Ó TEMA 4. DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS EN CONMUTACIÓN

TEMA 4. DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Ó
EN CONMUTACIÓN
4.1. Conmutación de diodos y transistores
4.2. Etapas inversoras fundamentales
4.3. Implementación de circuitos digitales básicos

Introducción
Electrónica Digital: los circuitos trabajan con señales que sólo toman dos valores: 0 ó 1.
Los os dispositivos d spos os electrónicos e ec ó cos van a a trabajar abaja entre e t e dos estados, que corresponderán co espo de á a
cada uno de esos valores. Hemos de especificar qué estados de funcionamiento
representan al 0 y al 1 en cada uno de los dispositivos.
Típicamente los valores lógicos se representan por tensiones, asignando un cierto
rango de tensiones al valor lógico “0” y otro rango bien diferenciado al valor lógico “1”.
Lo habitual es que si un circuito digital se alimenta entre 0 y V CC ó V DD, esos rangos de
tensiones sean:
V CC o V DD V
“1”
“0”
0 V
TTambién bié es posible ibl representar t los l valores l ló lógicos i mediante di t otras t magnitudes it d fí físicas, i
como la corriente, o la frecuencia o la fase de una señal.

4.1. Conmutación de diodos y transistores
Los dispositivos trabajan entre dos estados (puntos de funcionamiento) muy
alejados entre sí, uno correspondiente al 0 y otro correspondiente al 1. Son
llos estados t d dde corte t (OFF) y conducción d ió (ON). (ON)
Estados de corte y conducción en una unión PN
- Estado de conducción (ON): directa
V PN
V
I elevada
(tensión baja)
V > V
P N
- Estado de corte (OFF): ( ) inversa V < V VPN V
I nula
(tensión negativa alta)
P N
x
II0 0
I

Estados de corte y conducción en un transistor bipolar
Transistor bipolar p-n-p:
V BE
V CE
Transistor bipolar n-p-n:
V BE
V CE
Estado de conducción (ON):
· V VCE 0 , I IC
0
· 0 V VBE y si es suficientemente negativo, el
Estado de corte (OFF):
V , I 0
· CE 0 C
· V VBE V V
Estado de conducción (ON):
transistor estará en saturación.
· VCE 0 , IC 0
· VBE V 0 y si es suficientemente positivo, el
Estado de corte (OFF):
V , I 0
· CE 0
· BE
V V
C
transistor estará en saturación.

Estados de corte y conducción en un MOSFET
MOSFET canal N (de realce):
V GS
V DS
Estado de conducción (ON):
V , I 0
· 0
DS
MOSFET canal N (de vaciamiento):
V GS
V DS
· VGS VT 0 , ( VT 0 )
Estado de corte (OFF): ( )
· VDS 0 , ID 0
V V , ( V 0 )
· GS T
D
Estado de conducción (ON):
V , I 0
· DS 0
·V · VGS V VT
D
( V VT 0 )
Estado de corte (OFF):
V , I 0
· DS 0
· VGS VT
D
T
, ( V 0 )
T

MOSFET canal P (de realce):
V GS
V DS
MOSFET canal P (de vaciamiento):
V GS
Estado de conducción (ON):
· VDS 0 , ID 0
· V GS V T 0 ,( , ( V T 0 )
Estado de corte (OFF):
V , I 0
· DS 0
· V VGS V VT
D
, ( V 0 )
Estado de conducción (ON): ( )
V , I 0
· DS 0
· VGS VT
VDS ( VT 0 )
Estado de corte (OFF):
V , I 0
· DS 0
· VGS VT
D
D
T
, ( V 0 )
T

Conmutación
Se dice que q un dispositivo p trabaja j en conmutación cuando partiendo p de un ppunto
de funcionamiento
estático es desplazado bruscamente hacia otro punto de funcionamiento estático, este último
suficientemente alejado del primero como para que no sea válido un análisis lineal. Este desplazamiento es
típicamente entre los estados de corte (OFF) y saturación (ON) en transistores bipolares y corte (OFF) y
región g lineal (ON) ( ) en los de efecto de campo. p
IC
Región de saturación
(estado ON)
IB4> B4 IB3 B3
Región g de corte
(estado OFF)
Región activa
IB3> IB2
IB2> IB1
IB1>0
ICO (1+F) IB=0
V VCE CE
Características de salida de un transistor n-p-n
25
20
15
10
5
0
ID(mA) Región de conducción
(estado ON)
NNo
Saturación
Saturación
2
Región de corte
(estado OFF)
4
6
VGS=1V
VGS=0.5V
VGS=0.25V
VGS=0V
Características de salida del MOSFET
VGS=-0.25V
GS
VGS=-0.5V
La salida de los circuitos digitales con transistores es típicamente la
tensión V CE en un BJT ó V DS en un MOSFET
8
VDS(V)

4.2. Etapas inversoras fundamentales
Inversor con transistor bipolar
V I
I B
R B
B
V CC
C
Q
E
R C V VCC V 0
V 0
V
“1” V CC
“0” 0
VI V
transistor en corte V o VCC
, IC
0
V V transistor saturado
I
CC
V VCC
V V
V
F I B IC
max
F
R R
B
V
Vo 0,
IC
R
CC
C
entrada 0 salida 1
entrada 1 salida 0
característica inversora
CC
C
V CC
V I
Consumo elevado
en R C cuando el
transistor está
saturado

Tiempos de retardo
El transistor bipolar p no cambia de estado ( (conmuta) ) en tiempo p nulo. Requiere q un tiempo p ppara readaptar p las
cargas en su interior, de modo que la salida cambia de estado con un cierto retardo respecto a la entrada.
V I
V 0
V CC
CC
V CC
I C
V CC /R C
t ON t OFF t ON t OFF
t ON tiempo de paso a conducción
t tOFF tiempo de paso a corte
(interesa que el transistor en el estado ON esté al borde de saturación: F I B I Cmax )
t
t
t

Los tiempos de retardo limitan la frecuencia máxima de funcionamiento de los
circ circuitos itos digitales digitales.
Al menos ha de cumplirse que T > tON + tOFF f < 1 / (tON + tOFF) V I
V 0
V CC
V CC
Ej Ejemplo l dde mal l ffuncionamiento i i t como iinversor al l ser T < t tON +t + tOFF t
t

V VI Inversor con transistor MOSFET
G
I D
D
S
V DD
R D
Q
V Vo V
V
I
o
V
V
GS
DS
Q conduce para
I
ID(mA)
3
VDD/RD
2
1
recta de carga
V R I V
DD
D
D
No saturación Saturación
ON
DS
VGS=4V
VGS=3V
VGS= VDD
“1” V DD
“0” 0
V o
V DD
Transistor cortado
Transistor saturado
Recta de carga Transistor
V GS=2V
0 2 4 6 8
VDD
V V 0 V V
GS
T
T
I
GS
T
VGS=VT
OFF VDD VDS(V)
V V transistor en corte Vo
VDD,
I D 0
V V transistor no saturado
I
DD
V
Vo 0,
I D
R
V T
no saturado
característica inversora
DD
D
Consumo elevado
en RD cuando el
transistor está en
el estado ON
V VI

Inversor CMOS
VI
VSS
G 2
G 1
Q N conduce para
Q P conduce para
V
V
S 2
D 2
D 1
S 1
QP
V0
GS1
GS 2
QN
V
V
TN
TP
0 V
0 V
I
I
“1” VSS “0” 0 0
V
V
TN
SS
V
TP
V
I
V VSS V 0
V
SS
V
TP
V TN
característica
inversora
(más próxima a la ideal)
V SS-|V TP|
Se diseña con
V I Q N Q P V o I
0

4.3. Implementación de circuitos digitales básicos
Añadiendo a los inversores algunos elementos adicionales (otros dispositivos u
otros inversores) para tener más entradas, es posible diseñar circuitos que
realicen diversas operaciones lógicas
Ejemplo 1: Añadir diodos como entradas al inversor con transistor bipolar
V1
V2
V3
D1
D2
D3
V
R
V0
“1” V
“0” 0
V1 2 3
o
V V V V V
V V V ó V ó V1 2 3 0 o
o dos de ellas o las tres
"
1"
"
Puerta AND de diodos
0 "
todos los diodos en corte
al menos un diodo conduce
Operación AND

Colocamos el circuito anterior como entrada de un inversor con transistor bipolar
V
V1
V2
V3
D1
VCC
D2
D3
A
RL
D01 D02
V V V I (transistor saturado) V 0 "
0 "
IB
VCC
1 2 3 CC B
o
todos los diodos en corte
Q
R
RC
V0
D 01 y D 02 aseguran que el
transistor esté en corte
cuando una entrada es 0
V1 ó V2
ó V3
0 VA
V
unión BE cortada transistor en corte Vo
VCC
"
1"
o dos de ellas o las tres (al menos un diodo conduce)
Puerta NAND DTL
Operación p NAND

Ejemplo 2: Unir varios inversores con transistor bipolar
V1
V2
Vm
RB
RB
V
VCC
RC
V0
V 0
“1” V VCC “0” 0
Se añaden inversores en paralelo p ( (o en serie) )
al inversor convencional con transistor bipolar
para tener más entradas
Transistores en paralelo:
- basta que uno conduzca para que la rama inferior conduzca
- sólo cuando todos estén cortados la rama inferior está en corte
Operación NOR
V 2 ... V m todos los transistores
cortados V o VCC
1
CC
ó V
ó ... ó V
V al menos un transistor saturado V 0 "
0 "
1 2
m CC
o
o varias
Puerta NOR RTL
"
1"