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Resumen— Usando el software de modelado de circuitos OrCad

PSpice en esta práctica se efectúa el análisis y diseño de circuitos

amplificadores de pequeña señal con transistores. Posteriormente

se compara los resultados de estas simulaciones con otros

efectuados manualmente para evaluar la eficacia de este tipo de

herramientas.

Palabras clave (Keywords)— Amplificador de pequeña señal

(Low signal amplifier), amplificador EC (CE amplifier), OrCad

PSpice (OrCad PSpice software).

I. INTRODUCCIÓN

N la actualidad, el uso de herramientas computarizadas

para diseño, simulación y evaluación de circuitos

electrónicos constituye un medio muy común y eficiente de

realizar las primeras etapas de un proyecto por parte de los

ingenieros.

En este documento se hará referencia al software OrCad

PSpice y a su aplicación en el diseño de amplificadores de

pequeña señal.

.

II. OBJETIVOS

Familiarizarse con el programa de simulación OrCad

PSpice, usando la documentación respectiva.

Efectuar un repaso sobre el análisis y diseño de circuitos

amplificadores de pequeña señal y mínima distorsión.

Simular los circuitos amplificadores y realizar medidas de

voltaje, corriente y realizar un barrido de frecuencias, de

tal manera que se pueda encontrar las relaciones de

ganancia de voltaje, ganancia de corriente, diagrama de

bode.

Analizar detalladamente el funcionamiento de cada

circuito amplificador con respecto a los parámetros de cada

uno de ellos.

III. ANÁLISIS

A. Circuito Nº 1

Diseñe un amplificador CS con JFET que tenga RL de 10KΩ,

VDD= 12V, Rin=500kΩ, y Av=-2.

B. Circuito Nº 2

Diseñe un amplificador como el de la figura 2. Para una

excursión máxima de salida de voltaje no distorsionada con

RL=6KΩ, Av=-60 y Ai=-20.

Fig1.Esquemático del circuito Nº 1.

Fig2. Esquemático del circuito Nº 2.

IV. CÁLCULOS, DISEÑO Y RESULTADOS

A. Circuito Nº 1

El estudio de este tipo de circuitos requiere separar el análisis en

DC y AC.

En DC, los capacitores se comportan como un circuito abierto y

la fuente Vi un corto circuito.

Al realizar el equivalente de Thévenin se obtiene que:

Jorge Emilio Valencia Franco - 1094900389

Práctica de Laboratorio Nº1:

Simulación utilizando el software OrCad.

E

2

𝑅𝐺 =𝑅1𝑅2

𝑅1 + 𝑅2

𝑉𝐺𝐺 =𝑅1𝑉𝐷𝐷𝑅1 + 𝑅2

Siendo 𝑅𝐺 𝑒𝑙 análogo de 𝑅𝐵 en el amplificador con BJT y

𝑉𝐺𝐺 el análogo de 𝑉𝐵𝐵 .

La corriente de drenaje es obtenida sabiendo que 𝐼𝐷 = 𝐼𝐷𝑄 y

𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝐺𝑆𝑄 en el punto Q

𝐼𝐷𝑄 = 𝐼𝐷𝑆𝑆 1 −𝑉𝐺𝑆𝑄

𝑉𝑝

2

Ahora analizando alrededor del circuito gate se tiene que:

𝑉𝑖 = 𝑉𝐺𝑆 + 𝑅𝑆𝐼𝐷

𝑉𝑔𝑠 = 𝑉𝑖 + 𝑅𝑆𝐼𝐷

𝑉𝑔𝑠 = 𝑉𝑜 + 𝑅𝑆𝑔𝑚𝑉𝑔𝑠

𝑉𝑔𝑠 =𝑉𝑜

1 + 𝑅𝑆𝑔𝑚

𝑉𝑂Está dada por:

𝑉𝑂 =𝑔𝑚 𝑅𝐷 𝑅𝐿

𝑉𝑖1 + 𝑅𝑆𝑔𝑚

La ganancia de tensión de 𝐴𝑉 es:

𝐴𝑉 =𝑉𝑂𝑉𝑖

= − 𝑅𝐷 𝑅𝐿

1

𝑔𝑚+ 𝑅𝑆

Teniendo: 𝑅𝑒𝑛 = 𝑅𝐺 = 𝑅1 𝑅2

La ganancia de corriente 𝐴𝑖 es:

𝐴𝑖 =𝐼𝑂𝐼𝑖𝑛

=𝐴𝑉𝑅𝑒𝑛

𝑅𝐿

𝐴𝑖 = − 𝑅𝑒𝑛𝑅𝐷

1

𝑔𝑚+ 𝑅𝑆 𝑅𝐷 + 𝑅𝐿

Analizando la gráfica de 𝐼𝐷/ 𝐼𝐷𝑆𝑆 contra 𝑉𝐺𝑆/|𝑉𝑝 |:

Fig3. Gráfica de 𝐼𝐷/ 𝐼𝐷𝑆𝑆 contra 𝑉𝐺𝑆/|𝑉𝑝|:

A partir de ésta gráfica se pueden deducir las siguientes

ecuaciones equivalentes para el punto Q:

𝐼𝐷𝑄 =𝐼𝐷𝑆𝑆

2 ; 𝑉𝐺𝑆𝑄 = 0.3𝑉𝑃 ; 𝑉𝐷𝑆𝑄 =

𝑉𝐷𝐷2

La transductancia es la pendiente de la curva en el punto Q

𝑚 =0.9𝐼𝐷𝑆𝑆−0.64𝑉𝑃

= 𝑔𝑚

Las relaciones generales que pueden aplicarse al análisis en

DC de todos los amplificadores FET son:

𝐼𝐺 = 0𝐴 𝑦 𝐼𝐷 = 𝐼𝑆

Se procede a solucionar el diseño a partir de los valores que

se plantean y obtener los valores a ciertas incógnitas para

cumplir con los requerimientos.

𝑅𝑆 + 𝑅𝐷 =𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝐷𝑆𝑄

𝐼𝐶𝑄= 𝐾1

𝐼𝐷𝑆𝑆 = 2𝐼𝐷𝑄

𝑔𝑚 = 0.9𝐼𝐷𝑆𝑆

−0.64𝑉𝑃

La ganancia de voltaje

𝐴𝑉 = − 𝑅𝐷 𝑅𝐿

1

𝑔𝑚+ 𝑅𝑆

Despejando R𝐷 se tiene:

−𝐴𝑉R𝐷

2 + (−𝐴𝑉𝑅𝐿 + 𝐴𝑉𝑘1 + 𝑅𝐿 + (𝐴𝑉/𝑔𝑚))R𝐷 + (𝐴𝑉𝑘1𝑅𝐿 + (𝐴𝑉𝑅𝐿/𝑔𝑚))= 0

Se tienen las ecuaciones para 𝑅1 𝑦 𝑅2

𝑅1 =𝑅𝐺

1 − 𝑉𝐺𝐺

𝑉𝐷𝐷

𝑅2 =𝑅𝐺𝑉𝐷𝐷𝑉𝐺𝐺

Con 𝑉𝐺𝐺 = 𝑉𝐺𝑆 + 𝑅𝑆𝐼𝐷𝑄

Para el transistor JFET se utilizó el transistor J2N3819 para

obtener resultados más exactos, ya que para poder obtener los

valores de los parámetros de diseño para el amplificador, se

deben tener los valores de Idss y Vp correspondientes al

transistor que se va a utilizar, éstos valores se obtuvieron del

Datasheet del transistor JFET J2N3819.

3

De tal forma, para el cáculo se tuvieron en cuenta los

siguientes valores:

𝑉𝐷𝐷 = 12𝑉

𝑉𝑃 = -3V

𝐼𝐷𝑆𝑆 = 11.6𝑚𝐴

𝑅𝐿 = 10𝑘 𝑜𝑕𝑚𝑠

𝑅𝑖𝑛 = 500𝑘 𝑜𝑕𝑚𝑠

Av = -2

𝑔𝑚 = 5.498𝑚𝑆

Reemplazando en las fórmulas éstos valores, se obtuvo el

valor de Rd, Rs, R1 y R2 de tal forma que nuestro circuito

quedo finalmente diseñado y con los siguientes valores:

R1=512k ohms

R2=22Mohms

RD=840ohms

RS=200ohms Rl=10kohms

C1=3300uF

C2=3300uF VDD=12V

Fig4. Esquema circuital final del diseño del amplificador en

fuente común con JFET.

Teniendo el esquema final, se procedió a simular en el

software respectivo para obtener a partir de éste la ganancia de

voltaje, la respuesta en el tiempo y el diagrama de bode,

obteniendo lo siguiente:

Fig5. Respuesta en el tiempo del amplificador en fuente

común con JFET.

Se observa en la gráfica anterior, la respuesta en el tiempo,

donde se encuentra la gráfica del voltaje de entrada y la

gráfica del voltaje de salida en la carga, se puede notar

también, que al ingresarle una entrada de 10mV, se obtiene

una salida de 20mV, ya con esto, se hace la relación para saber

la ganancia del circuito:

Vout/Vin = 20mV/10mV = 2

La ganancia del circuito es entonces:

Av = -2

Lo que es exitoso, ya que fue lo que se pidió en el

planteamiento para realizar el diseño requerido.

Además se puede observar que la señal de entrada con

respecto a la de salida, están desfasadas 180°, lo que es

correcto, ya que a causa de los capacitores, la señal de entrada

se invierte a la salida.

Luego de esto se procede a obtener el diagrama de bode del

amplificador en fuente común con JFET anteriormente

diseñado:

Fig6. Diagrama de bode del amplificador en fuente común con

JFET diseñado anteriormente.

Se observa entonces en la figura anterior, el comportamiento

en frecuencia del circuito, se puede observar que el

amplificador se comporta como un filtro pasa alto, donde se

puede observar que a frecuencias de hasta 100MHz, el

amplificador deja pasar la señal a.c. en todos sus componentes

hacia la carga, lo que es satisfactorio, puesto que es lo que se

requiere para un amplificador óptimo.

Para el último punto de procedimiento, es variar los

parámetros del circuito y analizar el comportamiento de éste

según los valores de cada parámetro, esto se desarrollará más a

fondo, en los análisis de resultados.

B. Circuito Nº 2

Haciendo análisis de voltajes en las mallas se tiene que:

Ecuación de recta de carga DC se obtienen las siguientes

ecuaciones:

𝑉𝐵𝐵 = 𝑅𝐵𝐼𝐵 + 𝑉𝐵𝐸 + 𝑅𝐸𝐼𝐸

Ecuación de polarización de la base

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𝑉𝐶𝐶 = 𝑅𝐶𝐼𝐶 + 𝑉𝐶𝐸 + 𝑅𝐸𝐼𝐸

Ecuaciones de equivalencia Thevenin

𝑅𝑇𝐻 =𝑅1𝑅2

𝑅1 + 𝑅2

𝑉𝑇𝑕 =𝑉𝐶𝐶𝑅1

𝑅1 + 𝑅2

Para garantizar una amplificación lineal y de máxima

excursión simétrica se debe cumplir que

𝑉𝐶𝐸𝑄 = 𝑅𝐴𝐶𝐼𝐶𝑄 𝑐𝑜𝑛 𝑅𝐴𝐶 = 𝑅𝐶 𝑅𝐿

Finalmente tenemos

𝐼𝐶𝑄 =𝑉𝑐𝑐

𝑅𝐷𝐶 + 𝑅𝐴𝐶

Con

𝑅𝐷𝐶 = 𝑅𝐶 + 𝑅𝐸

𝑅𝐴𝐶 = 𝑅𝐶 𝑅𝐿

El máximo voltaje de salida pico está dado por

𝑉𝑂𝑃 = 𝐼𝐶𝑄 + 𝑅𝐴𝐶

Para garantizar máxima transferencia de potencia se tiene que:

𝑅𝐶 = 𝑅𝐿

Ahora se estudia la ganancia de voltaje, dada por:

𝐴𝑉 =𝑣0

𝑣𝑖=

𝑖0𝑅𝐿

𝑖𝑖𝑛𝑅𝑖𝑛

Para este circuito la corriente de salida viene dada por:

𝑖𝐿 =𝑖𝐶𝑅𝐶

𝑅𝐶 + 𝑅𝐿

= −𝑕𝑓𝑒 𝑖𝐵𝑅𝐶

𝑅𝐶 + 𝑅𝐿

Finalmente

𝐴𝑉 = −𝛽𝑅𝐿 ∥ 𝑅𝐶

𝑕𝑖𝑒 + 𝛽𝑅𝐸

Simplificando

𝐴𝑉 = −𝑅𝐿 ∥ 𝑅𝐶

𝑅𝐸

Teniendo todas las ecuaciones de diseño y análisis circuital

tenemos:

𝑅𝐸 = −𝑅𝐿 𝑅𝐶

𝐴𝑉

𝑅𝑖𝑛 = −𝐴𝑖𝑅𝐿

𝐴𝑉

𝑉𝐵𝐵 = 𝐼𝐶 𝑅𝐸 +𝑅𝐵

𝛽 + 𝑉𝐵𝐸

con 𝑉𝐵𝐸=0.7V

𝑅1 =𝑅𝐵

1 +𝑉𝐵𝐵

𝑉𝐶𝐶

𝑅2 =𝑅𝐵𝑉𝐶𝐶𝑉𝐵𝐵

hib=26mV/Icq

y despejando a RB de la ecuación para R de entrada, se

obtiene que:

𝑅𝐵 = (−𝑅𝐸𝑅𝑒𝑛 − 𝑅𝑒𝑛𝑕𝑖𝑏)/( 𝑅𝑒𝑛

𝛽 − 𝑕𝑖𝑏 − 𝑅𝐸)

Para el diseño de este amplificador se utilizó un transistor BJT

2N2222 para el cual, se considerará un beta de 110. Teniendo

esto, se realiza el cálculo por medio del programa anterior y se

obtiene lo siguiente:

Con un VCC = 15V

R1= 3k ohms

R2= 53k ohms

RE= 50 ohms RC= 6k ohms

RL= 6k ohms

C1= 1000uF C2= 1000uF

Al similar el circuito con estos valores, se obtuvo que la

ganancia de voltaje no se podía obtener de hasta 60, por lo que

se procedió a analizar el funcionamiento del circuito y

sabiendo que los capacitores C1 y C2 son de acople, para que

la señal de a.c. pase completa hacia la carga y para que el

voltaje de polarización en d.c. no se devuelva y dañe el

sistema, se analizó entonces, el comportamiento que tiene la

señal al pasar hacia la carga, de tal forma que se observó, que

a causa de la resistencia de emisor, se perdía ganancia en el

sistema, a causa de esto, se colocó un capacitor en paralelo a la

resistencia del emisor, para que la corto circuite en estado de

corriente alterna y de esta forma lograr que la señal en a.c.

pase completa y sin mayores pérdidas de ganancia hacia la

carga, de tal forma que se colocó un capacitor de 30nF, por lo

que el diseño final del amplificador en emisor común con BJT

fue el siguiente:

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Fig7. Esquema circuital final del diseño del amplificador en

emisor común con BJT.

De la misma forma que en el amplificador anterior, se

realizará la simulación del circuito, de tal forma que se

obtendrán las graficas para la respuesta en el tiempo y el

diagrama de bode, para analizar el comportamiento y la

ganancia del sistema, tanto la ganancia de corriente, como de

voltaje:

Fig8. Respuesta en el tiempo del amplificador en emisor

común con BJT.

Se puede observar entonces, que en la figura anterior, se

muestra la respuesta en el tiempo del amplificador en emisor

común con BJT anteriormente diseñado, en el cual, se ingresa

una señal de entrada de 10mV y se obtiene una señal de salida

de 621,587mV lo que indica según la relación de ganancia de

voltaje Vout/Vin, que la ganancia de voltaje del circuito

diseñado, es de 62, lo que es satisfactorio, ya que para el

diseño se pidió una ganancia de 60 y el amplificador diseñado,

respondió con una ganancia de 62, la cual fue lograda, gracias

al capacitor en paralelo a la resistencia de emisor, puesto que

éste capacitor es para configurar la ganancia del sistema,

también se obtuvo una señal desfasada 180°, lo que es correcto

puesto que la señal de salida es invertida con respecto a la de

entrada a causa de los capacitores.

Para la ganancia de corriente, se obtuvo la siguiente respuesta

del amplificador:

Fig9. Respuesta en el tiempo de la corriente en el amplificador

en emisor común con BJT.

Al observar la figura anterior, se puede observar la respuesta

en el tiempo de la corriente en el sistema, con la que se puede

calcular, gracias a la relación de ganancia de corriente Iout/Iin,

la ganancia del amplificador diseñado, teniendo que la señal

de salida es de 100uA y la señal de entrada es de 4.3uA, con

esto procedemos a calcular la ganancia de corriente la cual nos

da de 23, lo que es exitoso, puesto que para el planteamiento

del problema, se pidió una ganancia de 20, lo que hace a éste

sistema diseñado, un sistema eficiente y acorde a los

requerimientos pedidos para el diseño.

Teniendo las ganancias de voltaje y corriente, se procede a

simular el diagrama de bode del amplificador en emisor

común con BJT, obteniendo de tal forma, la siguiente gráfica:

Fig10. Diagrama de bode del amplificador en emisor común

con BJT previamente diseñado.

Se observa entonces en la figura anterior, el comportamiento

del diagrama de bode del amplificador en emisor común con

BJT anteriormente diseñado, a partir de esta respuesta, se

puede decir que el amplificador se comporta como un filtro

pasa bajas, ya que hasta frecuencias de 2MHz el filtro permite

el paso de las componentes en frecuencia de la señal a.c. y de

mas de 2MHz empieza a atenuar.

V. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

A. Equipos y materiales

Computador con software OrCad Pspice Student.

Manuales y ayuda del programa.

B. Procedimiento

Una vez realizados los cálculos matemáticos, el análisis circuital

y las simulaciones respectivas, se procedió al análisis de las

respuestas de cada amplificador frente a los parámetros de cada

uno de ellos.

VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para el amplificador en fuente común con JFET:

Al haber hecho los análisis en el el diseño, le observó que los

valores de idss y vp según es el transistor que se utiliza es muy

importante, ya que son parámetros propios del componente,

luego, con esto, lo indicado es trabajar con los valores del

6

transistor que se va a utilizar.

Al variar los capacitores C1 y C2, se observó un cambio en la

salida de la señal, ya que se observó que el punto Q estaba

siendo desplazado, por lo que no se cumplía la excursión

máxima de voltaje a la salida, puesto que lo ideal es que tanto

el capacitor 1 como el capacitor 2, sean de valores muy altos,

puesto que son estos los capacitores de acople utilizados para

dejar pasar todas las componentes de frecuencia que vienen de

la señal de entrada.

De la misma forma, al variar el resto de parámetros, se

observaron cambios significantes a la hora de variar RD y RS,

llegando a que ambas resistencias manejan la ganancia del

sistema, por lo que para los cálculos, éstas fueron

aproximadamente las mismas que se obtuvieron a la hora de

simular, ya que la ganancia requerida, dio con éstos

parámetros.

Para el amplificador en emisor común con BJT:

Al igual que en el amplificador anterior, los valores de los

condensadores se deben elegir altos a la hora de realizar el

diseño, puesto que son necesarios para cumplir con la

excursión máxima de salida de voltaje, de tal forma que la

señal de entrada, salga completa.

Al variar R1 y R2, se pudo observar que éstas modifican tanto

como la ganancia, como el desfase, ya que atenúan la señal al

llevar estos valores a cambios drásticos y el paralelo entre la

resistencia de emisor y el condensador Ce, modifican la

ganancia del amplificador completamente, ya que desde allí es

desde donde se pierde la ganancia si se tiene una resistencia

muy alta, y con el condensador, llevamos a cortocircuitar la

resistencia para aprovechar la ganancia del sistema y sacarla

con la señal hacia la carga.

El condensador que va en paralelo a la resistencia de emisor,

es uno de los componentes mas importantes del circuito,

puesto que permite modificar la ganancia, en tal modo, que se

puede triplicar la ganancia pedida en este laboratorio (Av=-60)

tan solo modificando el valores de éste capacitor, entonces si

se quiere un resultado más óptimo, en cuanto a la ganancia de

voltaje, el parámetro a modificar es éste.

A la hora de cambiar parámetros en el diseño del amplificador,

se pudo observar que existe una relación inversa entre el beta

del transistor y la fuente de polarización, llegando a que se

encuentran en una relación inversa, puesto que con un beta

bajo y un vcc alto, se obtienen resultados óptimos en cuanto a

la ganancia, la máxima excursión de salida de voltaje y el

desfase de la señal de salida con respecto a la de entrada,

entonces para el diseño fue algo a tener en cuenta a la hora de

suponer estos dos valores (vcc y beta).

De tal forma, que a la hora de simular, los valores que dieron

por medio de las ecuaciones de diseño, fueron los necesarios

para obtener lo que se esperaba desde que se empezaron a

diseñar, lo único que se debía agregar para solucionar el

problema de la ganancia, fue el capacitor en paralelo a la

resistencia de emisor, ya que es quien modifica la ganancia del

sistema, por lo que debe ir incluido en el diseño del circuito.

VII. CONCLUSIONES

Se logró el modelado los circuitos amplificadores propuestos

utilizando como base el programa OrCad PSpice, obteniendo

una importante coincidencia entre los cálculos de diseño y el

comportamiento en la prueba computarizada.

Aunque aquí es evidente la utilidad de las herramientas de

simulación en el proceso de diseño de circuitos, inclusive

antes de implementarlos físicamente, algunos inconvenientes

presentados en el manejo del software al realizar la práctica

resaltan que para obtener el máximo provecho del mismo es

necesario un amplio conocimiento de su manejo.

A la hora de diseñar amplificadores, ya sea con BJT o JFET,

es importante, tener los parámetros de estos, que vienen dados

por el fabricante, muy claros, ya que el funcionamiento que

tienen estos en el sistema es muy significante si en los cálculos

se hace una aproximación casi exacta de estos parámetros

(tales como el beta del bjt y el idss y vp del jfet).

Es necesario entender el funcionamiento de cada amplificador

desde su análisis circuital, puesto que si se desea diseñar un

amplificador con ciertos parámetros requeridos (tales como la

ganancia de voltaje y de corriente) se deben elegir

componentes óptimos para implementar un sistema como

éstos, para poder obtener lo que se espera desde un inicio.

Se logró el modelado los circuitos amplificadores

propuestos utilizando como base el programa OrCad PSpice,

obteniendo una importante coincidencia entre los cálculos de

diseño y el comportamiento en la prueba computarizada.

VIII. REFERENCIAS

[1] Apuntes PSpice Versión 9.1, Depto. de Sistemas Electrónicos y de

Control, Universidad Politécnica de Madrid, 2000.