Los circuitos integrados

LOS CIRCUITOS
INTEGRADOS
Tutorial de Electrónica

Introducción
Los circuitos integrados
2
Los circuitos integrados son circuitos "comprimidos" en un chip que
realizan la misma función que un circuito compuesto de transistores,
diodos, resistencias, etc., cuyo número puede llegar a superar el
millón de componentes.

El boom de los c.i.
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Con la aparición de los circuitos integrados (c.i.) a finales de la
década de los años cincuenta se ha producido un cambio total en la
forma de fabricar los circuitos electrónicos. El factor más importante
de este cambio es la gran reducción que se ha conseguido en el
tamaño de dichos circuitos. Esta reducción ha traído consigo que
todos los aparatos electrónicos sean mucho más pequeños y más
manejables para todo el mundo y de ahí viene el gran "boom" de los
ordenadores en la últimas décadas, así como de las calculadoras,
relojes, etc.

¿Qué es exactamente un c.i.?
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Podemos llamarles a un circuito integrado (c.i.) a un circuito
electrónico metido en una cápsula de dimensiones muy reducidas, y
que está constituido por un conjunto de diodos, transistores,
resistencias y condensadores.
Se fabrica todo sobre un sustrato común y en un mismo proceso,
según diferentes técnicas que más adelante veremos. Lo importante
es que cada c.i. puede desempeñar una función concreta sin
interesarnos los componentes que contiene en su interior.

LA NORMALIZACIÓN EN LOS
C.I.
Los circuitos integrados 5

La normalización en los c.i.
6
Puede parecer complicado al principio, pero el tema de las
normalizaciones que rodea al mundo de los integrados, bien en
encapsulados o bien en cuanto a zócalos y conexiones, es sencillo si
se enfoca desde un punto de vista práctico.
Toda la gama de circuitos integrados disponibles se engloba dentro de
cierta familia o apartado. Podemos ver una primera subdivisión de los
circuitos integrados en función de su aplicación específica. Una
segunda clasificación podría ser aquella que nos permite clasificar los
chips según estos se dividan por el tipo de encapsulado. Pero a
pesar de existir cierta norma, los fabricantes suelen hacer sus propias
subclasificaciones, lo cual suele desembocar en un más que
aparente caos.

La normalización en los c.i.
7
Conviene aclarar que la forma en que se aplican la normalización en
los encapsulados a los circuitos integrados ha motivado en los últimos
años la aparición en el mercado electrónico de conjuntos de
componentes discretos típicos -como, por ejemplo, las resistencias-
que han aprovechado la "normativa" impuesta por los chips en su
propio beneficio, acogiéndose a los tamaños y encapsulados de
aquellos, lo cual simplifica diseños y facilita la colocación de ingentes
cantidades de componentes en un espacio bastante reducido. Por
esta razón no debe sorprendernos encontrar un "aparente" chip o
circuito integrado dentro de un moderno circuito y que tal chip no es
más que un conjunto de 8 ó 10 resistencias de idéntico valor óhmico,
con lo que esto representa en cuanto a ahorro, tanto en la parte
económica como en la de espacio, cuestión a tener muy en cuenta en
el diseño electrónico moderno.

Los integrados según sea su
aplicación
8
Podríamos decir que por cada aplicación específica que se nos ocurra
y que haya sido diseñada en forma de componentes discretos –es
decir, no integrados- existe un circuito monolítico capaz de
implementar la misma función. Esto, como es lógico, no deja de ser
una pequeña exageración pero lo que no es menos cierto es que la
evolución tecnológica y el abaratamiento de costes de los circuitos
integrados hacen que aparezcan más y más modelos de circuitos
integrados cada día.
No es extraño que la evolución tecnológica tienda a esto: ¿a quién no
le encantaría realizar una pequeña aplicación electrónica y meterla
luego dentro de un encapsulado único y fácil de colocar en cualquier
circuito? Podemos avanzar que esto es ya una realidad para el
aficionado a la electrónica, pero esto... es ya otra historia.

Tipos de chips o integrados
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Dentro de la familia de los circuitos integrados disponibles hoy
en día en el mercado -no olvidemos que esto varía en horas-
podemos encontrar tras apartados fundamentales:
1º) Circuitos integrados lineales.
2º) Circuitos integrados digitales.
3º) Circuitos de tipo híbrido.

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Puede que ésta no sea la división perfecta, pero nos servirá para los
fines didácticos que perseguimos.
De una lado tenemos los circuitos lineales, denominación que
normalmente se aplica a circuitos integrados de uso específico y que
no se englobe en el amplio grupo de las aplicaciones digitales. Puede
decirse que esta gama de circuitos reproduce comportamientos
implementables con circuitería analógica de tipo discreto. Por poner
un ejemplo, los amplificadores operacionales pueden ser reproducidos
transistor a transistor de forma independiente, lo cual, hoy en día,
parece un asunto fuera de toda lógica.
Por otro lado, los circuitos integrados digitales se dedican a trabajar
con señales de tipo "todo o nada" o "cero y uno", asunto este
dedicado, casi en exclusividad, al mundo de los ordenadores y la
informática.

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En último lugar aparecen una gama de circuitos integrados a los que
hemos dado en denominar híbridos. Esta familia abarca toda la gama
de integrados que no puede colocarse de forma contundente a un lado
u otro dentro de los dos grupos anteriores.
Para poder tener una idea más clara de a qué grupo pertenece cada
circuito integrado vamos a abordar unos ejemplos dentro de cada
grupo comentado.

Circuitos lineales: analógicos
12
Queda claro que las aplicaciones de carácter analógico han precedido,
de forma histórica, a las de carácter digital. Por esta razón cabría
pensar que la realización de integrados de tipo analógico pasa sólo por
el trámite de colocar un circuito que opere correctamente con
componentes discretos y encapsularlo en un formato monolítico.
Además de esto es preciso que dicho circuito sea rentable, tanto en el
campo económico como en el de la prosperidad de futuras
aplicaciones para el mismo.
Queda claro que las aplicaciones de carácter analógico han precedido,
de forma histórica, a las de carácter digital. Por esta razón cabría
pensar que la realización de integrados de tipo analógico pasa sólo por
el trámite de colocar un circuito que opere correctamente con
componentes discretos y encapsularlo en un formato monolítico.
Además de esto es preciso que dicho circuito sea rentable, tanto en el
campo económico como en el de la prosperidad de futuras
aplicaciones para el mismo.

Circuitos lineales: analógicos
13
Como ejemplo ya mencionado destaca el amplificador operacional,
pero hay otros tan interesantes como éste. Podemos mencionar los
amplificadores integrados que equipan tanto los modernos equipos de
radiocasete para coche como los equipos Hi-Fi caseros. También
destacan los integrados destinados a los equipos de recepción (y
emisión) de radio, TV y comunicaciones en general.
Otro campo de aplicación de los integrados lineales es el de los
sensores integrados, aunque este apartado lo comparten con los
circuitos de tipo híbrido que luego comentaremos.

Circuitos digitales: bit a bit
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La parte mínima de un circuito digital está introducida en un chip y
responde a la denominación de puerta lógica. Es posible, cómo no,
implementar esta misma puerta en modo de componentes discretos.
Una puerta lógica, como ya veremos, realiza la parte más sencilla de
la operativa de un circuito digital. Por ejemplo, cuando introducimos un
cero lógico (por ejemplo, cero voltios) en una puerta que realice la
función lógica "inversor" obtendremos en la salida de dicho chip un
uno lógico ( +5 V si trabajamos en norma TTL ). Además de estas
sencillas funciones los circuitos digitales pueden contener: Funciones
lógicas complejas, memoria volátil y no volátil, Unidad Central de
Proceso o CPU, microcontroladores, registros de desplazamiento, etc.

Circuitos híbridos
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Los "circuitos híbridos» pertenecen circuitos tales como los
convertidores de nivel, los convertidores A/D o sus homónimos D/A.
Un convertidor de nivel será, por ejemplo, aquel que está destinado a
compatibilizar las diferentes familias lógicas. Por comentar un caso
claro, la familia de circuitos digitales denominada TTL responde a
niveles lógicos típicos de 0 = cero voltios y 1 = cinco voltios, mientras
que los niveles típicos de la familia lógica CMOS son de 0 = cero voltios
y 1 = depende de la alimentación.
Queda claro que para intercambiar datos entre un formato y otro
deberemos utilizar un tipo de chip que nos permita convertir niveles,
con lo cual queda clara la aplicación de estos.

PRINCIPALES
CARACTERÍSTICAS DE LOS
C.I

Principales características de
los c.i.
17
Cuando se desea realizar el diseño de un circuito lógico es
preciso tener en cuenta qué características del mismo van a ser
las más importantes. Dichas condiciones vendrán determinadas
por las propias particularidades de los elementos a emplear y,
básicamente, de los circuitos integrados. Por lo tanto, el diseño
de circuitos queda reducido al acoplamiento entre bloques
funcionales, no siendo necesario a partir de componentes
discretos.

Principales características de
los c.i.
18
El diseño del circuito funcional consiste en elegir el tipo de circuito que
mejor satisfaga todos los requisitos que nosotros hayamos impuesto, y,
para ello, es necesario conocer las cualidades de cada uno de los
componentes que lo van a integrar. Enumeraremos, pues, las
características principales que definen a una puerta lógica o
circuito integrado:
 Características de transferencia.
 Características de entrada.
 Características de salida.
 Características en régimen transitorio.
 Capacidad de carga.
Analizaremos, así mismo, cada una de estas características a
continuación.

Características de
transferencia
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Fijada la tensión de alimentación, la temperatura y el número de
puertas conectadas a la salida de nuestra puerta experimental, la
curva que relaciona la tensión de entrada y la de salida será única, si
no tenemos en cuenta las tolerancias de los componentes que la
forman. De esta curva destacan una serie de valores que debemos
que tener en cuenta:
 VIL: es la tensión de entrada requerida para un nivel lógico bajo
en la entrada de la puerta. Es decir, será el valor máximo de
tensión permisible para el 0. (Consideraremos siempre que
estamos en lógica positiva).
 VIH: es la tensión de entrada necesaria para obtener un nivel alto
a la entrada de la puerta. Al contrario que el valor anterior, éste será
la tensión mínima permisible para tener un 1.
 VOL: es la tensión de salida de la puerta en nivel bajo.
 VOH: es la tensión de salida en nivel alto.

Características de entrada
20
Estas características son necesarias para sacar el mayor rendimiento
posible de las puertas lógicas, sobre todo cuando intentamos utilizar el
circuito integrado cerca de los márgenes garantizados, o bien cuando
intentamos conectar puertas de diferentes familias. Como en el caso
anterior, tenemos dos valores fundamentales, que se utilizarán para
los distintos diseños:
 IIL: es la corriente que sale por la entrada de una puerta cuando se
encuentra a nivel bajo.
 IIH: es la corriente que entra por la entrada de una puerta cuando se
halla a nivel alto.
La corriente de entrada a nivel bajo está determinada por la tensión de
alimentación y la resistencia. Así mismo, la corriente a nivel alto viene
definida por la ganancia inversa de corriente del transistor de entrada.
Hay que tener en cuenta que, a la hora de hallar el cálculo algebraico
de estas corrientes, puede aparecer algún signo negativo, su
significado viene dado por el convenio de que las corrientes entrantes

Características de salida
21
Normalmente, la tensión de salida de una puerta se establece como
resultado de combinar las características intensidad-tensión de
salida de esa puerta con las propias de entrada de las siguientes
puertas conectadas a ella.
Caben destacar dos valores:
1. IOL: es la corriente de salida que entra cuando ésta se halla a
nivel bajo. En algunos fabricantes la podemos encontrar como
Isink.
2. IOH: también llamada Isource, es la corriente que fluye cuando la
salida se encuentra a nivel alto.

Características en régimen
transitorio
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La velocidad de conmutación de las puertas es una de las
características más destacables, ya que permitirá que nuestro sistema
reaccione con mayor o menor rapidez. Esta velocidad puede venir
definida de diversas maneras, utilizando los distintos tiempos de
respuesta que existen:
 tpHL: es el tiempo de retraso en una transición a la salida desde un
nivel alto a un nivel bajo.
 tpLH: es idéntico al anterior pero cuando hay una transición de
nivel bajo a alto.
 tr: llamado también tiempo de subida, nos mide el momento en
que la señal pasa desde un 10% del valor final hasta el instante que
alcanza el 90%, en una transición de nivel bajo a alto.
 tf: o tiempo de bajada, que es igual al anterior pero en un cambio
de nivel alto a bajo.

Capacidad de carga
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Cuando se acopla la salida de una puerta con varias entradas de
otras, hay que tener en cuenta la capacidad de salida de esa puerta
en función de las otras puertas que constituyen la carga. Para ello, es
necesario conocer los valores correspondientes a las intensidades de
entrada y salida.
Cuando las puertas excitadas son análogas a la excitadora, al máximo
número de puertas que ésta puede soportar, permaneciendo los
niveles en los márgenes garantizados, se le llama fan-out o
capacidad de salida.
Análogamente, la capacidad de entrada o fan-in de una puerta es la
medida de cuánto carga una de sus entradas al circuito excitador.
En caso de que estemos ante lógicas distintas, este valor ya no nos
será de gran utilidad, aunque podamos interconectar puertas con
diferente diseño. Uno de los problemas que se pueden presentar es
que cada tipo de lógica tiene distintos niveles de tensión para el nivel
alto y el bajo. En este caso no es posible realizar un acoplamiento
directo sino que habrá que poner algo por medio para poder efectuar
la interconexión.

TIPOS DE
ENCAPSULADOS

Tipos de encapsulados
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27

28

Otros encapsulados
29

VENTAJAS E
INCONVENIENTES DE LOS
C.I.

Ventajas e inconvenientes de los
c.i.
31
Además de su reducido tamaño, los circuitos integrados tienen
numerosas ventajas. Una de las consecuencias de la implantación de
los c.i., a la que apenas se le ha dado importancia, es que ahora las
personas que se dedican a diseñar, fabricar, manipular aparatos
electrónicos han tenido que cambiar por completo su mentalidad y su
preparación. Ya no es tan necesario saber perfectamente de que está
compuesto el circuito, ni hay que preocuparse de las múltiples
conexiones que antes tenía cualquier aparato; sin embargo, hay que
saber manejar aparatos más sofisticados, como osciloscopios,
ordenadores, etc.

c.i.
32
Dentro de un solo circuito integrado van "integrados", como su
nombre indica, numerosos componentes, resistencias, transistores,
diodos, etc., que juntos desempeñan una función. Pues bien, de ese
c.i. nos interesa saber la función que realiza y cómo se acopla al
aparato que estemos fabricando, y prácticamente no nos interesa
nada como está constituido interiormente, ni sus conexiones, ni los
elementos que lo forman, ni la función que desempeña cada uno de
ellos individualmente. Por lo tanto, los c.i. forman parte de circuitos
electrónicos cuyo coste total es más barato al ser más fácil su
diseño.

Esquema e integración de
componentes en un c.i.
33

c.i.
34
Como hemos visto, un circuito integrado contiene muchos
componentes electrónicos y, aunque la fabricación de cada c.i.
resulte más cara que la de un componente discreto, es tal la
popularidad de los c.i. debido a sus grandes ventajas, que se
construyen un número elevadísimo de ellos cada vez, consiguiendo
así que el precio de cada unidad sea bastante bajo.
Otra de las metas que continuamente tienen los diseñadores de
circuitos electrónicos es conseguir aumentar la velocidad de
respuesta de sus componentes. Esto, como cabe esperar, se
consigue totalmente con los c.i., ya que, al estar todos los elementos
en un espacio tan reducido, las señales pasan rápidamente de unos
a otros aumentándose así la velocidad considerablemente.

c.i.
35
Los aparatos realizados con c.i. son los más fiables por varios
motivos; primero, porque en los fabricados con componentes
discretos tenemos que juntar la fiabilidad de cada uno de los
elementos que componen el circuito para obtener la fiabilidad total
que tiene; segundo, porque se utilizan técnicas de fabricación muy
modernas, muy estudiadas y se fabrican con muchísima
minuciosidad en cada una de las fases por las que pasan. Al ser
mucho más reducido el espacio de interconexión, las posibilidades
de fallo son mucho menores y, por último, debemos pensar en el
encapsulado de este tipo de c.i., que hace que estén mucho más
protegidos.

c.i.
36
Al sustituir los circuitos integrados a un montón de "piezas" dentro
de un circuito conseguimos varias cosas: primero se produce una
reducción muy importante en los errores de montaje, ya que este
suele ser sencillo y con pocas conexiones; al producirse una avería
la localizamos mucho mejor y no es necesario tener un montón de
repuestos de cada elemento. Por último, y aunque en principio
pueda parecer un inconveniente, sabemos que cuando se produce
una avería en un c.i. es muy difícil de solucionar y suele ser
necesario reemplazarlo por otro nuevo, esto supone una ventaja
debido al tiempo, materiales y conocimiento del funcionamiento
interno que nos ahorramos y, como hemos visto antes, el coste de
un c.i. no es muy elevado.

c.i.
37
A pesar de su enorme utilización, no todo son ventajas en estos
diminutos elementos. Existen algunos inconvenientes, aunque no
tan importantes como para conseguir influir en la enorme
popularidad de los circuitos integrados. Entre los inconvenientes
podemos decir que no todos los elementos discretos que conocemos
pueden ser integrados en un c.i. Así, las bobinas o inductancias no
se pueden integrar, y con las resistencias y los condensadores
tenemos limitaciones en los valores que pueden alcanzar, debido a
que cuanto mayor sea el c.i. mucho mayor será su coste. Por esta
razón, una resistencia suele estar limitada a tener como mucho 50
kW y un condensador 100 pF. Debido a esta limitación, estos
elementos, condensadores y resistencias, se sacan muchas veces
fuera de los c.i. y al montar el circuito los conectamos exteriormente.

c.i.
38
También se produce un inconveniente al no ser muy recomendable
integrar juntos transistores PNP y NPN, ya que hay muchos
circuitos que están compuestos de ambos tipos de transistores. La
tensión que le podemos aplicar también está limitada, siendo
recomendable que el valor de ésta no exceda los 20 voltios. Antes,
hemos dicho que el precio de un circuito integrado era bastante
reducido y esto no es cierto del todo, ya que para que esto sea
verdad tenemos que cumplir una condición, y es que el circuito
integrado que queramos sea fabricado en grandes cantidades, pues
si queremos uno especial que nos tengan que fabricar a medida
resulta carísimo.

c.i.
39
Por último, dentro de los inconvenientes podemos tener problemas
con la potencia disipada, ya que, al estar los elementos tan juntos,
las corrientes grandes pueden producir calor y, al aumentar mucho
la temperatura, se puede llegar a estropear el circuito.

Mejoras gracias a los c.i.
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Una de las aplicaciones de los c.i. que ha crecido más
espectacularmente en los últimos años ha sido la de los
microprocesadores. Un microprocesador es un c.i. compuesto por
una de las partes más importantes de un ordenador: la CPU, unidad
central de proceso. Como todos los c.i., el microprocesador tiene un
tamaño muy reducido.

41
Gracias al tamaño reducido, y a otros avances tecnológicos, se ha
conseguido pasar, en pocos años, de las grandes computadoras
que ocupaban habitaciones enteras y eran muy difíciles de manejar
- por lo que necesitaban de profesionales muy cualificados que
dedicaran muchísimas horas para hacer pequeñas operaciones -, a
los ordenadores personales, PC, muchísimo más pequeños,
manejables, fáciles de usar y económicos, por lo que han pasado a
formar parte de todas las facetas de la vida: medicina, banca,
industria, investigación, etc.

42
La importancia de los c.i. es incalculable y cada día que pasa se van
reduciendo más sus dimensiones y aumentando su velocidad de
respuesta.

Clasificación de los c.i.
43
Podemos hacer varios tipos de clasificaciones según el criterio que
usemos. Una de estas clasificaciones está basada en el tipo de
transistores que empleemos. Así, podemos tener un c.i. bipolar, si
se fabrica a base de transistores bipolares, NPN y PNP, y circuitos
integrados MOS, si lo que se usan son transistores de efecto campo
más conocidos como MOS. Según la manera de fabricar un c.i.
podemos encontrar circuitos integrados monolíticos, en los cuales
se forman todos los componentes a la vez en el substrato
semiconductor. Circuitos integrados multiláminas, formados por
capas gruesas, o circuitos integrados de capas delgadas. Y, por
último, dentro de esta clasificación podemos encontrar los circuitos
híbridos, que combinan la fabricación monolítica con la de
multilámina o la de capas delgadas.

Clasificación de los c.i.
44
Según el número de componentes que contengan podemos dividir
los circuitos integrados en SSI (Small Scale Integrated), formados
por pocos componentes, MSI (Mediun Scale Integrated), varios
cientos de componentes, LSI (Large Scale Integrated), miles de
componentes y los VLSI (Very Large Scale Integrated), que han
superado el millón de componentes.
Por último, si tenemos en cuenta el tipo de señales con las que van
a trabajar los circuitos integrados, podemos encontrar c.i. digitales
que, como su nombre indica, trabajan con señales digitales y los c.i.
analógicos, que trabajan con señales analógicas. Después
veremos más detalladamente cada uno de los tipos de circuitos
integrados.

FABRICACIÓN DE UN
CIRCUITO INTEGRADO

Fabricación de un circuito
integrado
46
En los circuitos integrados monolíticos todos los componentes se
encuentran en una sola pastilla de silicio. Para fabricar un circuito
integrado monolítico se parte de una lámina de silicio denominada
"oblea", la cual, a su vez, está dividida en un gran número de
plaquetas cuadradas o chips, cada uno de los cuales va a constituir
un c.i. Por lo tanto, con una oblea estamos fabricando a la vez un
montón de c.i.

integrado
47
Se suele partir de un semiconductor tipo P y por la técnica de la
epitaxia vamos a colocar encima una capa de silicio tipo N.
Para este proceso se utiliza un horno epitaxial. Este tipo de
crecimiento nos va a asegurar que la región tipo N que acabamos
de añadir tiene estructura de un solo cristal, al igual que la región
tipo P de la que partíamos.

integrado
48
Seguidamente, le vamos a colocar una capa de óxido a la oblea,
para ello la metemos en un horno de oxidación formándose una
capa delgada de dióxido de silicio (SiO2) que recubre a la oblea y
cuyas funciones más importantes van a ser la de proteger al circuito
contra la contaminación.
La siguiente etapa se denomina fotoprotección. Consiste en colocar
una sustancia orgánica que sea sensible a la luz ultravioleta,
denominada fotoprotector, sobre la capa de óxido. En esta capa se
coloca una máscara que tiene unas ventanas opacas en la zona
donde vamos a realizar la siguiente difusión, por ejemplo, si
queremos integrar un transistor NPN tenemos que tener bien
definidas tres regiones: el colector, la base y el emisor. Estas tres
zonas determinarán cómo será la máscara y dónde tendrá las
ventanas opacas. Exponemos la oblea a rayos ultravioleta y el
barniz fotosensible que había debajo de las ventanas se va a
eliminar y va a aparecer la capa de dióxido de silicio.

integrado
49

integrado
50
Después atacamos a la oblea con ácido fluorhídrico y las zonas
de SiO2 que han quedado al descubierto se van a destruir
quedando ahora al descubierto la capa de material tipo N.
El siguiente paso es realizar una difusión tipo P. Metemos la oblea
en un horno de difusión y le introducimos gran cantidad de
impurezas tipo P. Vamos a convertir en tipo P la zona que quedaba
al descubierto de la capa epitaxial tipo N.
Hemos conseguido aislar una zona tipo N, que ha quedado rodeada
por semiconductor tipo P y por dióxido de silicio. Si estuviésemos
haciendo un transistor, esta zona aislada podría ser, por ejemplo, el
colector. Volvemos a repetir el proceso de oxidación y de
fotoprotección y colocamos unas máscaras diferentes, por ejemplo,
para formar la base.

integrado
51
Difundimos nuevamente impurezas tipo P. Para formar el emisor
repetiríamos todos los pasos pero con la diferencia de que al final
añadiríamos impurezas tipo N.
Para conectar todas las regiones se suele usar una película delgada
de un material conductor por ejemplo el aluminio. Volvemos a
poner una capa de oxidación y un fotoprotector y la máscara que
colocamos ahora tiene ventanas que nos van a permitir que se
realicen las conexiones eléctricas, por ejemplo, entre la base y el
colector. Después de realizar la metalización y una vez que las
conexiones eléctricas se hayan hecho, cortamos los diferentes chips
de la oblea.

integrado
52
Después de separados, realizamos las conexiones necesarias de
cada chip con las patillas de la cápsula que va a contener el circuito
integrado, estas conexiones se realizan soldando hilo de aluminio
muy delgado. Para acabar, metemos el chip dentro de la cápsula
que lo va a proteger, y ya hemos conseguido fabricar un circuito
integrado.

Aislamiento de los elementos de
un c.i.
53
Dentro de un circuito integrado tenemos un montón de
componentes, pudiendo llegar hasta un millón. Estos componentes
pueden ser de diferentes tipos: resistencias, transistores,
condensadores, etc., o del mismo tipo. Una de las necesidades que
se nos presenta es separar los elementos, no físicamente ya que
todos forman parte del mismo circuito integrado, sino que han de
ser aislados eléctricamente para que cada uno se pueda seguir
comportando según sus características, es decir, que, por ejemplo,
los transistores sean exactamente iguales y cumplan las mismas
propiedades que tiene un transistor discreto (que no forma parte de
un circuito integrado).

un c.i.
54
Hay varias formas de conseguir el aislamiento eléctrico entre los
diferentes elementos que componen un circuito integrado: la más
usada de todas ellas, debido a lo económica que resulta, es la
denominada "aislamiento de unión". Supongamos que queremos
separar dos transistores, este método consiste en polarizar
inversamente las regiones N y P y, al no circular corriente, se
produce el deseado aislamiento eléctrico entre los dos transistores.

un c.i.
55
Otra forma es usando dióxido de silicio, SiO2, recubriendo cada
región de colector de cada uno de los transistores, el dióxido de
silicio se comporta como un aislador. Por último, hay un tipo de
aislamiento denominado "tipo viga" que es parecido al aislamiento
de unión. La diferencia radica en que en el tipo viga, al realizar la
metalización, se forma una capa muy gruesa encima de la oblea.
Después se remueve el silicio que sobra en el sustrato tipo P. Se
forma una estructura con los circuitos conectados semirrígidamente
y todos los elementos separados unos de otros.

Tecnología de película delgada y
gruesa
56
En los circuitos integrados monolíticos hemos visto que se forman
todos los componentes a la vez en un substrato semiconductor.
En la tecnología de película delgada y en la de película gruesa no
ocurre esto. Las resistencias y condensadores de valores pequeños
se fabrican en el sustrato, pero las resistencias y los condensadores
de valores grandes y algunos circuitos monolíticos son exteriores al
chip y se conectan formando un circuito híbrido. Este tipo de
circuitos tiene una peculiaridad y es que no se forman sobre la
superficie de un semiconductor sino que lo hacen sobre un material
aislante que puede ser vidrio o un material cerámico.

Tecnología de película delgada y
gruesa
57
La técnica de fabricación de películas delgadas consiste en ir
haciendo una deposición por medio de una evaporación al vacío o
pulverización catódica. La superficie que contiene el sustrato
actúa como el ánodo, y el material que se va depositando por la
deposición como cátodo. Los pasos para el procesamiento de un
circuito integrado por tecnología de película delgada son muy
similares a los que hemos explicado de los circuitos monolíticos.
En la tecnología de película gruesa se utiliza un circuito impreso
sobre el cual se van a depositar las resistencias, condensadores,
etc. Una de las ventajas de esta tecnología es que resulta más
barata que la de película delgada.

Resumen del sumario
58
1.-Denominamos c.i. a un circuito electrónico metido en una
cápsula muy pequeña y que está constituido por muchos
componentes diferentes.
2.-De un c.i. nos interesa saber la función que realiza y cómo se
acopla al resto del circuito.
3.-Un microprocesador es un c.i. compuesto principalmente por la
CPU, unidad central de proceso de un ordenador.
4.-Para fabricar un circuito integrado monolítico se parte de una
lámina de silicio denominada "oblea".
5.-los VLSI son circuitos integrados que han superado el millón de
componentes.
6.-Los c.i. de capas delgadas se forman sobre un vidrio o un
material cerámico.

Modelos de circuitos
integrados59

Introducción
60
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.

Modelos de c.i.
61
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.

Modelos de c.i.
62
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.).

Modelos de c.i.
63
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
64
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 (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, solo 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

El VCO
65
También podemos modular la frecuencia y el barrido con una
tensión externa. Los VCO tienen un amplio margen de
temperaturas para las que se consigue una salida estable. Si los
conectamos con un PLL, todavía se puede reducir más la deriva en
temperatura. Otra característica importante es que con un VCO
podemos obtener simultáneamente en la salida señales tipo seno,
triangular y coseno. Si la salida es sinusoidal se produce una
distorsión baja y normalmente la tensión que se obtiene a la salida
es elevada. Además de todas estas cualidades, su manejo es
bastante fácil y podemos conseguir que funcione perfectamente con
unos pocos componentes externos.

El XR2206
66
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.

El XR2206
67
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, etc.

Comparador de tensión
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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
diferencial y tiene unos niveles de saturación que la hacen compatible
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.

Comparador de tensión
69
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
70
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 este 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 esta sea menor que un intervalo de tiempo.

El PLL
71
Otro ejemplo podría ser utilizar el PLL como sintetizador de
frecuencia. Pero los divisores pueden traer algunos problemas, ya
que si 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.

El PLL
72
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.

El PLL
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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 otra 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.

El PLL
74
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.

El PLL
75
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 perder 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.

El PLL
76
Estos dos factores no se pueden conseguir a la vez, es decir,
tenemos que tener un compromiso para ver qué 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.

El PLL
77
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.

El PLL
78
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 PLL
79
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.

El PLL
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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.

El PLL
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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.

El PLL
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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, solo 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.

Fin del Tutorial
83

Los circuitos integrados

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