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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, BOGOTÁ D.C. 1 Práctica 8: Transistor MOSFET en circuitos amplificadores David Santiago Daza Quirogadsdazaq@unal.edu.co, Fabian Hernan Villegas Manrique fahvillegasm@unal.edu.co,Nicolas Moreno Francojnmorenofr@unal.edu.co Abstract—Signal amplifiers are the basic applications we have for a MOSFET transistor, thus the need to analyze and understand how it works as they are critical in more complex structures. A study conducted in this laboratory report. Index Terms—MOSFET, Zone of saturation, Amplifier, Com- mon source, Common drain, Source follower. I. INTRODUCCIÓN EN el presente informe se muestran los resultados obtenidos durante la práctica de laboratorio en la cual se realizó la verificación del comportamiento de algunos tipos de amplificadores, y el análisis de los mismos, también se comprueba el comportamiento de una fuente de corriente de espejo sometido a distintas cargas. En concreto se estudiará el amplificador de fuente común y de drenaje común, así como la resultante de su combinación en serie. II. MARCO TEÓRICO Entre los tipos de amplificadores básicos que tenemos para dispositivos MOSFET, tenemos el fuente común y el drenaje común o seguidor de fuente. A. Amplificador de Fuente Común Figura 2.1.1. Amplificador fuente común [1]. Su modelo de pequeña señal puede verse en la figura 2.1.2. Figura 2.1.2. Modelo de pequeña señal amplificador fuente común [2]. De donde tenemos las relaciones: Av = vout vin = −gm(go−1||RD||RL) Ai = Iout Iin = Zin RL Av = − (R1||R2) RL gm(go−1||RD||RL) Para esta configuración se obtienen valores altos de ganancia (mayor a 1) para la señal de entrada, ya sea de tensión o de corriente. B. Amplificador de Drenaje Común o Seguidor de Voltaje El esquema general puede verse en la figura 2.2.1. Figura 2.2.1. Amplificador seguidor de voltaje [3]. El correspondiente modelo de pequeña señal puede verse en la figura 2.2.2. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, BOGOTÁ D.C. 2 Figura 2.2.2. Modelo de pequeña señal amplificador seguidor de voltaje [4]. III. PROCEDIMIENTO De acuerdo a cálculos previos, para la fuente de corriente del esquema del circuito 1, se usó una resistencia de referencia de 6.12 kΩ, un valor para VDD = 10V usando del chip CD4007CN únicamente las compuertas NMOS. Variando RL desde 0 hasta 10 kΩ, se obtuvo la siguiente tabla de datos. TABLA I IQ2 VS RL CIRCUITO 1 RL[kΩ] IQ1[mA] IQ2[mA] 10 1.05 0.872 9 1.05 0.934 8 1.05 0.988 7 1.05 1.02 6 1.05 1.06 5 1.05 1.1 4 1.05 1.14 3 1.05 1.18 2 1.05 1.23 1 1.05 1.28 0.1 1.05 1.34 Tabla 3.1. Toma de datos. Y la correspondiente gráfica. Figura 3.1. Variación de la corriente respecto a RL en el circuito 1. Figura 3.2. Circuito 1, Fuente de corriente espejo [5]. Posteriormente se realizó el montaje del circuito 2 con valores para R1 = 12.5MΩ, R2 = 3.7MΩ, RD = 10.2 kΩ, RS = 600Ω, C1= C2 = CS = 1µF, RL = 10 kΩ, Vipp = 200 mV a una frecuencia de 10 kHz y VDD = 20 V. Figura 3.3. Circuito 2, Amplificador de fuente común [6]. Bajo los valores iniciales encontramos una salida V0pp = 1 V, obteniendo una ganancia aproximada Av = 5. Luego variamos la frecuencia para la señal de entrada con lo cual obtuvimos la siguiente tabla. TABLA II AV VARIANDO FRECUENCIA DE VI f[KHz] 0,1 1 10 100 500 1000 V0[mVp] 321.5 479 500 500 500 489,03 AV [ V V ] 3,21 4,79 5 5 5 4,93 Tabla 3.2. Toma de datos. Figura 3.4. Circuito 2, Amplificación de fuente común. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, BOGOTÁ D.C. 3 Figura 3.5. Transferencia de tensiones. Inmediatamente se procedió a hacer el montaje del circuito 3 mostrado en la figura 8, con los valores para los componentes iguales a los del circuito 2 de fuente común. Figura 3.6. Circuito 3, Amplificador de fuente común Degenerado [7]. Figura 3.7. Circuito 3, Amplificación de fuente común degenerado. Figura 3.8. Transferencia de tensiones. Los valores medidos de este circuito sonV0pp = 787 mV con una ganancia de Av = 3.93 V/V. Igual que en el caso anterior, variamos la frecuencia de la señal de entrada, cuyos resultados están consignados en la siguiente tabla. TABLA III AV VARIANDO FRECUENCIA DE VI f[KHz] 0,1 1 10 100 500 1000 V0[mV] 391,02 395 392.55 372.74 329,65 329,45 AV [ V V ] 3.91 3,95 3,92 3,72 3,21 3,21 Tabla 3.3. Toma de datos. Finalmente para el montaje del circuito 4 con valores de C1 = C2 = C3 = 1µF, R1 =1kΩ, RD = RS = RL = 220Ω, R2 = 3 kΩ, VDD = 20 V y Vipp = 400 mV a una frecuencia de 10 kHz se obtuvo una salidaV0pp = 162 mV con una ganancia de Av = 0,405 V/V. Figura 3.9. Circuito 4, Amplificador de Drenaje común [8]. Variando la frecuencia en la señal de entrada obtenemos los valores de la siguiente tabla. TABLA IV AV VARIANDO FRECUENCIA DE VI f[KHz] 0,1 1 10 100 500 1000 V0[mVp] 6.7 70.9 79.9 81 81 81 AV [ V V ] 0,033 0,355 0,399 0,405 0,405 0,405 Tabla 3.4. Toma de datos. Figura 3.10. Circuito 4, Amplificación drenaje común. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, BOGOTÁ D.C. 4 Figura 3.11. Transferencia de tensiones. Finalmente, uniendo los circuitos de fuente común y drenaje común como lo ilustra el esquema del circuito 5, y con los valores para los elementos ya utilizados, tenemosV0pp= 70 mV con una ganancia de Av = 0,35 V/V. Figura 3.12. Circuito 5, Amplificación en cascada. IV. ANÁLISIS El circuito 1, la fuente de corriente, al variar RL como lo muestra la TABLA 3.1 y la gráfica correspondiente, se deduce que dicha corriente disminuye para valores superiores para RL a los 8 kΩ, alejándose del valor ideal de 1 mA. Por tanto RL no debe superar los 8 kΩ. En el circuito 2 tenemos Zi = R1 || R2, Zi = 2.85 MΩ, Zo = RL || RD, Zo = 5.05 kΩ. La tabla de variación de frecuencias de entrada para el circuito 3.2 devela que no incide en la ganancia de respuesta del circuito ya que se mantiene en valores muy estables y cercanos entre sí. Para el circuito 3 tenemos Zi = R1 || R2, Zi = 2,85 MΩ, Zo = RL || RD, Zo = 5.05 kΩ. Al variar la frecuencia, de forma semejante al caso anterior, no se devela incidencia en la variación de la ganancia, permaneciendo constante dentro de la gama de frecuencias. En el circuito 4 tenemos Zi = R1 || R2, Zi = 750Ω , Zo = RL || RS, Zo = 110Ω. Al variar la frecuencia de entrada no se evidencia variación en la relación de ganancia del circuito. Finalmente con el circuito 5, como la unión de los circuitos 2 y 4, se encontró que su ganancia de 0,35 V/V. V. PREGUNTAS A. ¿A qué se debe el hecho de que la resistencia de carga de las fuentes de corriente deba estar en un rango determinado de valores, o de lo contrario no se garantizará el funcionamiento como espejo de corriente? Al aumentar el valor de la resistencia de carga con valores muy altos respecto al valor de referencia, la corriente a través del transistor disminuye drásticamente afectando la eficiencia de la fuente de corriente para el valor calculado. Dado que la resistencia de referencia no es alterada, se garantiza que los transistores siempre están en saturación, por tanto el aumento de la resistencia de carga hace que la fuente que alimenta la configuración no posea la suficiente potencia para suplir los requerimientos cada vez mayores de corriente que exige la carga. Por lo anterior se puede considerar una fuente de corriente ideal para valores de carga menores a 8 kΩ, en donde la corriente es constante de 1 mA. B. Describa la transición del transistor Q1 (fuentes de cor- riente en espejo) a través de las regiones de operación del Mosfet, conforme la resistencia RL aumenta desde RL = 0 hasta RL→ ∞ Los transistores siempre estarán en saturación por tanto tendrá un comportamiento constante de 1 mA hasta la carga máxima soportada, en donde empezará a decaer la corriente con el aumento de la carga. Lo anterior implica la determinación previa de valores y selección del transistor en función de la corriente esperada y la carga máxima a soportar. C. Describa el comportamiento real de los circuitos amplifi- cadores en función de la frecuencia de trabajo y explique en sus propias palabras a que se puededeber este fenómeno Dada la evidencia encontrada, no podemos inferir varia- ciones importantes en relación a la ganancia de los distintos amplificadores dado por la variación de la frecuencia de la señal. D. Basado en la teoría y en los diseños realizados, realice una breve descripción de las ventajas, desventajas y posibles escenarios de aplicación, para cada una de las cuatro con- figuraciones de amplificadores trabajadas. Tenga en cuenta aspectos como ganancia, frecuencia de trabajo y limitaciones de pequeña señal, impedancias de entrada y salida, entre otros. La configuración de fuente común ofrece impedancias de entradas altas y de salidas bajas, y una ganancia alta aunque la salida está invertida respecto a la señal de entrada. Los amplificadores de drenaje común también llamados seguidor de tensión se utilizan generalmente para acoples de UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, BOGOTÁ D.C. 5 impedancias. El circuito combinado último en su fase inicial amplifica una señal de tensión que en su segunda parte procurará entregar de la forma más limpia a través del drenaje común. VI. CONCLUSIONES • La potencialidad de un elemento no radica necesaria- mente en la complejidad de su funcionalidad, puede ser una cualidad que logre emerger gracias al ingenio de quien cree sus posibilidades. Ejemplos claros son la rueda y los semiconductores; en su sencillez se fundamenta nuestro pasado, presente y futuro. • En el análisis de circuitos es práctico y eficiente recurrir a modelos ideales de comportamiento para los distintos elementos, sin embargo no hay que olvidar que para su implementación real es necesario nuevamente realizar dichos análisis con parámetros reales. • Analizar un elemento de un circuito con modelos matemáticos más precisos (como el diodo) puede ser complejo, aún más si se combinan varios elementos en distintas configuraciones, por ello, el uso de un buen software de simulación puede ser de gran utilidad, ahor- rando esfuerzo, tiempo y evitando el error humano en la ejecución lineal de cálculos. VII. REFERENCIAS [1] Francisco J. Franco P. AMPLIFICADORES DE ENTRADA SIMPLE [Online]. Página: 17. Tomada de: https://cv3.sim.ucm.es/access/content/group/portal-uatducma- 43/webs/material_original/apuntes/PDF/04_amplificadores_ent rada_simple.pdf [2] Francisco J. Franco P. AMPLIFICADORES DE ENTRADA SIMPLE [Online]. Página: 16. Tomada de: https://cv3.sim.ucm.es/access/content/group/portal-uatducma- 43/webs/material_original/apuntes/PDF/04_amplificadores_ent rada_simple.pdf [3] Francisco J. Franco P. AMPLIFICADORES DE ENTRADA SIMPLE [Online]. Página: 37. Tomada de: https://cv3.sim.ucm.es/access/content/group/portal-uatducma- 43/webs/material_original/apuntes/PDF/04_amplificadores_ent rada_simple.pdf [4] Francisco J. Franco P. AMPLIFICADORES DE ENTRADA SIMPLE [Online]. Página: 39. Tomada de: https://cv3.sim.ucm.es/access/content/group/portal-uatducma- 43/webs/material_original/apuntes/PDF/04_amplificadores_en trada_simple.pdf [5] Jair F. Ladino M. Transistor MOSFET en circuitos amplificadores [online]. Página: 2. Tomada de: https://drive.google.com/viewerng/viewer?a=v&pid=sites&srci d=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxlbGVjdHJvbmljYWFuYWx vZ2F1bmFsfGd4OjE0YmE1NGRhMDYzNDljYjI&u=0 [6] Jair F. Ladino M. Transistor MOSFET en circuitos amplificadores [online]. Página: 3. Tomada de: https://drive.google.com/viewerng/viewer?a=v&pid=sites&srci d=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxlbGVjdHJvbmljYWFuYWx vZ2F1bmFsfGd4OjE0YmE1NGRhMDYzNDljYjI&u=0 [7] Jair F. Ladino M. Transistor MOSFET en circuitos amplificadores [online]. Página: 3. Tomada de: https://drive.google.com/viewerng/viewer?a=v&pid=sites&srci d=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxlbGVjdHJvbmljYWFuYWx vZ2F1bmFsfGd4OjE0YmE1NGRhMDYzNDljYjI&u=0 [8] Jair F. Ladino M. Transistor MOSFET en circuitos amplificadores [online]. Página: 4. Tomada de: https://drive.google.com/viewerng/viewer?a=v&pid=sites&srci d=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxlbGVjdHJvbmljYWFuYWx vZ2F1bmFsfGd4OjE0YmE1NGRhMDYzNDljYjI&u=0 I INTRODUCCIÓN II MARCO TEÓRICO II-A Amplificador de Fuente Común II-B Amplificador de Drenaje Común o Seguidor de Voltaje III PROCEDIMIENTO IV ANÁLISIS V PREGUNTAS V-A ¿A qué se debe el hecho de que la resistencia de carga de las fuentes de corriente deba estar en un rango determinado de valores, o de lo contrario no se garantizará el funcionamiento como espejo de corriente? V-B Describa la transición del transistor Q1 (fuentes de corriente en espejo) a través de las regiones de operación del Mosfet, conforme la resistencia RL aumenta desde RL = 0 hasta RL V-C Describa el comportamiento real de los circuitos amplificadores en función de la frecuencia de trabajo y explique en sus propias palabras a que se puede deber este fenómeno V-D Basado en la teoría y en los diseños realizados, realice una breve descripción de las ventajas, desventajas y posibles escenarios de aplicación, para cada una de las cuatro configuraciones de amplificadores trabajadas. Tenga en cuenta aspectos como ganancia, frecuencia de trabajo y limitaciones de pequeña señal, impedancias de entrada y salida, entre otros. VI CONCLUSIONES VII REFERENCIAS
