PRÁCTICA 5. SIMULACIÓN DE MODELOS DE PEQUEÑA SEÑAL

Transcripción

1 PRÁCTICA 5. SIMULACIÓN DE MODELOS DE PEQUEÑA SEÑAL 1. Objetivo Se pretende conocer el modelo de pequeña señal del transistor MOS, y su utilización para la obtención de los parámetros de funcionamiento de un circuito. En la práctica se comprobará como el modelo de pequeña señal es una aproximación válida para un rango de frecuencias, y un modelo completo para la simulación proporciona la misma información. 2. Material necesario 1. Ordenador personal 2. Software MicroCAP V 3. Disquete para guardar los resultados obtenidos 3. Conocimientos previos Se va a simular el siguiente montaje de amplificador con MOSFET en fuente común. Figura 1 Los valores de los elementos serán los siguientes: Ri = 5K Ci = 100n RD = 3K RS = 3K Co = 1u Cs = 1u 1

2 RL = 50K Vdd = 10V R1=2.5 M Ω El MOSFET tiene como parámetros V t =2 V k n =0.5 ma/v 2 λ = 1.1e-2 V -1 w/l = 20u/20u El MOSFET se encuentra en zona activa si en el punto de polarización se cumple que V DS > V GS V t. El punto de polarización viene dado por la intersección de la recta de carga con la característica del transistor. La recta de carga es la ecuación obtenida del circuito (sin tener en cuenta el transistor) que relaciona I D con V GS. La característica de un MOSFET es la ecuación I D =(k n /2)(w/L)(V GS -V t ) 2 en zona activa. Como ambas ecuaciones tienen que cumplirse simultáneamente, la intersección de las dos curvas proporciona el punto de polarización, o de funcionamiento del circuito. El modelo de pequeña señal de un MOSFET en activa para frecuencias medias se muestra en la siguiente figura. Figura 2 En el modelo, la transconductancia g m viene dada por la expresión g m= 2 k w n L I Q D y la resistencia de salida r 0 por Q r 0 = 1/λI D Cuando la resistencia de carga RL es grande, la ganancia en tensiones del circuito se puede aproximar por la expresión A V = g m RD Antes de realizar la práctica, el alumno deberá contestar las cuestiones previas, y anotar los valores siguientes, ya que serán necesarios en el desarrollo de la práctica. R2 (obtenido en la cuestión 1) = g m = r 0 = 2

3 4. Realización de la práctica 1. Polarización del circuito Con el valor de R2 calculado, obtener el punto de polarización del circuito usando MicroCAP. En concreto, obtener los valores de V DS, V GS e I D. 2. Respuestas en frecuencia y transitoria del modelo completo Obtener la respuesta en frecuencia (análisis AC) del circuito entre las frecuencias de 10 Hz y 1000 MHz. Cuál es el ancho de banda aproximado del circuito? Y la ganancia máxima? Generar una onda senoidal en la fuente de entrada, de amplitud 0.5 V y frecuencia 100 khz. Obtener la respuesta transitoria durante un intervalo de 50 us. Fijar el tiempo de paso en 0.1 us. Hallar la ganancia en tensiones. 3. Respuestas usando el modelo de pequeña señal En un fichero nuevo, diseñar el esquemático correspondiente al modelo de pequeña señal del circuito. Para ello, sustituir el transistor por su modelo de pequeña señal, poner las fuentes de tensión continua a tierra, y sustituir los condensadores por cortocircuitos. Obtener la respuesta en frecuencia (análisis AC) del circuito entre las frecuencias de 10 Hz y 1000 MHz. Cuál es ahora el ancho de banda aproximado del circuito? Y la ganancia máxima? Generar una onda senoidal en la fuente de entrada, de amplitud 0.5 V y frecuencia 100 khz. Obtener la respuesta transitoria durante un intervalo de 50 ms. Fijar el tiempo de paso en 0.1 us. Hallar la ganancia en tensiones. Comparar los resultados obtenidos en los análisis usando el modelo de pequeña señal con los obtenidos usando el modelo completo. 5. Modelo del transistor El modelo del transistor MOSFET debe tener los siguientes parámetros:.model nfet nmos(vto=2 kp=0.5e-3 lambda=1.1e-2 CGDO=3.7593E-10 +CGSO=3.7593E-10 CGBO=3.9487E-10 CJ=9.2516E-05 MJ= CJSW=4.8928E-10) Además deberán especificarse la anchura y longitud (w y L). 3

4 6. Memoria de resultados Guardar para consulta posterior NOMBRE: 1. Anotar los valores de V DS, V GS e I D obtenidos en el análisis de polarización. V DS = V GS = I D = 2. Dibujar aproximadamente la ganancia en función de la frecuencia obtenida en el análisis AC. Cuál es el ancho de banda aproximado? Y la ganancia máxima? 3. Anotar la ganancia en tensión obtenida con el análisis transitorio usando el modelo completo. 4. Usando el circuito que incluye el modelo de pequeña señal, realizar el análisis AC y anotar los valores obtenidos ahora para el ancho de banda y la ganancia máxima. 5. A qué se deben las diferencias obtenidas en el análisis AC entre el modelo completo y el modelo de pequeña señal? 6. Calcular el valor de ganancia en tensión en el análisis transitorio usando el modelo de pequeña señal 4

5 7. Cuestiones previas Entregar antes del comienzo de la práctica NOMBRE: 1. Deducir y dibujar la recta de carga I D =I D (V GS ) del circuito. 2. Determinar el punto de polarización (I D, V DS ), obtenido como la intersección de la recta de carga con la característica de entrada I D =(k n /2)(w/L)(V GS -V t ) 2 del MOSFET, para que la ganancia en tensión del amplificador sea Determinar el valor de R2 que proporciona el punto de polarización hallado en la pregunta anterior. 4. Calcular los valores del modelo de pequeña señal (g m y r 0 ), para el punto de polarización hallado. 5. Anotar en el espacio designado para ello los valores pedidos, ya que serán necesarios para el desarrollo de la práctica. 5