Informe de la Práctica 5: El MOSFET en pequeña

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1 Informe de la Práctica 5: El MOSFET en pequeña Edy Catalina Sánchez López. Laboratorio Electrónica Análoga II, Escuela de Mecatrónica, Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Resumen Con ésta práctica se pretende estudiar el comportamiento del transistor MOSFET en pequeña señal (amplificación), para esto se hará un trazado de las curvas características del dispositivo lo que nos permitirá identificar las zonas de operación y sus modelos circuitales asociados. También se realizara un análisis teórico y se procederá a compararlo con los datos experimentales. Palabras Clave Dreno, Fuente, MOSFET, Puerta, Transistor. Abstract This practice is intended to study of small signal MOSFET behavior (amplification). To do that, will be drawn characteristics curves of the device, which allow identify its operation areas and its associated circuit models. Also will be conducted a theoretical analysis and proceed to compare it with experimental data. II. DESARROLLO A. ProcedimientoTeórico Inicialmente se solicita para el circuito de la figura 1 analizar sus curvas características. Index Terms Drain, Gate, MOSFET, Source, Transistor. I. INTRODUCIÓN L os MOSFET, o simplemente MOS (Metal-Oxide Semiconductor, Field Effect Transistor) son muy parecidos a los JFET. La diferencia entre estos estriba en que, en los MOS, la puerta está aislada del canal, consiguiéndose de esta forma que la corriente de dicho terminal sea muy pequeña, prácticamente despreciable. Debido a este hecho, la resistencia de entrada de este tipo de transistores es elevadísima, del orden de MW, lo que les convierte en componentes ideales para amplificar señales muy débiles. Existen dos tipos de MOSFET en función de su estructura interna: los de empobrecimiento y los de enriquecimiento. Los primeros tienen un gran campo de aplicación como amplificadores de señales débiles en altas frecuencias o radiofrecuencia (RF), debido a su baja capacidad de entrada. Los segundos tienen una mayor aplicación en circuitos digitales y sobre todo en la construcción de circuitos integrados, debido a su pequeño consumo y al reducido espacio que ocupan. Gráfica 1. Configuración para curvas del MOSFET. Para poder graficar estas curvas debemos configurar en la opción DC-Sweep y paramétrica la fuente de voltaje de tipo lineal. Las curvas características del MOSFET son: Gráfica 2. Curvas del MOSFET.

2 Luego de hallar estas curvas se comienza con el diseño del circuito y sus ecuaciones. Se trabajará con el MOSFET en configuración fuente común (ver gráfica 3) Despejando V GSQ en su forma cuadrática se obtiene: ( ) ( ) (3) (4) ( ) (5) (6) Gráfica 3. MOSFET en fuente común. (7) Se procede entonces con los cálculos de la siguiente forma: Los datos iniciales se obtienen del datasheet del MOSFET a utilizar (IRF830): Análisis AC: se realiza la conversión de la siguiente forma: Característica Símbolo Mínimo Máximo Unidad Gate Threshold Voltage (VDS = VGS, ID = 0.25 ma) Static Drain to Source On Resistance (VGS = 10 Vdc, ID = 2.5 Adc) On State Drain Current (VGS = 10 V) (VDS 6.75 Vdc) VGS(th) Vdc RDS(on) Ohm ID(on) Adc valor Drain Source Voltage VDSS 500 Vdc Drain Gate Voltage (RGS = 1.0 M ) VDGR 500 Vdc Gate Source Voltage VGS ±20 Vdc Drain Current Continuous, TC = 25 C Continuous, TC = 100 C Peak, TC = 25 C ID Tabla 1: parámetros del transistor IRF830. Adc Se trabaja el transistor en región de saturación, para ello se debe variar el V DS y hacer variaciones discretas del V GS. Análisis DC: Se sustituyen los capacitores por circuito abierto y se retiran las fuentes de señal. Las ecuaciones que nos permiten la solución del circuito son: ( ) (1) ( ) (2) Gráfica 4. Modelo equivalente en pequeña señal. Luego de realizar el análisis al circuito de la gráfica anterior, es posible encontrar numéricamente los valores de cada uno de los parámetros del circuito. Donde R 1 = 680 KΩ y R 2 = 180 KΩ Para R s debe escogerse un valor muy pequeño, para este análisis R s = 400Ω (8) (9) ( ) (10) (11) B. Simulación Para realizar la simulación del circuito se tiene en cuenta que el voltaje inicial será de 0,100V, una frecuencia de 2000Hz.

3 1. Simulación en pspice del circuito: Gráfica 5. Simulación circuito con 5KHz de frecuencia. Gráfica 8. Montaje a 2KHz Gráfica 6. Simulación Diagrama de Bode. C. Montaje. Al momento de realizar el montaje fue necesario tener en cuenta la conexión de cada dispositivo, debido a que un error en la conexión implica el mal funcionamiento del mismo. Para la conexión del IRF830 el pin 1 es GATE, el 2 es DRENO y el 3 es SOURCE. Se procedió a realizar el montaje variando la frecuencia entre su máximo y mínimo para determinar las frecuencias de corte, las fotos a continuación: Gráfica 9. Montaje a 5KHz. Gráfica 10. Montaje a 13 KHz. Gráfica 7. Montaje a 1Khz.

4 Gráfica 11. Montaje a 30 KHz. Gráfica 15. Montaje a 200KHz. Gráfica 12. Montaje a 70 KHz. Gráfica 16. Montaje a 250KHz. Gráfica 13. Montaje a 100 KHz. Gráfica 17. Montaje a 300KHz. Gráfica 14. Montaje a 150KHz. Gráfica 18. Montaje a 350KHz.

5 voltaje RMS en mv voltaje RMS en mv Gráfica 21. Barrido de frecuencias del circuito. Gráfica 19. Montaje a 400KHz. Para realizar la medición de la distorsión armónica con el osciloscopio se debe utilizar la opción MATH y seleccionar la opción FFT, allí se ajusta la frecuencia deseada que para nuestro caso serán los 5KHz, su forma se observa en los gráficos 22 y 23. Gráfica 20. Montaje a 450KHz. En estas gráficas tomadas del osciloscopio se puede observar que desde una frecuencia de 5KHz y hasta 30KHz permanece con una ganancia de 50, luego de estas frecuencias la ganancia comienza a bajar hasta llegar a igualarse a la señal de entrada en 450KHz. frecuencia en Hz voltaje RMS en mv Tabla 2. Frecuencia vs Voltaje pico Gráfica 22. Montaje de distorsión armónica en ventana Hanning. Gráfica 23. Montaje de distorsión armónica en ventana Flattop. La ventana Hanning posee una óptima resolución en frecuencia y la ventana Flattop óptima para medir la amplitud todas dos en decibelios. Para poder realizar la medición de la distorsión armónica total utilizaremos la ventana Flattop en la cual en 0dB ya

6 tenemos 1V RMS. A 0 = 24dB = 24 V RMS. A 1 = 66dB = 66 V RMS. A 2 = 48dB = 48 V RMS. A 3 = 29dB = 29 V RMS. A 4 = 12dB = 12 V RMS. (12) (13) (14) (15) La distorsión armónica total se encuentra dada por la ecuación: ( ) (16) III. RESULTADOS EXPERIMENTALES Al momento de realizar el diseño se tuvo en cuenta valores de resistencias y capacitores reales del laboratorio, esto con el fín que los valores de las resistencias y capacitores no influyeran en medidas de error. Para realizar las mediciones de impedancia de entrada se utilizó un multímetro en su opción de resistencia, colocando una de sus puntas en tierra y la otra punta en GATE del transistor, el valor obtenido fue de 178KΩ, dando un valor de error de 25,35%, para la de salida se mide colocando una de sus puntas en tierra y la otra punta en DRENO del transistor, el valor obtenido fue de 9,8KΩ, dando un valor de error de 2%. Se obtuvo una gran diferencia con respecto a la ganancia, debido a que la teórica nos da un valor de 965, simulada en pspice de 50 y en el montaje de 20. Respecto a esto, las señales de voltaje de entrada y de salida están desfasadas aproximadamente En general el comportamiento de las señales de voltaje son parecidas, teniendo en cuenta que se generan errores debido al funcionamiento de los componentes del circuito especialmente con los MOSFET, sumados a la incertidumbre generada por los instrumentos de medida, ya sea multímetro o el osciloscopio. exponencial, de esto nos pudimos dar cuenta en primera instancia gracias a la simulación. Se observa que el osciloscopio nos permite realizar mediciones de frecuencia conociendo bien su funcionamiento, es importante leer el manual. Se evidencia que la frecuencia es un parámetro que influye en este tipo de circuitos y configuraciones, debido a que como se muestra en la tabla 2. a medida que esta aumenta el voltaje en la resistencia de carga varía, de hecho al ir aumentando la frecuencia el voltaje creció hasta un valor máximo de 1,5 V y luego se fue disminuye hasta a 0,107 V Se logró comprender el uso del amplificador en fuente común usando el MOSFET IRF830 cumpliendo los objetivos propuestos en el laboratorio. A. Gráficas. GRÁFICOS, TABLAS Y ECUACIONES Gráfica 1. Configuración para curvas del MOSFET. Gráfica 2. Curvas del MOSFET. Gráfica 3. MOSFET en fuente común. Gráfica 4. Modelo equivalente en pequeña señal. Gráfica 5. Simulación circuito con 5KHz de frecuencia. Gráfica 6. Simulación Diagrama de Bode.. Gráfica 7. Montaje a 1Khz. Gráfica 8. Montaje a 2Khz. Gráfica 9. Montaje a 5Khz. Gráfica 10. Montaje a 13Khz. Gráfica 11. Montaje a 30Khz. Gráfica 12. Montaje a 70Khz. Gráfica 13. Montaje a 100Khz. Gráfica 14. Montaje a 150Khz. Gráfica 15. Montaje a 200Khz. Gráfica 16. Montaje a 250Khz. Gráfica 17. Montaje a 300Khz. Gráfica 18. Montaje a 350Khz. Gráfica 19. Montaje a 400Khz. Gráfica 20. Montaje a 450Khz. Gráfica 21.Barrido de frecuencias del circuito. Gráfica 22. Montaje de distorsión armónica en ventana Hanning. Gráfica 23. Montaje de distorsión armónica en ventana Flattop. IV. CONCLUSIONES Se puede concluír que en un Mosfet de tipo incremental, la salida debe estar desfasada con respecto a la entrada 180º, debido a que es un transistor de efecto de campo que funciona casi como conmutador. Se puede observar que el transistor Mosfet IRF830, funciona correctamente para voltajes de entrada muy pequeños, del orden de 0.1, para voltajes muy grandes tanto la salida como la entrada crecen de forma B. Ecuaciones. (1) Ecuación de (2) Ecuación de. (3) Ecuación de. (4) Ecuación de. (5) Ecuación de. (6) Ecuación de. (7) Ecuación de. (8) Ecuación de. (9) Ecuación de.

7 (10) Ecuación de. (11) Ecuación de. (12) Ecuación de. (13) Ecuación de. (14) Ecuación de. (15) Ecuación de. (16) Ecuación de Distorsión armónica total. C. Tablas. Tabla 1. Parámetros del transistor IRF830. Tabla 2. Frecuencia vs Voltaje pico REFERENCIAS [1] Transistores MOSFET, configuración y polarización. URL: [2] El MOSFET. URL: [3] Mosfet s. URL: [4] Transistor NPN Mosfet, IRF830. URL: Edy Catalina Sánchez López: , grupo 2, Ingeniería de control.