Amplificador CS Cargado Activamente

Diseo de Amplificador CS con Carga ActivaLuis Manuel Peate TobarPT05008Marvin Alexander Ceren MontesCM03041Catedrtico: Ing. Roberto RamosInstructor: Br. Olano Centeno

Amplificador CS Cargado Activamente

Ciudad Universitaria, 23 de abril de 2013Instrumentacin ElectrnicaPgina 6

AbstractEn este laboratorio se busca comprobar los conceptos aprendidos en clase, para ello, primeramente se construye un espejo de corriente con dos transistores PMOS, integrados en el CD4007, luego se coloca como carga activa a un amplificador CS. Se realizaran las mediciones respectivas para encontrar las curvas caractersticas del NMOS y luego con la curva de carga se busca el punto de operacin.Lista de materiales: 1 Protoboard 1 Generador de seales 1 Osciloscopio 1 Fuente de Voltaje 1 CD4007UBE 3 Voltmetro 1 R=80kIntroduccin.En este reporte de laboratorio, la intensin es poner en prctica el diseo de un amplificador CS con carga activa, para ello se dise una fuente de corriente basada en un espejo de corriente para polarizar el circuito un amplificador de CS y analizar el comportamiento de este, construido con MOSFETS de enriquecimiento como lo es el CI 4007 UBE que est al alcance de cualquier persona gracias a su bajo costo.El procedimiento que se llev acabo fue el diseo de una fuente de corriente de 100 A y realizando el anlisis del circuito amplificador de forma terica, simulada y prctica para cada uno de los casos se analiz la regin donde el circuito trabaja como amplificador esta regin es conocida como regin III en la curva caracterstica de transferencia. La intencin de mantener todos los MOSFET en esa regin es para tener un funcionamiento como amplificador en el caso del NMOS que funciona como amplificador CS y los dos PMOS que trabajan como la fuente de corriente.

ANALISIS TEORICOTomando una corriente de , se comienza el proceso de clculo de valores, tomando como parmetros los dados en el laboratorio 2 de electrnica 1. Fig. 1 Circuito a implementar y parmetros para anlisis tericoTRANSISTOR M1:

()( ()(2Tomamos como M1 al transistor de la izquierda, este ser el que distribuya la corriente para el espejo, es decir este ser el encargado de reflejar la corriente al segundo transistor M2. Recuerde que de la figura se observa que los transistores son PMOS, entonces se usaran valores antes mencionados para estos transistores.

Por tanto:

TRANSISTOR M2:Para que el transistor permanezca en la regin de saturacin, .

Con ()(2

PARA LA ETAPA DEL AMPLIFICADOR FUENTE COMUN.

Fig. 2 Circuito de la etapa de fuente comunSabiendo que: Y estamos trabajando con un NMOS entonces. Entonces.

(3) V

Tambin sabemos que para los NMOS:ySabiendo que , por esta conectado a tierra, entonces:

V = VBIASEste voltaje VG es el que ser aplicado como una fuente de voltaje antes de la fuente de seal, siguiendo los modelos del anlisis incremental, mas no se llegara a esta forma, solo lo usaremos de esta forma porque es muy ilustrativo saber que cada una de las fuentes desaparece cuando se realiza cada anlisis, uno para DC y el otro para AC. CALCULO DE LA GANANCIA DEL CIRCUITOPara poder calcular los parmetros a pequea seal y para calcular ro, necesitaremos el voltaje early, este se calcula como sigue:

=100 =50Sea entonces ro2 la resistencia vista por el transistor M2 y ro3 la resistencia vista por el transistor M3, entonces tenemos:

Siguiendo con el clculo de la ganancia solo resta calcular la transconductancia del transistor M3, pues es el que se encargara de la amplificacin, lo haremos como se sigue:

Ahora la ganancia se calcula con la formula de ganancia de un amplificador de fuente comn, puesto que no existe una red de polarizacin en la entrada del voltaje que llega a la compuerta del transistor es el voltaje de la fuente de seal, ahora teniendo esto en cuenta, la ganancia se calcula de la siguiente forma:

9.708773k

RESULTADOS DE LA MEDICIN PARA LAS CURVAS CARACTERSTICAS DEL NMOSA continuacin se muestran la tabla de los clculos de las curvas caractersticas del NMOS.Vgs =1.6Vgs= 1.75Vgs = 1.9Vgs= 2.05Vgs= 2.2

VDS1IDS1VDS2 [v]IDS2[uA]VDS3IDS3VDS4IDS4VDS5IDS5

0.05611.70.04616.30.0522.50.04825.2

10.14.70.106180.10734.90.143.30.152.8

20.250.20621.40.20552.20.279.30.2103.3

30.35.10.30621.70.30457.50.3104.20.3140.9

40.45.10.421.80.40458.40.4112.40.4172.9

50.5055.10.521.90.51258.80.501114.80.5192.6

60.6035.10.606220.60758.90.6115.60.6205

70.7025.10.703220.70358.80.705116.20.7206

80.8015.10.80122.10.807590.807116.60.8207

90.95.20.90322.10.90959.10.9081170.9207

101.0125.21.00222.21.01759.31.006117.21.006208

111.0945.21.10422.21.10359.31.103117.51.1208

121.2045.21.20822.21.20559.41.2117.81.2208

131.3045.21.30722.31.30259.51.31181.3208

141.4085.21.422.31.459.61.4118.21.4208

151.55.21.50422.31.559.71.504118.41.5208

161.615.21.60522.41.60159.81.606118.61.6209

171.715.31.70722.41.70759.91.708118.91.7209

181.85.31.81722.41.8601.8119.11.8209

191.9055.31.91122.51.960.11.903119.21.9209

202.0075.32.0122.52.0160.12.018119.52210

212.25.32.222.62.21260.32.2119.72.2210

222.4055.32.422.72.40560.42.4120.12.4210

232.6045.32.622.72.60360.52.6120.32.6211

242.8065.32.822.72.80460.72.8120.62.8212

2535.43.0122.83.0260.83120.93212

263.25.43.222.83.260.83.2121.13.2212

273.45.43.422.93.460.83.4121.43.4212

283.65.43.622.93.6613.6121.63.6213

293.85.43.8233.861.13.8121.83.8213

3045.44.0123461.24122.14214

314.25.44.2234.261.34.2122.44.2214

324.45.44.423.14.461.44.4122.64.4214

334.65.54.623.14.661.54.6122.84.6215

344.85.54.823.24.861.64.8123.14.8215

355.015.5523.2561.75123.35.01215

365.25.55.223.25.261.85.2123.55.2215

375.45.55.423.35.461.95.4123.65.4216

385.65.55.623.35.6625.6123.85.6216

395.85.55.823.35.862.25.8124.15.8216

406.025.56.0123.4662.26124.46.02216

416.25.56.223.46.262.26.2124.66.2216

426.45.56.423.56.462.46.4124.76.4217

436.65.56.623.56.662.46.61256.6218

446.85.56.823.66.862.56.8125.26.8218

457.025.57.0123.6762.67125.47.02218

467.25.67.223.67.262.77.2125.77.2218

477.45.67.423.77.462.77.4125.97.4218

487.65.67.623.87.662.97.6126.17.6219

497.85.67.823.97.8637.8126.47.8219

508.015.6823.9863.18126.78.01220

518.25.68.223.98.263.38.21278.2220

528.45.68.4248.463.48.4127.48.4220

538.65.68.624.18.663.58.6127.98.6221

548.85.78.824.18.863.78.8128.28.8221

5595.7924.2963.89128.79222

569.25.79.224.39.2649.2129.29.2223

579.45.79.424.49.464.29.4129.69.4223

589.65.89.624.59.664.59.6130.19.6224

599.85.89.824.69.864.79.8130.89.8225

60105.81024.71064.910132.110225

Grafica 1: esta es simplemente la curva caracterstica id vsd del transistor de canal p, M2, para un voltaje constante de fuente a compuerta Vsg

VIDVIDVIDVID

0.21.07E+020.61.06E+0211.05E+0231.01E+02

0.31.06E+020.71.06E+021.51.05E+023.59.98E+01

0.41.06E+020.81.05E+0221.03E+0249.98E+01

0.51.06E+020.91.05E+022.51.02E+024.59.96E+01

Tabla de valores medidos para la recta de carga.

Grafica 2: se han graficado las caractersticas id vds del transistor de amplificacin M1 y se ha superpuesto la curva de carga. Esta es simplemente la curva i v de la grafica 1 invertida y desplazada Vdd volts a lo largo del eje horizontal vivo

05

0.25

0.45

0.65

0.85

15

24.54

30.139

40.0838

50.0601

Tabla de valores de entrada y salida para graficar la funcin de transferencia.

Grafica 3: se puede observar los nodos de operacin de M1 y M2 como se puede observar una ganancia de voltaje grande el M1 y M2 operan en saturacin

SIMULACIONAhora bien teniendo en cuenta los resultados medidos en el laboratorio podemos simular el circuito y observar los modos de operacin y comprobar si nuestras mediciones estn correctas

Fig. 3 Corrientes alrededor del circuito

Fig. 4 Respuesta del amplificador CS

Fig. 5 Respuesta del amplificador CS ampleada para observar los puntos de interesPodemos decir lo siguiente tomando en cuenta los datos obtenidos en el laboratorio y comprobandolos con nuestra simulacion y es que el circuito no se ve afectado por el efecto del cuerpo porque las terminales de la fuente de M1 y M2 estan a tierra de senal. Tambien el amplificador CMOS se puede disenar para proporcionar ganancias de voltaje de 15 a 100

IMPLEMENTACION EN EL LABORATORIO ENCONTRANDO LA GANACIA TOTAL DEL CIRCUITO

Fig. 6 Circuito en el laboratorioPodemos observar que las longitudes de canal del transistor MOSFET que conforma la fuente de corriente no son iguales es decir varan un poco debido a que en el proceso de fabricacin no quedan exactamente iguales eso hace que varen un poco las corrientes debido a esa diferencia aunque los transistores estn en un solo integrado no son exactamente iguales. Ahora el siguiente paso a seguir es colocar en serie un voltaje ac junto con el dc de entrada obervado en la figura anterior anterio y obervar si nuestro circuito amplifica la seal introducida y comprobar nuestra ganancia del circuito en total.

Fig. 7 Imagen obtenida del osciloscopio.

Podemos obervar con claridad que nuestro circuito trabaja en buenas condiciones y obervamos que a mas de 10v de salida nuestro circuito comienza a saturarse esto quiere decir que el voltaje de entrada max ac en este circuito es de 70mv y una salida de 1.14v esto quiere decir que la ganacian total del circuito disenado es de: Gv= 1.14/0.70 = 1.62 aproximadamente una ganacia de circuito de 2

CONCLUSIONES.

El espejo de corriente con mosfet en el mismo IC es de gran ventaja, ya que es mas estable debido a la contruccion sobre una sola placa de ambos mosfets, mientras que los que son elementos distintos, aunque sean el mismo modelo, no se sabe a ciencia cierta si tienen los mismos parametros o no.

El amplificador CS es uno de los mas sencillos de analizar, sin embargo, es de gran importancia, ya que en el caso de amplificar seales muy pequeas se puede instalar uno de estosm sin necesidad de elementos externos, proporcionandonos una buena relacion de ganancia y asi poder leer mejor los datos.

En esta practica se tiene que tener un gran cuidado con la conexin de los pines del IC ya que un pequeo error en la conexin puede llevar, a que desde que no funcione el amplificador, hasta incluso daar irreparablemente el integrado e inclusive los equipos de prueba.

REFERENCIAS

[1]. Sedra y Smith. Circuitos Microelectrnicos, Cuarta Edicin. McGraw-Hill. [2]. Sedra y Smith. Circuitos Microelectrnicos, Quinta Edicin. McGraw-Hill, 2006. [3]. Hambley.Electrnica, 2 edicin. Prentice Hall, 2001.

ANEXOS