stem-electronica

name: stem-electronica description: Electrónica analógica y digital: diodos, transistores BJT/FET, amplificadores operacionales, retroalimentación, filtros, lógica booleana, flip-flops y convertidores A/D. tags: [stem, engineering, electronics]

Electrónica para Ingeniería

Referencias de autoridad

• Sedra & Smith: Microelectronic Circuits, 8ª edición, Oxford
• Millman & Halkias: Electronic Devices and Circuits, 3ª edición, McGraw-Hill
• Mano & Ciletti: Digital Design, 6ª edición, Pearson
• Razavi: Fundamentals of Microelectronics, 2ª edición, Wiley

Diodos

Diodo semiconductor

• Ecuación de Shockley: I = I_S(e^(V_D/nV_T) - 1)
• I_S = corriente de saturación inversa
• n = factor de emisión (1-2)
• V_T = kT/q ≈ 26 mV a 300K

Modelos del diodo

• Ideal: V_D = 0 si I > 0, I = 0 si V_D < 0
• Caída constante: V_D = V_on (0,7V Si, 0,3V Ge)
• Modelo lineal: V_D = V_on + I·r_d

Rectificadores

• Media onda: V_dc = V_p/π, V_r(pp) = V_p (sin filtro)
• Onda completa centro tap: V_dc = 2V_p/π
• Puente de diodos: V_dc = 2V_p/π (pierde 2V_on)
• Filtro capacitor: V_r(pp) ≈ V_p/(fRC) (media onda)
  • V_r(pp) ≈ V_p/(2fRC) (onda completa)

Diodo Zener

• Regulación: V_out ≈ V_Z cuando I_Z > I_Z(min)
• Resistencia serie: R = (V_in - V_Z)/I_Z
• Regulación: Z_Z = ΔV_Z/ΔI_Z (impedancia dinámica)

Transistores BJT

Configuraciones

• Emisor común (EC): alta ganancia de voltaje y corriente
• Colector común (CC): ganancia de voltaje ≈ 1, alta impedancia entrada
• Base común (BC): alta impedancia salida, buena a alta frecuencia

Polarización EC

• Divisor de tensión: R₁, R₂ establecen V_B
• V_B = V_CC·R₂/(R₁ + R₂)
• V_E = V_B - V_BE ≈ V_B - 0,7V
• I_C ≈ I_E = V_E/R_E
• V_CE = V_CC - I_C(R_C + R_E)

Modelo de pequeño signo

• g_m = I_C/V_T = transconductancia
• r_π = β/g_m = resistencia base-emisor
• r_o = V_A/I_C = resistencia de salida (Early)
• Ganancia EC: A_v = -g_m·(R_C || r_o) ≈ -g_m·R_C
• Ganancia CC (emisor seguidor): A_v ≈ 1

Curva de carga y punto Q

• Curva de carga DC: V_CE = V_CC - I_C·R_C
• Punto Q: punto de operación en reposo
• Centro de carga: V_CEQ = V_CC/2, I_CQ = V_CC/(2R_C)

Transistores FET

MOSFET (canal N)

• Región de corte: V_GS < V_th → I_D = 0
• Región lineal (triódica): V_GS > V_th, V_DS < V_GS - V_th
  • I_D = k[(V_GS - V_th)V_DS - V_DS²/2]
• Región de saturación: V_GS > V_th, V_DS ≥ V_GS - V_th
  • I_D = ½k(V_GS - V_th)²(1 + λV_DS)
  • k = μ_n·C_ox·W/L

JFET

• Región de saturación: I_D = I_DSS(1 - V_GS/V_P)²
• I_DSS = corriente de saturación (V_GS = 0)
• V_P = voltaje de pinch-off

Amplificador MOSFET EC

• Ganancia: A_v = -g_m·(R_D || r_o)
• Impedancia entrada: R_in = R_G (muy alta)
• Impedancia salida: R_out = R_D || r_o

Amplificadores operacionales

Op-amp ideal

• Ganancia en lazo abierto: A_OL → ∞
• Impedancia entrada: R_in → ∞
• Impedancia salida: R_out → 0
• Ancho de banda: ∞
• Offset: 0

Configuraciones básicas

• Inversor: A_v = -R₂/R₁, R_in = R₁
• No inversor: A_v = 1 + R₂/R₁, R_in → ∞
• Sumador: V_out = -(R_f/R₁·V₁ + R_f/R₂·V₂ + ...)
• Diferencial: V_out = (R₂/R₁)(V₂ - V₁) (si R₂/R₁ = R₄/R₃)
• Integrador: V_out = -1/(R₁C)∫V_in dt
• Derivador: V_out = -R₁C·dV_in/dt
• Comparador: V_out = V_CC si V+ > V-, V_out = -V_CC si V+ < V-

Retroalimentación

• Ganancia con feedback: A_f = A/(1 + Aβ)
• Ancho de banda con feedback: BW_f = BW·(1 + Aβ)
• Principio: feedback negativo → reduce ganancia pero mejora linealidad y ancho de banda

Op-amps reales

• Slew rate: SR = dV_out/dt|max (V/μs)
• Offset de entrada: V_OS (mV)
• CMRR: Common Mode Rejection Ratio (dB)
• GBW: Gain-Bandwidth Product (MHz)

Filtros

Filtros pasivos RC/RL

• Paso bajo RC: f_c = 1/(2πRC), A_v = 1/√(1 + (f/f_c)²)
• Paso alto RC: f_c = 1/(2πRC), A_v = (f/f_c)/√(1 + (f/f_c)²)

Filtros activos (Sallen-Key)

• Paso bajo 2º orden: A_v = K/(1 - (ω/ω₀)² + jω/(Qω₀))
• ω₀ = 1/√(R₁R₂C₁C₂)
• Q = factor de calidad
• Butterworth: Q = 0,707 (resp. plana)
• Chebyshev: Q > 0,707 (rippi en banda pasante)
• Atenuación: -40 dB/década (2º orden)

Frecuencias notables

• Corte: |A_v| = A_max/√2 = 0,707·A_max (-3 dB)
• Banda pasante: entre f_c_low y f_c_high

Electrónica digital

Álgebra booleana

• Leyes: A + 0 = A, A · 1 = A, A + A' = 1, A · A' = 0
• De Morgan: (A + B)' = A' · B', (A · B)' = A' + B'
• Dualidad: intercambiar + por · y 0 por 1

Puertas lógicas

• AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR
• XOR: A ⊕ B = A·B' + A'·B

Minimización

• Mapa de Karnaugh: 2, 3, 4 variables
• Quine-McCluskey: método algebraico sistemático

Flip-flops

• SR: Q(next) = S + R'·Q (R·S = 0)
• D: Q(next) = D
• JK: Q(next) = J·Q' + K'·Q
• T: Q(next) = T ⊕ Q (toggle si T = 1)

Contadores y registros

• Contador síncrono: todos los FF con el mismo reloj
• Contador asíncrono (ripple): clock del siguiente FF = salida del anterior
• Registro de desplazamiento: SER, SIPO, PISO, SIPO, PIPPO

Convertidores

• A/D (ADC):
  • Flash: 2ⁿ - 1 comparadores, más rápido
  • Doble rampa: precisa, lento
  • Successive Approximation (SAR): equilibrado
  • Resolución: V_ref/2ⁿ
• D/A (DAC):
  • Red R-2R: precisa, escalable
  • Resistencias ponderadas: simple, limitada resolución
  • Resolución: V_ref/2ⁿ

Errores comunes / Pitfalls

• Diodo: V_on = 0,7V para Si, 0,3V para Ge. No confundir
• BJT EC: A_v = -g_m·R_C. El signo negativo indica inversión de fase
• MOSFET: en saturación, I_D ∝ (V_GS - V_th)². NO confundir con región lineal
• Op-amp: el concepto de "virtual short" (V+ = V-) solo aplica con feedback negativo
• Filtros: f_c = 1/(2πRC). No olvidar el 2π
• ADC: resolución = V_ref/2ⁿ. Para n = 12, V_ref = 5V: resolución = 1,22 mV

Verificación

• Diodo: I = I_S(e^(V_D/nV_T) - 1). Verificar V_T = 26 mV a 300K
• BJT EC: g_m = I_C/26mV. r_π = β/g_m
• MOSFET saturación: V_DS ≥ V_GS - V_th
• Op-amp inversor: A_v = -R₂/R₁. Verificar con R₁ = R₂: A_v = -1
• Filtro RC: f_c = 1/(2πRC). Verificar: [1/(Ω·F)] = [1/s⁻¹] = Hz ✓
• ADC: resolución = V_ref/2ⁿ. n = 10, V_ref = 5V: 4,88 mV