuit chip with 20 transistors, 11 resistors and 1 capacitor and 8 pins:


The term "operational amplifier" was applied to the device because it was initially used in computers to perform mathematical operations.

What are opamps used for?

Operational amplifiers can be considered as devices that generate a voltage E = A(V2 - V1), where A is known as the"open-loop voltage gain". It is a known parameter of the device that depends on the frequency of the input voltage(s), having very high values at low frequencies (typically around 1x105). V1 and V2 are the input voltages that are applied to the inverting and non-inverting terminals respectively.

Operational amplifiers are used pricipally to:

Amplifying voltages (with or without phase inversion);
Comparing voltages.



The amplification that may be obtained is not unlimited. The output voltage of the device is limited to about 80% of the supply voltages (+ Vs and -Vs) that are supplied at pins 7 (+9V) and pin 4 (-9V). If the output voltage is greater than that value, the output signal will be truncated and the opamp is said to have reached the SATURATION VOLTAGE. This may be shown by varying the input voltages and connecting the output terminals to a double-beam oscilloscope.

The basic circuit below will deliver an amplified voltage with phase inversion. Part of the output is fed back into the inverting input, via a feedback resistor RF. For display purposes, the graph below is limited to a 5X amplification.

Consider the plot on the right. For the above circuit, the ratio of the resistors RF and RA dictate the amplification that may be obtained (the negative sign takes care of the inverted phase). Note that the amplification is limited by the value of the source voltages. Above a certain value of the input voltage, no amplification takes place. In the linear range of the graph, the gradient of the plot gives the ratio -RF/RA.
Filters:

In electronics, a FILTER is a circuit that removes unwanted frequencies from a signal. Such devices find numerous applications, not least of which in hi-fi audio equipment.





The figure on the left shows a waveform (signal) that actually is the sum of two sine waves of equal amplitude, but different frequencies. These two waves are shown individually in the second figure. The high frequency wave has a frequency that is four times that of the low frequency wave. The purpose of an electronic filter is to remove certain waves with frequencies above a certain value, or alternatively, those waves whose frequencies are below a certain value. A LOW-PASS FILTER will remove waves whose frequencies are above a certain CUTOFF VALUE (third figure from the left), while a HIGH PASS FILTER will remove those waves below a certain cutoff value.

The diagrams above show a simplified ideal situation. In practice, a signal may many different frequencies. Both low-pass and high pass filters do not remove the unwanted frequencies completely, but attenuate them. BAND-PASS filters remove or attenuate frquencies that lie outside a desired range.

Algunas aplicaciones del trasistor bipolar

Transistor Bipolar (BJT) como interruptor

Cuando un transistor se utiliza en un circuito, el comportamiento que éste tenga dependerá de sus curvas caracteristicas.
En el diagrama que se muestra hay varias curvas que representan la función de transferencia de Ic (corriente de colector) contra VCE (voltaje colector – emisor) para varios valores de Ib (corriente de base).

Cuando el transistor se utiliza como amplificador, el punto de operación de éste se ubica sobre una de las líneas de las funciones de transferencia que están en la zona activa. (las líneas están casi horizontales).

Transistor en corte y saturación

Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch, la corriente de base debe tener un valor para lograr que el transistor entre en corte y otro para que entre en saturación

- Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentación). Ver la zona amarilla en el gráfico

- Un transistor en saturación tiene una corriente de colector (Ic) máxima y un voltaje colector emisor (VCE) casi nulo (cero voltios). Ver zona en verde en el gráfico.

Para lograr que el transistor entre en corte, el valor de la corriente de base debe ser bajo o mejor aún, cero.

Para lograr que el transistor entre en saturación, el valor de la corriente de base debe calcularse dependiendo de la carga que se esté operando entre encendido y apagado (funcionamiento de interruptor)

Si se conoce cual es la corriente que necesita la carga para activarse (se supone un bombillo o foco), se tiene el valor de corriente que habrá de conducir el transistor cuando este en saturación y con el valor de la fuente de alimentación del circuito, se puede obtener la recta de carga. Ver gráfico anterior.

Esta recta de carga confirma que para que el transistor funcione en saturación, Ic debe ser máximo y VCE mínimo y para que esté en corte, Ic debe ser el mínimo y VCE el máximo.

Diseño de un swich con Transistor Bipolar (BJT)

Ejemplo de diseño de interruptor o switch con transistor bipolar

Para calcular el valor de Rb (resistencia de base) que se utilizará para que el circuito funcione como un interruptor (conectar y esconectar un voltaje de 12 voltios en A). Ver el diagrama.

Los datos que tenemos son:
- Voltaje de alimentación = 12 V
- Bombillo (foco) 12V, 1.2W
- B (beta) mínimo del transistor es: 200

Transistor en saturación

Para obtener Ic se sigue el siguiente procedimiento:

De la fórmula de Potencia: Potencia del bombillo = P = VxI.

Despejando I se obtiene: I = Ic = P/V = 1.2 watts / 12 voltios = 100 mA

Se escoge el B (beta) menor (200) para asegurar de que el transistor se sature.

La corriente de base es: Ib = Ic/B = 100 mA/200 = 0.5 mA.

Esta es la corriente de base necesaria para que el transistor se sature y encienda el bombillo.

Para calcular Rb se hace una malla en el circuito de la base: 12 V = Rb x Ib – Vbe

Rb = (12–0.7)/Ib = 11.3 V/0.5 mA = 2260 ohmios. Para efectos prácticos Rb = 2.2 Kohms

Nota: Vbe = 0.7 Voltios aproximadamente en un transistor de silicio.

Transistor en corte

Para que el bombillo se apague, basta que la corriente (Ic) que pase a través de él sea cero. Para lograrlo se hace que la corriente de base Ib sea cero (Ic = BxIb), poniendo el voltaje que alimenta el circuito de la base en cero (0 Voltios)

Transistor Bipolar (BJT) como iamplificador

Es la aplicación práctica mas importante para la que se usan los transistores. El diagrama muestra una etapa amplificadora en emisor común:



El transistor ha sido polarizado por medio de polarización por división de tensión.
Como sabemos, un capacitor en altas frecuencias se comporta como un cortocircuito mientras que a bajas frecuencias la misma aumenta hasta comportarse como un circuito abierto para C.C.
Viéndolo desde este punto de vista conviene analizar al amplificador en dos etapas, una desde el punto de vista de la C.A. y el otro desde el punto de vista de la C.C.
Con esta subdivisión podremos analizar al circuito mediante dos circuitos mas sencillos, con lo cual, gracias a la teoría de la superposición, lo que ocurrirá será que la respuesta total resultará de la suma de los datos obtenidos en los dos circuitos en que descompusimos al original.
Comenzaremos el análisis en el dominio de la C.C., para ello seguimos los siguientes pasos:
1º) Se cortocircuita el generador de entrada de alterna.
2º) Se consideran los capacitores como circuitos abiertos.
3º) Se analiza este circuito resultante.
Abriendo C1, C2 y C3 y cortocircuitando al generador de entrada en nuestro circuito obtenemos el circuito resultante que vemos a continuación:

Ahora, y con las referencias ya explicadas, se procede a la resolución del circuito resultante. Con estos datos obtenemos el punto de polarización (Q).
Para el análisis en C.A. recurrimos a las siguientes reglas:
1º) Se cortocircuita la fuente de tensión de C.C.
2º) Se considera a los capacitores como circuitos cerrados (cortocircuitos).
3º) Se estudia el circuito resultante.
En la figura vemos de que forma hemos procedido para obtener el circuito resultante:

Los capacitores han desaparecido del circuito haciéndose cortocircuitos, la resistencia R4 desaparece por estar en paralelo con un cortocircuito, las resistencias R1 y R3 están ahora en paralelo, con lo cual obtenemos Ra. Con las resistencias de salida ocurre lo mismo, y obtenemos Rb.
Para terminar con nuestro análisis debemos suponer que ahora aplicamos una señal al circuito y veremos cómo varía el punto Q
En la figura vemos un ejemplo, donde se muestra el punto Q en ausencia de señal y cómo varía con la aplicación de una señal de entrada.


Se ve que la señal Ie no es una correspondencia directa de la aplicada en la base del transistor dado la curvatura de la gráfica de la característica del transistor.
Es importante verificar bien el lugar de ubicación del punto Q, dado que si queremos que el transistor opere en la zona activa y polarizamos a éste en un punto Q cercano a la zona de saturación, corremos el riesgo de que cuando le aplicamos una señal de entrada, Q se desplace hacia la zona de saturación, dejando la zona activa. Para evitar este problema conviene analizar siempre antes la variación de Q en nuestro transistor y verificar que no salga de la región donde queremos que trabaje.
Otra familia de transistores muy importante es la de los de efecto de campo, de los cuales es parte el FET. Los mismos realizan la función de control de la corriente mediante una tensión aplicada en uno de sus terminales.
Están construidos con una zona semiconductora tipo P o N que une los dos terminales (Fuente y Drenador), a esta región se la llama canal y sobre ésta existe otra con signo opuesto que se conecta a la puerta, entre ambas se forma una unión PN o NP, según sea su topología. Este conjunto está montado sobre un semiconductor con igual signo al de la puerta. Cuando se aplica una tensión entre Drenador y Fuente, habrá circulación de corriente por el canal.
El control de dicha corriente se hará con una tensión variable que es aplicada a la puerta, ya que, al aplicar dicha tensión, las uniones P-N se polarizan en forma inversa, haciendo que el canal se haga más delgado y, por consiguiente, aumente la resistencia de éste, generando así una variación de la corriente circulante por él.
Como esta corriente de Puerta será extremadamente débil debido a que se trata de una unión polarizada en inversa, será posible variar la corriente que circula por el transistor sin que sea necesario absorber corriente de él.
También la familia de transistores MOS o MOSFET (Metal, Oxido, Semiconductor) es parte de los transistores de efecto de campo.
Este tipo de transistor es fabricado partiendo de un semiconductor tipo P en el que se difunden dos regiones tipo N que forman la fuente y el Drenador, y, encima de la superficie de estos, se aplica una capa de dióxido de silicio (SiO2), que tiene la propiedad de ser muy aislante, sobre la que está situada la Puerta. Entre Fuente y Drenador también existirá un canal similar al del tipo FET, cuya resistencia y anchura será controlada con la tensión de puerta.
En las curvas características de los transistores de efecto de campo se representa la corriente de Drenador (ID) en función de la tensión aplicada entre Drenador y Fuente (VDS). Como en el caso de la transferencia de los transistores bipolares, se traza una curva para cada uno de los valores de VGS deseados. También en estas curvas se observan dos zonas; desde el origen la corriente crece con la tensión, pero alcanzado cierto valor Vp, se hace constante y se forma a partir de allí la segunda zona, a estas dos zonas se las llama región lineal a la primera y región de saturación a la última.
Este tipo de transistores pueden ser utilizados en los circuitos en una disposición similar a la de los bipolares, es decir: Fuente común, Puerta común y Drenador común, aunque la primera y la última son las más utilizadas en la práctica.

Unión PN

Se denomina unión P-N a la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores BJT. Está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de Silicio (Si), aunque también se fabrican de Germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o compuesto químico.

Silicio puro o "intrínseco"

Los cristales de Silicio están formados a nivel atómico por una malla cristalina basada en enlaces covalentes que se producen gracias a los 4 electrones de valencia del átomo de Silicio. Junto con esto existe otro concepto que cabe mencionar: el de hueco. Los huecos, como su nombre indica, son el lugar que deja un electrón cuando deja la capa de valencia y se convierte en un electrón libre. Esto es lo que se conoce como pares electrón - hueco y su generación se debe a la temperatura (como una aplicación, al caso, de las leyes de la termodinámica) o a la luz (efecto fotoeléctrico). En un semiconductor puro (intrínseco) se cumple que, a temperatura constante, el número de huecos es igual al de electrones libres.


Silicio "extrínseco" tipo "P"

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, sustituyéndole algunos de los átomos de un semiconductor intrínseco por átomos con menos electrones de valencia que el semiconductor anfitrión, normalmente trivalente, es decir con 3 electrones en la capa de valencia (normalmente boro), al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos, huecos).
Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como impurezas aceptoras.
El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, una impureza trivalente deja un enlace covalente incompleto, haciendo que, por difusión, uno de los átomos vecinos le ceda un electrón completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

Silicio "extrínseco" tipo "N"

Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como impurezas donantes ya que cede uno de sus electrones al semiconductor.
El propósito del dopaje tipo N es el de producir abundancia de electrones libres en el material. Para ayudar a entender cómo se produce el dopaje tipo N considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de electrones libres, el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donantes. Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

Barrera interna de potencial

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je).
Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como barrera interna de potencial, zona de carga espacial, de agotamiento o empobrecimiento, de deplexión, de vaciado, etc.
A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.
La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.
Polarización directa de la unión P - N

En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final. Polarización directa: se produce cuando se conecta el polo positivo de la pila a la parte P de la unión P - N y la negativa a la N.


Polarización inversa de la unión P - N

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fugas es despreciable.

Modelos de la Grande-señal

Modelo de Ebers-Moll

Las corrientes del emisor y de colector de la C.C. en modo activo son modeladas bien por una aproximación al modelo de Ebers-Moll:

La corriente interna baja está principalmente por la difusión (véase Ley de Fick) y

Donde

VT es voltaje termal kT/q (aproximadamente 26 milivoltios en la temperatura ambiente del ≈ de 300 K).
IE es la corriente del emisor
IC es la corriente de colector
αT es el aumento actual del cortocircuito delantero de la base común (0.98 a 0.998)
IES es la corriente reversa de la saturación del diodo del emisor de base (en la orden de 10−15 a 10−12 amperios)
VSEA es el voltaje del emisor de base
Dn es la constante de difusión para los electrones en el p-tipo base
W es la anchura baja
La corriente de colector es levemente menos que la corriente del emisor, desde el valor de αT está muy cerca de 1.0. En el BJT a la cantidad pequeña de corriente del emisor de base causa una cantidad más grande de corriente del collector-emitter. El cociente de la corriente permitida del collector-emitter a la corriente del emisor de base se llama aumento actual, β o hFE. Un valor del β de 100 es típico para los transistores bipolares pequeños. En una configuración típica, una corriente muy pequeña de la señal atraviesa la ensambladura del emisor de base para controlar la corriente del emisor-colector. el β se relaciona con el α con las relaciones siguientes:

Eficacia del emisor: ; es decir, el cociente de la corriente inyectado en la base a la corriente en el emisor; los dos diferencian debido a la inyección posterior de la base en el emisor y a la recombinación. Vea generación de portador y recombinación.

Unapproximated las ecuaciones de Ebers-Moll usadas para describir las tres corrientes en cualquier región de funcionamiento se dan abajo. Estas ecuaciones se basan en el modelo del transporte para un transistor de ensambladura bipolar. Vea, por ejemplo, a Sedra y a Smith. [21]

donde

iC es la corriente de colector
iB es la corriente de la base
iE es la corriente del emisor
βF es el aumento actual del emisor común delantero (20 a 500)
βR es el aumento actual del emisor común reverso (0 a 20)
IS es la corriente reversa de la saturación (en la orden de 10−15 a 10−12 amperios)
VT es voltaje termal (aproximadamente 26 milivoltios en la temperatura ambiente del ≈ de 300 K).
VSEA es el voltaje del emisor de base
VA.C. es el voltaje del base-colector


Modulación de la Base-anchura

Como el voltaje de collector-base aplicado (VBC) varía, la región de agotamiento del collector-base varía de tamaño. Un aumento en el voltaje de collector-base, por ejemplo, causa un mayor diagonal reverso a través de la ensambladura del collector-base, aumentando la anchura de la región de agotamiento del collector-base, y disminuyendo la anchura de la base. Esta variación en anchura baja a menudo se llama “Efecto temprano“después de su descubridor James M. Temprano.

El enangostar de la anchura baja tiene dos consecuencias:

Hay una poca ocasión para la recombinación dentro de la región baja “más pequeña”.
El gradiente de la carga se aumenta a través de la base, y por lo tanto, la corriente de los portadores de la minoría inyectados a través de los aumentos de la ensambladura del emisor.
Ambos factores aumentan el colector o “haga salir” la corriente del transistor en respuesta a un aumento en el voltaje de collector-base.

En región activa delantera el efecto temprano modifica la corriente de colector (iC) y el aumento actual del emisor común delantero (βF) según lo dado por las ecuaciones siguientes:[citación necesitada]

Donde

VCBES es el voltaje de collector-base
VA es el voltaje temprano (15 V a 150 V)
βF0 es el aumento actual del común-emisor delantero cuando VCB = 0 V

Características current-voltage

Las asunciones siguientes están implicadas al derivar las características current-voltage ideales del BJT

Inyección del nivel bajo
Doping uniforme en cada región con las ensambladuras precipitadas
Flujo actual unidimensional
Recombinación-generación insignificante en regiones de carga de espacio
Campos eléctricos insignificantes fuera de regiones de carga de espacio.
Es importante caracterizar las corrientes de difusión de la minoría inducidas por la inyección de portadores.

Con respecto al diodo de ensambladura del pn, una relación dominante es la ecuación de la difusión.

Una solución de esta ecuación está abajo, y dos condiciones de límite se utilizan para solucionar y para encontrar C1 y C2.

Las ecuaciones siguientes se aplican a la región del emisor y de colector, respectivamente, y a los orígenes 0, 0', y 0'' apliqúese a la base, al colector, y al emisor.

Una condición de límite del emisor está abajo:

Los valores de las constantes A1 y B1 es cero debido a las condiciones siguientes de las regiones del emisor y de colector como y .

Desde entonces A1 = B1 = 0, los valores de ΔnE(0'') y Δnc(0') sea A2 y B2, respectivamente.

Expresiones de IEn y ICn puede ser evaluado.

Puesto que ocurre la recombinación insignificante, el segundo derivado de ΔpB(x) es cero. Hay por lo tanto una relación linear entre exceso de densidad del agujero y x.

Los siguientes son condiciones de límite de ΔpB.

Substituya en la relación linear antedicha.

.
Con este resultado, derive el valor de IEp.

Utilice las expresiones de IEp, IEn, ΔpB(0), y ΔpB(W) para desarrollar una expresión de la corriente del emisor.

Semejantemente, una expresión de la corriente de colector se deriva.

Una expresión de la corriente baja se encuentra con los resultados anteriores.


Punchthrough

Cuando el voltaje del base-colector alcanza cierto (valor del específico del dispositivo), el límite de la región de agotamiento del base-colector resuelve el límite de la región de agotamiento del emisor de base. Cuando en este estado el transistor no tiene con eficacia ninguna base. El dispositivo pierde así todo el aumento cuando en este estado.


Modelo del cargar-control de Gummel-Poon

Modelo de Gummel-Poon[23] es un modelo cargar-controlado detallado de la dinámica de BJT, que ha sido adoptada y elaborada por otras para explicar dinámica del transistor en mayor detalle que lo hacen los modelos terminal-basados típicamente [2]. Este modelo también incluye la dependencia del transistor β- valores sobre los niveles actuales de la C.C. en el transistor, que son actual-independiente asumida en el modelo de Ebers-Moll. Vea, por ejemplo, a Sedra y a Smith.

Circuitos electrónicos y sus aplicaciones

Fuentes de Alimentación.

La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de CC para su funcionamiento. Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes de alimentación internas que convierten la corriente alterna, que puede obtenerse de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de CC. El primer elemento de una fuente de alimentación de CC interna es el transformador, que eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el funcionamiento del equipo. La función secundaria del transformador es servir como aislamiento de masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles peligros de electrocución. A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele ser un diodo. En el pasado se utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de diferentes materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los rectificadores de baja potencia empleados en los equipos electrónicos. En la actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su bajo coste y alta fiabilidad.

Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de CC rectificada (percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que también consigue que las tensiones internas sean independientes de las fluctuaciones que puedan encontrarse en un artefacto eléctrico. Un sencillo regulador de tensión que se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un diodo de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una tensión predeterminada. Por encima de dicha tensión, se convierte en un conductor que deriva los excesos de tensión. Por lo general, los reguladores de tensión más sofisticados se construyen como circuitos integrados.

Circuitos amplificadores

Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores, hoy día suelen utilizarse circuitos de transistores discretos o circuitos integrados.

Amplificadores de sonido

Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisiones y grabadoras de cintas, suelen funcionar a frecuencias entre 2 y 20 kiloherz (1 kHz = 1.000 ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en sonido con un altavoz. Los amplificadores operativos, incorporados en circuitos integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos acoplados a la corriente continua, son muy populares como amplificadores de sonido.

Amplificadores de vídeo

Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de frecuencias de hasta 6 megaherz (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La señal generada por el amplificador se convierte en la información visual por ejemplo la que aparece en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con baja distorsión.

Amplificadores de radiofrecuencia

Estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones GHz = 1.000 millones de ciclos por segundo), y pueden llegar incluso al rango de frecuencias de microondas.

Osciladores

Los osciladores constan de un amplificador y de algún tipo de realimentación: la señal de salida se reconduce a la entrada del amplificador. Los elementos determinantes de la frecuencia pueden ser un circuito de inductancia-capacitancia sintonizado o un cristal vibrador. Los osciladores controlados por cristal ofrecen mayor precisión y estabilidad. Los osciladores se emplean para producir señales de sonido y de radio en una amplia variedad de usos. Por ejemplo, los osciladores sencillos de radiofrecuencia se emplean en los modernos teléfonos de teclas para transmitir datos a la estación telefónica central al marcar un número. Los tonos de sonido generados por los osciladores también pueden encontrarse en relojes despertadores, radios, instrumentos electrónicos, computadoras y sistemas de alarma. Los osciladores de alta frecuencia se emplean en equipos de comunicaciones para controlar las funciones de sintonización y detección de señales. Las emisoras de radio y de televisión utilizan osciladores de alta frecuencia y de gran precisión para generar las frecuencias de transmisión.

Circuitos Lógicos

Los circuitos de conmutación y temporización, o circuitos lógicos, forman la base de cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar señales de manera controlada. Entre los campos de aplicación de estos tipos de circuitos pueden mencionarse la conmutación telefónica, las transmisiones por satélite y el funcionamiento de las computadoras digitales.

La lógica digital es un proceso racional para adoptar sencillas decisiones de 'verdadero' o 'falso' basadas en las reglas del álgebra de Boole. El estado verdadero se representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos lógicos estos numerales aparecen como señales de dos tensiones diferentes. Los circuitos lógicos se utilizan para adoptar decisiones específicas de 'verdadero-falso' sobre la base de la presencia de múltiples señales 'verdadero-falso' en las entradas. Las señales se pueden generar por conmutadores mecánicos o por transductores de estado sólido. La señal de entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las señales eléctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los circuitos lógicos digitales. Las diversas familias de dispositivos lógicos digitales, por lo general circuitos integrados, ejecutan una variedad de funciones lógicas a través de las llamadas puertas lógicas, como las puertas OR, AND y NOT y combinaciones de las mismas (como 'NOR', que incluye a OR y a NOT). Otra familia lógica muy utilizada es la lógica transistor-transistor. También se emplea la lógica de semiconductor complementario de óxido metálico, que ejecuta funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. Existen también muchas otras variedades de circuitos lógicos, incluyendo la hoy obsoleta lógica reóstato-transistor y la lógica de acoplamiento por emisor, utilizada para sistemas de muy altas velocidades.

Los bloques elementales de un dispositivo lógico se denominan puertas lógicas digitales. Una puerta Y (AND) tiene dos o más entradas y una única salida. La salida de una puerta Y es verdadera sólo si todas las entradas son verdaderas. Una puerta O (OR) tiene dos o más entradas y una sola salida. La salida de una puerta O es verdadera si cualquiera de las entradas es verdadera, y es falsa si todas las entradas son falsas. Una puerta INVERSORA (INVERTER) tiene una única entrada y una única salida, y puede convertir una señal verdadera en falsa, efectuando de esta manera la función negación (NOT). A partir de las puertas elementales pueden construirse circuitos lógicos más complicados, entre los que pueden mencionarse los circuitos biestables (también llamados flip-flops, que son interruptores binarios), contadores, comparadores, sumadores y combinaciones más complejas.

En general, para ejecutar una determinada función es necesario conectar grandes cantidades de elementos lógicos en circuitos complejos. En algunos casos se utilizan microprocesadores para efectuar muchas de las funciones de conmutación y temporización de los elementos lógicos individuales. Los procesadores están específicamente programados con instrucciones individuales para ejecutar una determinada tarea o tareas. Una de las ventajas de los microprocesadores es que permiten realizar diferentes funciones lógicas, dependiendo de las instrucciones de programación almacenadas. La desventaja de los microprocesadores es que normalmente funcionan de manera secuencial, lo que podría resultar demasiado lento para algunas aplicaciones. En tales casos se emplean circuitos lógicos especialmente diseñados.

Avances recientes

El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los campos de las comunicaciones, la gestión de la información y la informática. Los circuitos integrados han permitido reducir el tamaño de los dispositivos con el consiguiente descenso de los costes de fabricación y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los relojes digitales, las computadoras portátiles y los juegos electrónicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro avance importante es la digitalización de las señales de sonido, proceso en el cual la frecuencia y la amplitud de una señal de sonido se codifica digitalmente mediante técnicas de muestreo adecuadas, es decir, técnicas para medir la amplitud de la señal a intervalos muy cortos. La música grabada de forma digital, como la de los discos compactos, se caracteriza por una fidelidad que no era posible alcanzar con los métodos de grabación directa.

La electrónica médica a llegado hasta a sistemas que pueden diferenciar aún más los órganos del cuerpo humano. Se han desarrollado asimismo dispositivos que permiten ver los vasos sanguíneos y el sistema respiratorio. También la alta definición promete sustituir a numerosos procesos fotográficos al eliminar la necesidad de utilizar plata.

La investigación actual dirigida a aumentar la velocidad y capacidad de las computadoras se centra sobre todo en la mejora de la tecnología de los circuitos integrados y en el desarrollo de componentes de conmutación aún más rápidos. Se han construido circuitos integrados a gran escala que contienen varios centenares de miles de componentes en un solo chip. Han llegado a fabricarse computadoras que alcanzan altísimas velocidades en las cuales los semiconductores son reemplazados por circuitos superconductores que utilizan las uniones de Josephson y que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto.

CIRCUITOS INTEGRADOS ESPECIALES

Hoy día, para cualquier tipo de circuito que necesitemos, es muy probable que podamos encontrar algún modelo de circuito integrado que realice la misma función o parte de ella. Así, ya hemos visto que podemos encontrar osciladores, multivibradores y reguladores de tensión, como el 723, que forman parte de la electrónica integrada.

Los diferentes modelos de los circuitos integrados son numerosísimos y, por ello, resulta algo complicado saber exactamente cuál de todos los que existen se acoplará mejor a nuestro diseño. Existen muchos catálogos de diferentes fabricantes, en los cuales suelen estar especificadas las aplicaciones de cada circuito integrado. Pero uno de los factores más importantes, que raramente viene reflejado en estos catálogos, es el tipo y cantidad de dispositivos externos que vamos a necesitar para realizar la función que deseemos con el circuito integrado. A pesar de todo ello, con un poco de experiencia en manejar estos catálogos seremos capaces de conseguir encontrar el circuito integrado que nos va a resultar más útil, bien para realizar la aplicación concreta que necesitemos o bien para facilitarla, realizando parte de las funciones que deseemos.

Como ya sabemos, el número de tipos diferentes de circuitos integrados es inmenso y resulta muy difícil conocerlos todos. Vamos a intentar conocer un poco más a fondo algunos de ellos. Al haber tantos tipos de circuitos integrados las clasificaciones que se pueden hacer de ellos también son numerosas. Una de estas clasificaciones divide a los c.i. en tres tipos: analógicos o lineales, digitales y c.i. de gran consumo (radio, TV, etc.). Los circuitos integrados lineales son aquellos que admiten para la entrada un rango de señales dentro del cual se pueden tomar infinitos valores válidos, al igual que sucede en la salida. Los circuitos integrados digitales, como veremos más adelante, sólo admiten un conjunto finito de valores de entrada, siendo normalmente "dos" los elementos de dicho conjunto. Los circuitos lineales tienen que cumplir bastantes condiciones, a veces es necesario diseñar uno de estos circuitos sabiendo de antemano la función que va a desempeñar; aunque este tipo de fabricación resulta muy cara y, como ya vimos, al hacer muchos circuitos en serie el precio se abarata mucho. Por esta razón, normalmente se fabrican circuitos integrados muy versátiles de forma que un solo c.i. pueda ser empleado para realizar diferentes tipos de funciones.

El VCO

Un circuito integrado muy extendido es el VCO. Se trata de un generador de funciones de precisión. VCO son las siglas, en inglés, de este circuito integrado, que significan: voltage controlled oscilator. Un circuito integrado ICL8038 es un generador de funciones con el cual podemos generar señales con una gran exactitud y pueden ser formas sinusoidales, cuadradas, triangulares, dientes de sierra e impulsos. Para todo ello sólo se necesita el circuito integrado nombrado anteriormente y muy pocos componentes externos. Una aplicación muy importante de los VCO es su utilización en sintetizadores. Los VCO son el núcleo de un sintetizador. La estabilidad de todo el instrumento va a depender de las prestaciones del VCO. Entre las principales características de un VCO se encuentra la de poder seleccionar externamente la frecuencia en la que vamos a trabajar, pudiendo obtener un amplio margen de frecuencias útiles entre 0,001 Hz y 300 Hz. Esta selección se puede efectuar mediante resistencias y condensadores.





El XR2206 es también un generador de funciones integrado. Con él podemos obtener a la salida una señal sinusoidal, cuadrada, triangular, del tipo diente de sierra o un tren de pulsos. Es bastante estable frente a las variaciones de temperatura y tiene una gran precisión. En estos circuitos, al igual que en los VCO, tenemos un amplio margen de frecuencias válidas, que va desde 0,01 Hz a más de 1 MHz y puede ajustarse externamente. Es posible, asimismo, modular la señal de salida en amplitud o frecuencia usando una tensión exterior. Este circuito integrado es bastante utilizado para comunicaciones e instrumentación, y, cuando necesitamos un tono sinusoidal modulado en FM o AM, también se utiliza. Podemos desplazar la frecuencia de oscilación usando una tensión de control exterior. Al hacer esto vamos a introducir un pequeño factor de distorsión pero que va a ser tan pequeño que nos merece la pena esta pequeña desventaja frente a los beneficios que produce. Estos circuitos integrados están formados por cuatro bloques: un VCO (oscilador controlado por tensión), un multiplicador analógico y configurador de onda, un amplificador de ganancia y un conjunto de interruptores de corriente. Las principales características de estos c.i. son su baja distorsión de la señal y una excelente estabilidad. Como ya hemos visto, también tienen un amplio desplazamiento de frecuencia, baja sensibilidad frente a variaciones en la alimentación y un alto margen de tensión de alimentación. Suelen ser usados como generadores de ondas sinusoidales, cuadradas, triangulares, etc. Generadores de AM y FM, generadores de tono, convertidores de tensión a frecuencia, etcétera.

Comparador de tensión

Ya sabemos que con un amplificador operacional unido a unos dispositivos externos, resistencias en su mayoría, podíamos construir un comparador de tensiones. También tenemos una serie de circuitos integrados, los LM710, que son comparadores de tensión de alta velocidad. Se han diseñado para ser utilizados en sensores digitales de precisión y también para reemplazar a los amplificadores operacionales que realizaban la función de comparar tensiones cuando necesitemos una alta velocidad de respuesta. Esta familia dispone de una entrada diferencia y tiene unos niveles de saturación que los hacen compatibles con la gran mayoría de las familias lógicas. Es un circuito integrado bastante estable frente a los cambios de temperatura. Está formado por un chip de silicio dopado con oro, siendo este tipo de dopaje el que hace que estos circuitos sean mucho más rápidos que los amplificadores operacionales. Además, no se pueden comparar las grandes ventajas que tienen los circuitos integrados debido a sus mínimas dimensiones y capacidad del cableado con las de los circuitos discretos que realizan la misma función. Entre las aplicaciones de los LM710 cabe destacar las siguientes: se pueden usar como moduladores del ancho de pulsos, comparadores de tensiones, convertidores A/D de alta velocidad y sensores de funcionamiento en equipos automáticos de medida. También hay algunas aplicaciones para estos circuitos integrados dentro de los sistemas digitales. Debido a su bajo coste suelen ser bastante utilizados.


El PLL

El nombre de PLL viene de las siglas de su denominación en inglés, Phase Locked Loop. Al hablar de un PLL nos estamos refiriendo a un circuito realimentado. Cuando hablamos del lazo del PLL debemos pensar que éste se comporta como cualquier servo o sistema de retroalimentación de lazo cerrado. El lazo está formado por un filtro, un detector de fase y un VCO. Dentro de un PLL también vamos a encontrar dos divisores, que suelen ser muy necesarios. Por ejemplo, podemos usar el PLL en un sistema de comunicación de datos para obtener un reloj estable y libre de fluctuaciones a partir de una entrada muy fluctuante. Si tenemos una variación cuya amplitud es muy grande, va a ser necesario dividir el reloj de entrada para reducir la amplitud de dicha variación y que ésta sea menor que un intervalo de tiempo.

esquema de un PLL

Otro ejemplo podría ser utilizar el PLL como sintetizador de frecuencia. Pero los divisores pueden traer algunos problemas, ya que si le introducimos un factor de división grande en el lazo de retroalimentación se puede reducir bastante la ganancia del lazo, y esto va a provocar un retroceso en la respuesta para cualquier cambio que se produzca en la entrada. Por lo tanto, los grandes divisores se deben evitar dentro del lazo de realimentación. Muchos de estos circuitos no tienen un comportamiento lineal debido a que la salida del detector de fase no es proporcional al error de fase y la frecuencia del VCO de salida tampoco guarda una relación lineal con el voltaje de control. Pero, en la mayoría de los casos, los PLL se comportan como un circuito lineal y así los vamos a ver.

Unos de los componentes más utilizados en los lazos de realimentación son los detectores de fase. Los detectores de fase, como su propio nombre indica, son capaces de determinar el desfase existente entre dos señales. Existe una gran variedad de ellos, de los que destacaremos los siguientes: detectores de fase muestreo y retención, detectores de fase de tipo discriminador, detectores de fase de tipo multiplicador y detectores de fase digitales. Dependiendo de la aplicación para la que vayamos a usar el PLL tendremos que ponerle un detector de fase u otro, ya que no hay uno que sea el mejor sino que depende del uso que le demos al circuito. Para elegir un detector u otro hay que tener en cuenta, principalmente, dos factores: el tipo de señal de entrada y el intervalo de error de fase de entrada en el cual la salida es lineal. Dependiendo del tipo de señal de entrada que le vamos a aplicar al PLL vamos a usar un tipo de detector de fase u otro ya que, por ejemplo, una entrada cosenoidal y una entrada digital requieren detectores de fase diferentes. Por otro parte, según sea el intervalo de error de fase de la entrada en el cual la salida es lineal también vamos a usar un detector de fase u otro. Cuanto más amplio sea dicho intervalo más útil va a ser el detector de fase para controlar el lazo y además el ruido va a afectar menos. Los detectores de fase de tipo multiplicador y los digitales son los que más se utilizan. Los primeros son útiles cuando la señal de entrada es de tipo cosenoidal y los segundos, como su nombre indica, son usados para señales de entrada de tipo digital.

Oscilador controlado por voltaje

Dentro del lazo de realimentación de un PLL aparte de un filtro y de un detector de fase se encuentra un VCO. Como ya sabemos, los VCO son osciladores controlados por voltaje. Hay varios tipos de VCO que se pueden usar en los PLL: osciladores de cristal, osciladores LC y multivibradores RC. Al igual que con los detectores de fase vamos a usar un VCO u otro dependiendo del tipo de aplicación que le vayamos a dar al PLL. Los dos factores que tenemos que analizar para elegir el tipo de VCO más adecuado son la estabilidad de fase y el intervalo de control. La frecuencia del VCO está sujeta a la señal de entrada, pero la relación de fase de salida del oscilador con la entrada va a depender de la frecuencia natural del oscilador. Por lo tanto, va a influir mucho el tipo de VCO que pongamos. La frecuencia natural de oscilación va a variar con la temperatura, el tiempo y el ruido de la entrada, produciéndose un cambio en la fase de salida que si es muy grande puede llegar a perderse la sujeción. Por lo tanto, para tener una buena estabilidad, la frecuencia del VCO debe ser lo menos variable posible frente a la temperatura, tiempo y ruido. Por otro lado, es conveniente que el VCO esté relacionado en un rango de frecuencias lo más grande posible, debido a que cuanto mayor sea el intervalo de control resulta más fácil para el lazo mantener dicho control.

PLL con un detector de fase y un detector de frecuencia

Estos dos factores no se pueden conseguir a la vez, es decir, tenemos que tener un compromiso para ver que precisamos más en cada aplicación debido a que si el intervalo de control es muy grande, la estabilidad de la fase frente al ruido y los cambios de temperatura va a ser bastante mala, y, al revés, si tenemos una estabilidad muy buena el intervalo de control será pequeño. Los osciladores de cristal son los más estables pero su intervalo de control resulta bastante pequeño. Son usados en los sintetizadores de frecuencia y en los sincronizadores de reloj. Sin embargo los multivibradores RC tienen un intervalo de control mucho más grande pero su estabilidad frente a los posibles cambios no es tan buena. Son utilizados como demoduladores de FM y decodificadores de tono.

Como ya hemos señalado, el ruido en la entrada de un PLL es un factor que, junto con la temperatura o el envejecimiento de los dispositivos, puede desestabilizar el circuito. Al hablar del ruido nos estamos refiriendo a señales no deseadas que se mezclan con la señal de entrada y pueden llegar a conseguir que no sepamos de qué tipo es la señal de entrada, o el tiempo de duración. Una característica muy importante en los PLL es el ancho de banda del ruido. Según la aplicación para la que vayamos a usar el PLL tenemos que decidir el ancho de banda de ruido.


Seguidor de modulación diseñado con un PLL

Normalmente tenemos dos tipos de PLL, unos de seguimiento de portadora y otros de seguimiento de modulación. Con los primeros podemos recobrar, por ejemplo, el reloj de la señal de entrada. Este reloj debe tener una modulación en frecuencia o en fase o una cantidad considerable de ruido y debido a esto debe tener una banda pasante lo más estrecha posible. Los otros tipos de PLL son los de seguimiento de modulación: trabajan como discriminadores, la salida del filtro debe reproducir el espectro de la banda base y la modulación en frecuencia o en fase. En este segundo caso, el ancho de banda del lazo debe ser más ancho que la mayor frecuencia moduladora. Un factor importante dentro del tratamiento del ruido es el umbral de ruido en los PLL. Hemos supuesto que, a pesar de tener ruido en la entrada, el lazo sigue "sujeto" y esto no es cierto del todo. Si ese ruido supera un cierto valor, denominado umbral de ruido, el lazo va a comenzar a perder ciclos y puede llegar a perder "la sujeción" pasando a no comportarse linealmente. El umbral de ruido de un PLL depende de la estructura de su lazo, más concretamente del detector de fase y del filtro. Otro factor que también tenemos que tener en cuenta para el buen funcionamiento del lazo en presencia de ruido de entrada es el espectro de frecuencia. Si nos mantenemos dentro de un rango de frecuencias adecuado, el lazo tolerará bastante bien el ruido, pero si nos salimos de ese rango tendremos muchos más problemas.

Un ejemplo de circuito integrado tipo PLL es el LM565. El lazo de realimentación de este PLL está formado por un VCO, un amplificador operacional que tiene una resistencia conectada a la salida y un detector de fase, que es de tipo multiplicador, como en la mayoría de los circuitos integrados monolíticos PLL. Al usar este tipo de detector de fase tenemos que asegurar que los notables cambios en la frecuencia de entrada no provoquen alteraciones muy grandes en la salida del detector. Este PLL puede tener varias aplicaciones, entre las que se encuentra su uso como seguidor de modulación.


Diagrama de bloques interno de un LM565

Los PLL son muy utilizados dentro de la electrónica tanto analógica como digital. Entre sus aplicaciones más comunes se encuentran los sintetizadores de frecuencia, demoduladores de frecuencia y fase, moduladores de amplitud coherente, decodificadores de tono, sincronizadores de bits, etc. Los PLL son usados como sintetizadores de frecuencia en los sistemas de comunicación que necesitan frecuencias de portadora en intervalos discretos para espacios fijos entre canales, como, por ejemplo, la banda de canal UHF. El PLL que vamos a utilizar en este tipo de aplicaciones lleva un contador programable en el lazo de realimentación. Otra de las aplicaciones de los PLL son los decodificadores de tono que usan el principio de que si el ancho de banda del lazo de un PLL es pequeño sólo se podrá tener una indicación de sujeción si la frecuencia de entrada es muy próxima al centro de la frecuencia natural del VCO. Por lo tanto, para detectar un tono la frecuencia central del VCO debe estar ajustada a dicho tono, por lo que vamos a necesitar un PLL para cada uno de los tonos que queramos detectar. Otro tipo de aplicación consiste en obtener una señal demodulada partiendo de una modulada.