PRÁCTICA 5. SIMULACIÓN DE MODELOS DE PEQUEÑA SEÑAL

Prácticas Circuitos Electrónicos. 2ºT
http://www.gte.us.es/ASIGN/CE_2T
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
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RL = 50K
Vdd = 10V
R1=2.5 M Ω
El MOSFET tiene como parámetros
Vt=2 V
kn=0.5 mA/V2
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
VDS > VGS – Vt. 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 ID con VGS. La característica de
un MOSFET es la ecuación ID=(kn/2)(w/L)(VGS-Vt)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 gm viene dada por la expresión
w Q
g m= 2 k n I D
L
y la resistencia de salida r0 por
r0 = 1/λIDQ
Cuando la resistencia de carga RL es grande, la ganancia en tensiones del circuito se
puede aproximar por la expresión
AV = gm 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) =
gm =
r0 =
2
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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 VDS, VGS e ID.
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=0.7551
+CJSW=4.8928E-10)
Además deberán especificarse la anchura y longitud (w y L).
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6. Memoria de resultados
Guardar para consulta posterior
NOMBRE:
1. Anotar los valores de VDS, VGS e ID obtenidos en el análisis de polarización.
VDS =
VGS =
ID =
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
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7. Cuestiones previas
Entregar antes del comienzo de la práctica
NOMBRE:
1. Deducir y dibujar la recta de carga ID=ID(VGS) del circuito.
2. Determinar el punto de polarización (ID, VDS), obtenido como la intersección de la
recta de carga con la característica de entrada ID=(kn/2)(w/L)(VGS-Vt)2 del MOSFET,
para que la ganancia en tensión del amplificador sea 3.
3. 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 (gm y r0), 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.
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