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Mecánicas LABORATORIO- Hoja 1 de 9. FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ANALÓGICOS (23414). ASIGNATURA: Fundamentos de Circuitos Analógicos –1 Sem 2016 PRÁCTICA DE LABORATORIO:

POLARIZACION Y AMPLIFICACION DE UN

CÓDIGO: 23414 NO.: 04

AMPLIFICADOR EN FUENTE COMUN

INTRODUCCIÓN En esta práctica se desarrollará la construcción de un amplificador fuente común usando los transistores MOS comerciales del CD4007. El estudio teórico y comparación con la experimentación permitirán reforzar algunos conceptos como ganancia, rangos de entrada y excursión a la salida, nivel de DC, análisis de pequeña señal entre otros. LISTA DE MATERIALES REQUERIDOS       

1 integrado CD4007 Datasheet del CD4007 (debe llevarse al laboratorio IMPRESO) Resistencias de 10k, 50k Ohmios. Condensadores monolíticos: 33 nF, 0.1 uF y 1 uF de 30 V. Potenciómetro de 100k Ohmios. Protoboard y cables de conexión de varios tamaños. Equipo de cómputo con PSpice instalado (o similar). MARCO TEORICO

En la teoría se aprende como un mosfet puede ser configurado como un amplificador fuente común. La selección de un punto de polarización adecuado en la característica de transferencia es muy importante para asegurar una buena amplificación y reducir la distorsión presente permitiendo al mismo tiempo una buena oscilación en el voltaje de salida. En la presente práctica se aprenderá como polarizar adecuadamente un transistor NMOS en una configuración de fuente común y utilizar este circuito para amplificar una señal de entrada. Polarización La configuración fuente común con un transistor NMOS se muestra en la Figura 1. La polarización se realiza mediante la fijación de la tensión en la puerta con un divisor de voltaje y el uso de una resistencia en la fuente 𝑅𝑆 . Esta resistencia proporciona una retroalimentación negativa y estabiliza la corriente de polarización como una función de las variaciones de temperatura y las características del transistor. Este es un esquema de polarización popular para circuitos de transistores discretos. Hay otros métodos de polarización, tales como el uso de una resistencia de realimentación entre drenador y puerta, o utilizar una fuente de corriente constante. Este último es muy popular en los circuitos integrados, para esta práctica se enfocara en el primer método ilustrado en la figura 1. Tenga en cuenta Para una correcta polarización podemos usar la siguiente regla. Se selecciona la resistencia 𝑅𝑆 de manera tal que el voltaje 𝑉𝑆 en el terminal de fuente este entre un tercio y un quinto de la tensión suministrada 𝑉𝐷𝐷 . La resistencia 𝑅𝐷 se selecciona de manera tal que la tensión en el drenador 𝑉𝐷 sea el promedio entre 𝑉𝐷𝐷 y 𝑉𝑆 . Esto se hace para que la señal en el drenador tenga una oscilación de salida relativamente grande y simétrica. LABORATORIODE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ANALÓGICOS (23414) Segundo Semestre de 2015

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Estas dos condiciones le darán los valores de 𝑅𝑆 y 𝑅𝐷 para una corriente 𝐼𝐷 específica. Puesto que el transistor está operando en la región de saturación sabemos que la relación entre la corriente y la tensión está dada por 1

𝐼𝐷 = 2 𝑘′𝑛

𝑊 𝐿

𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡

2

𝐶𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑉𝐷𝑆 > (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡 )

(1)

Por lo tanto para obtener una determinada corriente de polarización 𝐼𝐷 tenemos que aplicar una tensión entre puesta y surtidor 𝑉𝐺𝑆 igual a 𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝑡 +

2𝐼𝐷 𝑘′ 𝑛

(2)

𝑊 𝐿

Entonces la correspondiente tensión en la puerta 𝑉𝐺 es igual a 𝑉𝐺 = 𝑉𝑆 + 𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝑆 + 𝑉𝑡 +


(3)

𝑊 𝐿

Una vez conocida la tensión en la puerta 𝑉𝐺 , se pueden encontrar los valores de las resistencias 𝑅𝐺1 y 𝑅𝐺2 . Escogemos las resistencias de manera tal que el paralelo de las resistencias sea relativamente grandes para asegurar una grande resistencia de entrada y evitar efectos de la carga de la fuente 𝑅𝐼𝑁 = 𝑅𝐺1 || 𝑅𝐺2. El factor (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡 ) se llama la tensión de saturación y corresponde a la mínima tensión entre drenador y fuente requerida para mantener el transistor en saturación. 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡 =


𝑊 𝐿

= 𝑉𝐷𝑆𝑎𝑡

(4)

Para estar en un punto adecuado de operación y que la amplificación funcione debe asegurarse de que la tensión en el drenador no sea más baja que 𝑉𝐷 > 𝑉𝑆 + 𝑉𝐷𝑆𝑎𝑡 = 𝑉𝐺 − 𝑉𝑡

(5)

Esta tensión determinará la oscilación del voltaje de salida.

Figura 1. Amplificador fuente común, polarizado a través de un divisor de voltaje y una resistencia en la fuente. La señal de entrada Vsig es acoplada a la puerta a través de una capacitor de acople Cc1.

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Amplificación Para las frecuencias de interés se puede asumir que los condensadores actúan como un corto circuito, así el análisis en pequeña señal para determinar ciertos parámetros importantes queda dado según la figura 2a. El transistor puede ser reemplazado por su circuito equivalente de pequeña señal como se ilustra en la figura 2b.

La Figura 2 (a) circuito análisis pequeña señal configuración fuente común y la Figura 2 (b) modelo equivalente pequeña señal del transistor. Una de las características más importantes de un transistor es su transconductancia 𝑔𝑚 que es una medida de la cantidad de corriente que varía a la salida cuando el voltaje 𝑉𝐺𝑆 varía. La transconductancia 𝑔𝑚 se puede calcular de la siguiente manera

𝑔𝑚 =

𝜕𝐼𝐷 𝑊 |𝑄 = 𝑘 ′ 𝑛 𝑉 − 𝑉𝑡 = 𝜕𝑉𝐺𝑆 𝐿 𝐺𝑆 𝑔𝑚 = 𝑉

2𝐼𝐷 𝐺𝑆 − 𝑉𝑡

2𝐼𝐷 𝑘 ′ 𝑛

𝑊 𝐿

(6)

La resistencia de salida 𝑟𝑜 viene dado por la relación entre la tensión de Early (= 1 / λ) sobre la corriente de polarización (7)

𝑟𝑜 = 𝑉𝐴 / 𝐼𝐷 = 1 / 𝜆𝐼𝐷 Se puede calcular fácilmente la expresión de la amplificación 𝐴𝑣 𝐴𝑣 = −𝑔𝑚 𝑅𝐷 𝑅𝐿 𝑟𝑜 ≈ −𝑔𝑚 𝑅𝐷 ||𝑅𝐿

(8)

La última aproximación supone que 𝑟𝑜 >>𝑅𝐷 || 𝑅𝐿 .La ganancia de tensión en circuito abierto 𝐴𝑣𝑜 es la ganancia cuando se retira 𝑅𝐿 , esta ganancia queda dada como 𝐴𝑣𝑜 = −𝑔𝑚 𝑅𝐷 . En caso de que la fuente de señal tenga una resistencia interna 𝑅𝑠𝑖𝑔 (no mostrado en la Fig. 1 y 2), el valor de la amplificación queda dado por 𝐴𝑣 = −

𝑅𝐺 𝑅𝐺 +𝑅𝑠𝑖𝑔

𝑔𝑚 𝑅𝐷 𝑅𝐿 𝑟𝑜 ≈ −

𝑅𝐺 𝑅𝐺 +𝑅𝑠𝑖𝑔

𝑔𝑚 𝑅𝐷 ||𝑅𝐿 (9)

Observe que la resistencia interna forma un divisor de tensión con la resistencia 𝑅𝐺 = 𝑅𝐺1 ||𝑅𝐺2 que atenúa la señal de entrada. Es por ello esto que debemos mantener el paralelo 𝑅𝐺1 || 𝑅𝐺2 grande en comparación con 𝑅𝑆𝑖𝑔 (ver la sección de polarización). La resistencia de entrada del amplificador es igual a 𝑅𝐺 = 𝑅𝐺1 ||𝑅𝐺2 y la resistencia de salida 𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑟𝑜 || 𝑅𝐷 . Para un amplificador de tensión se desea mantener una resistencia de entrada grande y una resistencia de salida pequeña. Para el amplificador en fuente común, la resistencia de entrada en grande. Sin embargo, la resistencia de salida LABORATORIODE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ANALÓGICOS (23414) Segundo Semestre de 2015


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también es grande. Es por esta razón que se agrega una resistencia de carga RL en la salida y por lo tanto se reduce la amplificación. Con el fin de obtener una pequeña resistencia de salida, se puede añadir una configuración de dreno común (o seguidor de fuente) después del amplificador en fuente común. ACTIVIDADES PREVIAS AL LABORATORIO Las actividades de esta sección deben presentarse completamente desarrolladas al inicio de la práctica de laboratorio, ya que sin ellas NO se permitirá al estudiante iniciar la práctica y se penalizará su nota en esta práctica. 1. Lea la sección "polarización mediante la fijación de 𝑉𝐺 y la conexión de una resistencia en la Fuente" (sección 4.5.2) y "El Amplificador fuente común" (sección 4.7.3, Sedra-Smith, 5ª ed.). 2. ¿Qué es un capacitor de acoplamiento y cuál es su función? 3. Su tarea es diseñar el amplificador de fuente común de la figura 1 con una corriente de polarización 𝐼𝐷 = 0,6 mA. El voltaje de la fuente 𝑉𝑆 debe ser 3V y la tensión en el dreno 𝑉𝐷 debe ser elegidos de manera tal que este en el medio de 𝑉𝑆 y 𝑉𝐷𝐷 . La resistencia de entrada debe ser mayor que 15 kOhm. El transistor NMOS (integrado CD4007) tiene las siguientes características: 𝑉𝑡 = 1.2𝑉 𝑘𝑛′ 𝑊 / 𝐿 = 0.7 𝑚𝐴 / 𝑉 2 𝜆 = 0.004 𝑉 −1 0.5 𝛾 = 1.9 𝑉 (nota: Puesto que los terminales de fuente y cuerpo están cortocircuitados no se tendrá que utilizar para calcular la tensión de umbral). a. b. c. d. e.

Encontrar el valor de 𝑉𝐷 . Encontrar los valores de la resistencia 𝑅𝑆 y 𝑅𝐷 . Utilizando el valor de la resistencia 𝑅𝑆 encontrar 𝑉𝑆 y 𝑉𝐺 . Encontrar los valores de las resistencias 𝑅𝐺1 y 𝑅𝐺2 . ¿Cuál es la disipación total de potencia en el amplificador? (Pista: la disipación de potencia es 𝑉𝐷𝐷 ∗ 𝐼𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ).

4. Utilice los valores de las resistencias y la corriente de polarización, para calcular la amplificación del amplificador: a. Calcule el valor de la transconductancia 𝑔𝑚 y la resistencia de salida de pequeña señal 𝑟𝑜 . b. Asuma que no hay resistencia de carga 𝑅𝐿 , calcule el valor de 𝐴𝑣𝑜 . c. Calcular la ganancia de voltaje 𝐴𝑣 para el caso en que una resistencia de carga 𝑅𝐿 = 10 kOhm sea añadida como se ilustra en la Figura 1. d. Asuma que una resistencia en la fuente 𝑅𝑠𝑖𝑔 de 5 kOhm está presente, ¿cuál es el efecto sobre la amplificación? ¿Cuál es el valor de la ganancia de tensión con 𝑅𝑠𝑖𝑔 y 𝑅𝐿 presentes? e. ¿Cuál es la tensión mínima en la fuente con el fin de mantener el transistor en saturación? ¿Cuál es la oscilación de voltaje correspondiente? f. Resumir las características del amplificador en forma de tabla: corriente y voltajes en DC (𝐼𝐷 ,𝑉𝐷 y𝑉𝐷𝑚𝑖𝑛 ), la disipación de potencia total, transconductancia 𝑔𝑚 , resistencia de entrada 𝑅𝑖𝑛 , resistencia de salida 𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑅𝐷 || 𝑟𝑜 , la amplificación con y sin la resistencia de carga 𝑅𝐿 . Suponga que tiene una resistencia interna en fuente de señal despreciable. LABORATORIODE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ANALÓGICOS (23414) Segundo Semestre de 2015


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5. Verificar su diseño utilizando PSpice. Tendrá que usar un modelo para el transistor CD4007. Los modelos se pueden encontrar en la biblioteca ESE216LIB que puede ser descargada desde internet. Guarde los archivos cd4007.lib y cd4007.olb en su directorio. Los transistores se llaman nnmos para el NMOS y ppmos para el PMOS. Tendrá que añadir esta biblioteca al dibujar el esquemático. Además, al crear un nuevo Perfil de simulación, mientras se hace la simulación, tendrá que agregar la ruta y el nombre del archivo desde la biblioteca (en la pestaña Bibliotecas). Ver PSpice Primer, sección 4 en "Using and Adding Vendor Libraries". a. Implemente el esquema de la figura 1 sin la resistencia de carga 𝑅𝐿 y el condensador de acoplamiento 𝐶𝐶2 . Para el transistor es necesario haber agregado la librería del CD4007.Simular el circuito de la figura 1 (sin la resistencia de carga 𝑅𝐿 ). Hacer una simulación de polarización y encontrar los voltajes de DC en cada nodo y la corriente 𝐼𝐷 actual. Comparar los resultados con el calculado en el apartado 3. b. A continuación, hacer una simulación transitoria. Utilice como señal de entrada una fuente sinusoidal (Vsin) de 5 kHz de frecuencia y una amplitud de 0,2 V. Haga esto primero sin la resistencia de carga y después agregue una resistencia de carga RL de 10 kOhm. Encuentra la tensión de salida. ¿Cuál es la amplificación de tensión 𝐴𝑣𝑜 y 𝐴𝑣 ? Compare los resultados obtenidos la simulación con los cálculos realizados a mano. c. Realice un barrido de frecuencia (AC simulation) mediante la sustitución de la fuente de entrada por una fuente de AC Vac. Simule el circuito con la resistencia de carga de 10 k ohmios conectada. Realice el barrido desde una frecuencia de 10 Hz hasta 100 kHz. Encuentra la baja frecuencia de punto de corte. Trazar el diagrama de Bode de la amplificación. Determine frecuencia de corte y la frecuencia media de amplificación. ¿Qué relación encuentra con el resultado obtenido con respecto a la amplificación de la simulación transitoria? 6. Realice un resumen de los resultados obtenidos en la simulación en forma de tabla en una hoja aparte y entréguelo junto con los cálculos y las curas obtenidas en la simulación. Etiquete claramente cada gráfico. ACTIVIDADES EN EL LABORATORIO 1. Explicación previa. Preste atención a la discusión previa del circuito expuesta por el docente. 2. Montaje del amplificador fuente común en protoboard. Para el montaje en protoboard asegúrese de entender las conexiones internas del integrado y la manera correcta de realizar un montaje limpio y ordenado del circuito. a. Construya el circuito de la Figura 3. Use el transistor que está entre los pines 3, 4 y 5. Observe que hemos conectado el cuerpo (pin 7) al terminal de fuente (pin 5) del transistor NMOS. Esto se puede hacer ya que sólo estamos usando un solo transistor NMOS del integrado. La razón de cortocircuitar dreno con cuerpo es para eliminar el efecto cuerpo de la tensión de umbral. Para la resistencia de polarización 𝑅𝐺2 , utilice un potenciómetro de 100 kOhm. b. Mida la tensión de DC en el drenador. Es importante que esta tensión 𝑉𝐷 este entre los 9 o 10 V. Ajuste el potenciómetro 𝑅𝐺2 de modo que 𝑉𝐷 este alrededor LABORATORIODE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ANALÓGICOS (23414) Segundo Semestre de 2015


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de 9 voltios. Después de ajustar la tensión de la puerta, medir las tensiones en los terminales de puerta y fuente. ¿Cuál es la correspondiente corriente 𝐼𝐷 ?

Figura 3. Polarización configuración fuente común. c. A continuación, deberá utilizar el transistor como amplificador y medir su amplificación y su respuesta en frecuencia. También se estudiará el efecto de las resistencias de fuente y carga en la amplificación.

Figura 4. Amplificador fuente común. (Rsig es la resistencia interna de la fuente, está alrededor de los 50 Ohm). d. Modificar el circuito de la figura 3 mediante la adición de los capacitores CC1 y CS como se muestra en la Figura 4. Conectar una señal de entrada sinusoidal de amplitud de 0,2 V (0.4Vpp) y frecuencia de 5 kHz. e. Mida la oscilación de la tensión en el dreno usando el osciloscopio. Muestre 𝑉𝐷 en un canal y la tensión 𝑉𝑠𝑖𝑔 de entrada en el otro canal. Mida los valores pico a pico de la señal de entrada y de salida. ¿Cuál es la amplificación de circuito abierto 𝐴𝑣𝑜 ? Nótese la relación de fase. Tome fotos de los resultados para su informe. ¿Cómo se compara con los resultados obtenidos a mano? Se debe mencionar que las características del transistor pueden variar considerablemente de chip a chip. No es raro que los valores medidos difieran entre un 10-20% con respecto a las especificaciones. f. Aumente la amplitud de la señal de entrada y observe la señal de salida. ¿Cuándo inicia la señal de salida a distorsionarse? ¿Cuál es la variación máxima de tensión antes de que ocurra una distorsión considerable? LABORATORIODE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ANALÓGICOS (23414) Segundo Semestre de 2015


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g. Reduzca la señal de entrada de modo que la señal de salida se vea distorsionada. Medir la FFT de la señal de salida y determinar la distorsión armónica total. En cuantos dB de amplitud los armónicos están por debajo de la amplitud de la frecuencia fundamental. Tome una foto de la FFT (incluir la escala vertical en dB). h. Remueva el capacitor de acoplamiento 𝐶𝑆 . Mida la señal de salida. ¿Cuál es la amplificación? Observe el fuerte efecto de eliminar el condensador en la amplificación. Documente. i. Coloque el capacitor de acoplamiento 𝐶𝑆 . Añada el capacitor de acoplamiento 𝐶𝐶2 y la resistencia de carga 𝑅𝐿 como se muestra en la Figura 1. Utilice un valor 𝐶𝐶2 de 0,1 uF y para 𝑅𝐿 un valor de 10 kOhm. Mida el voltaje de salida Vo y la correspondiente amplificación. Observe que la tensión de DC se ha eliminado de la tensión de salida. ¿Qué pasó con la amplificación? Para su informe, incluya una breve discusión sobre el efecto de RL. j. Mida la respuesta en frecuencia del amplificador con la resistencia de carga conectada. Varié la frecuencia de la señal de entrada. A partir de 5 kHz reduzca la frecuencia hasta que la amplitud de la salida haya disminuido por un factor de 0.707 (o 3 dB). Registre esta frecuencia de 3 dB. ¿Cuál es la relación de fase entre la entrada y la señal de salida? A continuación aumente el valor de la frecuencia de entrada a partir de 5kHz hasta que la amplificación se reduzca a 0.707 de su valor. Tome este punto. ¿Cuál es el ancho de banda del amplificador? ¿Cuál es el producto ganancia-ancho de banda? Para su informe, ¿se puede explicar el valor medido del punto 3 dB de baja frecuencia? ¿Qué hace frecuencia de corte? BONUS. Amplificador fuente común con carga activa PMOS. Esta parte no es necesaria, pero se puede hacer para el crédito adicional. El objetivo de este experimento es reemplazar la resistencia 𝑅𝐷 conectada en el drenador por un transistor PMOS. A esto le llamamos una carga activa. La ventaja de hacer esto es: (1) la resistencia es más grande y por lo tanto una amplificación más grande; (2) sin necesidad de utilizar una resistencia. Este último es de particular importancia para el diseño de circuitos integrados, puesto que los valores altos de resistencias son difíciles de hacer y ocupan gran área. El transistor base de amplificación sigue siendo el NMOS. Sin embargo una fuente de corriente se ha sustituido por la resistencia 𝑅𝐷 , como se muestra en el esquemático de la Figura 6a. La resistencia 𝑅𝐺 establece la tensión 𝑉𝐺 en la puerta. Una fuente de corriente puede implementarse con un espejo de corriente PMOS como se ilustra en la Figura 6b.

Figura 6 (a) amplificador fuente común con una fuente de corriente como carga; (b) la fuente de corriente puede ser implementado por un espejo de corriente PMOS. LABORATORIODE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ANALÓGICOS (23414) Segundo Semestre de 2015


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Mediante la sustitución de la fuente de corriente por el espejo de corriente, se obtiene el amplificador con carga activacompleto como se ilustra en la Figura 7. También hemos añadido una resistencia de carga 𝑅𝐿 y un condensador de acoplamiento 𝐶𝐶2 .

Figura 7. Amplificador fuente común con carga activa. a) Construir el circuito de la figura 7. Por ahora no incluya la resistencia de carga 𝑅𝐿 y el capacitor de acople 𝐶𝐶2 . Los pines del IC CD4007 se dan en el esquema. Realice un montaje claro y ordenado en la protoboard. b) Medir las tensiones de DC 𝑉12 , 𝑉𝐷 y 𝑉𝐺 ¿Cuál es la corriente correspondiente 𝐼𝐷 = 𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 ? c) Aplique una fuente de entrada sinusoidal 𝑉𝑠𝑖𝑔 con amplitud de 50 mV y 5 kHz de frecuencia. Mida el voltaje de salida 𝑉𝐷 (no incluya la resistencia de carga ni 𝐶𝐶2 ). Puede ser necesario ajustar la amplitud de entrada para evitar la distorsión de la señal de salida. ¿Cuál es la amplificación de tensión en circuito abierto 𝐴𝑣𝑜 ? ¿Qué nota acerca de la magnitud de la amplificación, en comparación con los resultados obtenidos en el amplificador de la figura 1? d) Ahora conecte 𝐶𝑐2 y una resistencia de carga 𝑅𝐿 = 10 kOhm. Mida la tensión de salida 𝑉𝑜𝑢𝑡 . ¿Cuál es la amplificación? Observe el efecto de la carga en la amplificación. e) Para su informe analice el efecto de la carga activa en la amplificación. ¿Se puede calcular el valor de la amplificación? (Pista: sustituir 𝑅𝐷 en la expresión de amplificación (8) por el paralelo de las resistencias de salida de los transistores PMOS y NMOS. Suponga que el PMOS tiene las siguientes características: 𝑉𝑡 = -1 V; 𝑘𝑝 ′𝑊 / 𝐿 = 0,7 𝑚𝐴 / 𝑉 2 y 𝜆 = 0.035𝑉 −1 . 3. Preparación del informe Preste atención a las indicaciones del docente para el desarrollo y entrega del informe de la práctica. Referencias 1. "Microelectronic Circuits, Sedra, Smith, 5 th edition, Oxford University Press, New York, 2004. 2. "The Art of Electronics", Horowitz and Hill, Cambridge University Press. 3. "CD4007M/CD4007C Dual Complementary Pair Plus Inverter" Datasheet, National Semiconductor, 1995. LABORATORIODE FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ANALÓGICOS (23414) Segundo Semestre de 2015


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4. "HCF4007UB Dual Complementary Pair Plus Inverter," Datasheet, ST Microelectronics, 2004.

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