Electrónica análoga. Alfredo José Constaín Aragón
pines (patas) por los que se introducen, sacan y se refieren las señales. Tanto el transistor BJT como el JFET amplifican voltaje y orriente. El diseñador deberá conocer los principios operativos de estos efectos útiles para poder utilizar estos componentes en sus diseños (Figura 1.5).
La unidad básica de circuito electrónico analógico es un amplificador, o sea, un conjunto de componentes alimentados por una fuente de potencia que magnificará una señal de entrada a la salida. Los componentes activos (que se encargan de partes de la amplificación) realizan una variación de las condiciones de la fuente para producir este efecto, lo que significa que que la amplificación como tal se hace a expensas de la energía de la fuente.
También habrá pérdidas por esta operación, por lo que se puede decir que un amplificador es un elemento real de conversión de energía en la cual la eficiencia es menor al 100% (Figura 1.6).
Ligados al funcionamiento de un amplificador están relacionados su distorsión y su límite de frecuencias, mostrados en la Figura 1.7.
1.1.3 Procedimientos orientados al dispositivo y procedimientos orientados al circuito
El nacimiento e infancia de los métodos de análisis de circuitos electrónicos estuvo muy ligado al concepto de modelo circuital cuadripolar (Figura 1.8) en el que se le dio gran énfasis a los detalles de la operación de los dispositivos en sí mismos, tratando de reflejarlos en conjuntos lineales de componentes ideales, tratados a priori como sistemas de Kirchhoff, descritos mediante ecuaciones de malla y nodo que relacionan entre sí un voltaje y una corriente de entrada (vs, is) y un voltaje y una corriente de salida (vRL, iL)
En este caso, por ejemplo, mediante parámetros “h”{2} se relacionan estas funciones así:
De esta forma, con hi, hr, hf y ho se quiere brindar información completa sobre la operación de un determinado dispositivo, modelado como cuadripolo. Tradicionalmente para los transistores, que se pueden seleccionar en tres tipos de montajes{3}, se plantean tres tipos de cuadripolo, lo que indica que se tendrán 12 parámetros cuadripolares para poder trabajar diseños complejos que comprendan las diferentes posibilidades{4} (Figura 1.9).
A esta dificultad nemotécnica se agrega un problema de fondo como es el de la dificultad de ciertos circuitos (aun muy simples) para ser modelados matemáticamente mediante ecuaciones simultáneas de malla o nodo. En las Figuras 1.10 a y b se muestran las dos configuraciones de transistor Bipolar (BJT): colector común y base común, modeladas con los elementos cuadripolares de emisor común, en las cuales se puede observar la presencia de nodos sobre los cuales se deben aplicar ecuaciones simultaneas de Kirchhoff, lo que de entrada impone trabajo analítico.
Este tipo de aproximaciones, en las que priman los detalles de los dispositivos y sus descripciones exhaustivas mediante ecuaciones cuadripolares simultáneas, se han denominado corrientemente “Método orientado al dispositivo”. En este tipo de aproximaciones, hacer una aplicación a conceptos más difíciles como el de Realimentación (retroalimentación) se dificulta enormemente por las exigencias que se encuentran en los acoples o interconexiones.
Una alternativa a este enfoque es el llamado “Método orientado al circuito”, en el que los detalles de cada dispositivo se omiten mediante la utilización de modelos físicos más sencillos (pero totalmente suficientes) y de esquemas de realimentación negativa, tomados como principios, no como puntos de llegada. Aquí hay que enfatizar que cuando se aplica sistemáticamente realimentación negativa en un circuito electrónico, bien sea de polarización (condiciones de DC) o de señal (condiciones de AC) el efecto de esta modificación es disminuir la distorsión y las alinealidades, ya que el efecto correctivo de una retroacción (la salida se invierte y se suma a la entrada, restando realmente) es proporcional al defecto (alinealidad), y por lo tanto este defecto se atenúa (resta) con mas vigor que las partes que no son defectuosas, que no son corregidas con tanto vigor.
En este tipo de aproximaciones, más eficientes, se puede garantizar la repetibilidad{5} y precisión de los diseños. Este es un tipo de tendencia en el diseño que es deseable, pues parte de bases inherentemente óptimas, y si el comienzo de una didáctica esta fundamentado sobre principios generales que garanticen la precisión y fiabilidad de los circuitos, pues esa es una didáctica deseable. Normalmente en el desarrollo de la Ingeniería se cree que la precisión de un diseño esta fincada en que las ecuaciones que lo fundamentan sean muy complejas. Todo lo contrario, en la medida en que una teoría sea sencilla y que ella esté enteramente fincada en la realidad, esa es una aproximación exacta1.
Los diseños basados en modelos simbólicos (físicos) de los dispositivos activos (transistores BJT y FET) ayudan grandemente a introducir los conceptos de realimentación negativa al poner el esfuerzo, no en plantear las ecuaciones, sino en comprender cómo actúan los circuitos y, por otra parte, la aplicación sistemática, desde un principio, de la realimentación negativa apoya la obtención de diseños optimizados, que concuerdan en un gran porcentaje con los montajes experimentales correspondientes que el estudiante haga en el laboratorio. El resultado final es entonces un conjunto de métodos que dan al estudiante una comprensión apropiada y una gran confianza en la calidad de sus trabajos{6}.
Es necesario remarcar que las unidades básicas de construcción de los circuitos, los llamados “dispositivos activos”, o sea, aquellos componentes individuales que dan ganancia a partir de la modulación (variación dirigida) de una potencia eléctrica dada desde una fuente, son en realidad conjuntos internos de junturas PN, diodos semiconductores que funcionan como conmutadores (switches on-off). Entonces, el arsenal del diseñador de circuitos electrónicos dependerá de cómo cada uno de ellos maneje esas junturas PN. La técnica electrónica depende de muchas junturas PN interconectadas, funcionando simultáneamente de forma tal como lo desea el diseñador.
En el enfoque presentado, el concepto de “repetibilidad” es esencial. Se entiende como que si se “repite” el circuito varias veces el resultado será muy parecido (pequeña dispersión) o que si se monta un mismo circuito con diferentes dispositivos, igualmente el resultado de todos ellos será muy parecido. Por este mismo camino se podrá garantizar que el cuadro de especificaciones de un circuito real será muy parecido con las especificaciones de partida, lo que significa que se tendrá “conformidad” en el diseño.
1.1.4 Dispositivos activos, modelos convencionales y configuraciones
Los dispositivos activos pueden ser elementos discretos como transistores o elementos integrados como dispositivos Amplificadores Operacionales o la gran gama de componentes análogos y digitales a disposición del diseñador de electrónica. Con frecuencia, un mismo elemento discreto puede tener una diferente gama de presentaciones de encapsulado, dependiendo de su capacidad de manejo de potencia, configuración para adaptación a disipadores y carcasas, entre otros factores. Los encapsulados más comunes se dividen en dos categorías: encapsulados para montaje superficial (Surface mount) y encapsulados para montaje doble capa (Through-hole). Una lista completa se presenta a continuación.