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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ELECTRÓNICA II

DISEÑO DE AMPLIFICADOR CS CMOS Laboratorio 1 PROFESOR: ING. JOSÉ RAMOS Nombres Alfonso Estanislao López Huezo Nestor Paul Reyes Mejia

Carné LH02004 RM15012

Ciudad universitaria, Martes 19 de marzo de 2019 1

RESUMEN En esta práctica de laboratorio, se diseña un amplificador de fuente común con tecnología CMOS, mediante un circuito integrado CD4007. Se empieza con la parte de polarización pero usando una carga activa (un espejo de corriente utilizando PMOS). INTRODUCCION El amplificador de fuente común (SC) o configuración de fuente a tierra es el de uso más amplio entre los circuitos amplificadores MOSFET. En la Figura 1, se muestra un amplificador de fuente común creado con tecnología CMOS. Observe que, con transistores PMOS (Q3 y Q2) se ha diseñado una fuente de corriente que polariza el amplificador (Q1). Para fines académicos por cada resultado experimental, iremos desarrollando el análisis teórico a fin de observar las aproximaciones y diferencias de los resultados obtenidos.

Figura 1. Amplificador CMOS de fuente común.

Figura 2. Circuito armado en el laboratorio.

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LISTA DE EQUIPOS Y MATERIALES Los materiales utilizados son los siguientes: -

Un CD4007. Un resistor de 15K. Un resistor de 10 Mohm (utilizado para la retroalimentación negativa). Dos capacitores de 100 nF.

Y el equipo utilizado es: -

Multímetro. Protoboard. Generador de señales. Osciloscopio. Analizador de espectro

AMPLIFICADOR CON CARGA ACTIVA PMOS

A) Construir el circuito de la figura 2. Por ahora no incluyen la resistencia de carga R L y un condensador de acoplamiento CC2. Los pines del transistor de la matriz CD4007 se dan en el esquema. Utilizar los puentes cortos en su protoboard para conectar los terminales de los transistores.

DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO: Como se ve en la Figura 2, el transistor NMOS es el amplificador. Sin embargo una fuente de corriente está polarizando el circuito. El resistor RG fija el voltaje en la compuerta y VG se mantiene grande con el fin de no cargar la fuente de entrada. Los condensadores de la Figura 2, sirven para acoplar la DC y solamente dejar pasar las señales de AC. B) Medir la DC voltajes V12, y VD. (Y por tanto VG) ¿Cuál es la corriente I de drenaje correspondiente? Los valores obtenidos son experimentalmente son: V12 = 12.14 V VD = 2.6 V VG = 12.46V ID = 1.18 mA

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Encontrando el valor de la corriente teóricamente: Como MP2 forma espejo de corriente con MP1 la corriente que circula en el drenaje de MP2 circulara en el drenaje MP1 entonces encontramos el valor teóricamente: 𝐼𝐿𝑜𝑎𝑑 =

𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝐷𝑆 15 − (15 − 12.14) = = 0.81 𝑚𝐴 𝑅𝑏𝑖𝑎𝑠 15𝑘Ω

El resultado medido (ID = 1.18 mA) difiere con respeto al calculado (𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 = 0.81 𝑚𝐴). Esta diferencia de corrientes (en el espejo de corriente) se debe a que VDS1 ≠ VDS2, siendo |VDS1| = 15 – 12.14 = 2.86V y |VDS2| = 15 – 2.6 = 12.4V C) Aplique una fuente de entrada sinusoidal Vsig con la amplitud de 50mV (100 mVpp) y la frecuencia de 5kHz. Mida el voltaje de salida Vd). ¿Cuál es la amplificación de voltaje de circuito abierto Avo? Los resultados se muestran en la siguiente captura:

Figura 3. Amplificador sin carga

𝐴𝑣𝑜 = −

𝑉𝑜 424𝑚𝑉 =− = −21.2 𝑉 ⁄𝑉 𝑉𝑖𝑛 20𝑚𝑉

Encontrando ganancia de circuito abierto teóricamente: Para poder empezar el análisis nos enfocaremos en el espejo de corriente. La fuente de corriente equivalente Iload idealmente debería tener una resistencia paralela infinita pero debido a que 𝜆 no la podemos despreciar ocuparemos dicha ecuación y el siguiente modelo: Siendo para el PMOS 𝜆 = 0.035, y para el Para los NMOS 𝜆 = 0.004 𝑟𝑜1 =

𝑟𝑜2 =

1 1 = = 24.2 𝑘Ω 𝜆𝑝 𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 0.035 ∗ 1.18

1 1 = = 211.8 𝑘Ω 𝜆𝑁 𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 0.004 ∗ 1.18 4

Figura 4

Despreciando el resistor de 10 Mohm (por ser muy grande no afecta significativamente) el análisis para el modelo a pequeña señal quedaría de la siguiente forma:

𝑔𝑚 = √2𝐼𝐷 𝐾 ′ 𝑛

𝑊 = √(2)(1.18)(0.7) 𝐿

𝑔𝑚 = 1.29 𝑚𝐴/𝑉 Del circuito equivalente podemos ver directamente la ganancia sin la carga RL: 𝐴𝑣𝑜 = −𝑔𝑚 (𝑟𝑜1 ||𝑟𝑜2 ) = −(1.29)(24.2||211.8) 𝐴𝑣𝑜 = −28 𝑉/𝑉

Figura 5

Podemos notar que se nos presentó una anomalía en el osciloscopio debido a que la señal de salida era muy grande se recortaba una parte de la onda senoidal en la figura 3.

D) Ahora colocamos Cc2 y la resistencia de carga RL=10 kOhm como en la figura 2. Mediremos el voltaje de salida Vout sobre la resistencia RL. ¿Cuál es la amplificación Av? Note el efecto de la carga sobre la amplificación

Figura 6. Amplificador con carga

𝐴𝑣 = −

𝑉𝑜 880 𝑚𝑉 =− = −8.46 𝑉 ⁄𝑉 𝑉𝑖𝑛 104 𝑚𝑉

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Encontrando ganancia de circuito teóricamente: De la figura 5 podeos obtener la ganancia de la siguiente manera: 𝐴𝑣 = −𝑔𝑚 (𝑟𝑜1 ||𝑟02 ||𝑅𝐿 ) = −(1.29)(24.2||211.8||10) = −8.83 𝑉/𝑉 Viendo el valor teórico y comparándolo con el valor experimental de la figura 6 podemos notar que la ganancia experimental está muy próxima al valor esperado. Con la carga conectada hubo una caída drástica en la ganancia del amplificador Como los transistores están diseñados para poseer una impedancia alta a señales pequeñas evitando una caída de voltaje considerable, como ocurriría si se utilizaran resistencias de gran valor. Estas grandes impedancias en corriente alterna pueden ser deseables, por ejemplo, para incrementar la ganancia AC de algunos tipos de amplificadores. Comúnmente la carga activa se incluye en la salida de un espejo de corriente y se representa de manera ideal como una fuente de corriente. Usualmente es sólo una resistencia con corriente constante, parte de una fuente de corriente que incluye una fuente de voltaje constante.

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CONCLUSIÓN

La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, n-mos y cmos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares: Consumo en modo estático muy bajo. Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra). Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño. Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nA. Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva. La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los ns.

El bajo consumo de potencia estática, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS sólo experimentará corrientes parásitas. Esto es debido a que en ninguno de los dos estados lógicos existe un camino directo entre la fuente de alimentación y el terminal de tierra, o lo que es lo mismo, uno de los dos transistores que forman el inversor CMOS básico se encuentra en la región de corte en estado estacionario.

El nivel de ganancia grande que nos muestran los NMOS, los hace no solamente útiles en aplicaciones en región de tríodo sino que también para construir amplificadores bastante eficientes, ya que al presentar una distorsión armónica del 3% y amplificaciones superiores a las teóricas podemos concluir que son muy eficientes.

Bibliografía: [1] "Microelectronic Circuits, Sedra, Smith, 5th edition, Oxford University Press, New York, 2004. [2] "The Art of Electronics", Horowitz and Hill, Cambridge University Press.

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