PRÁCTICA No. 1 INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN CON ORCAD PSPICE 1. OBJETIVOS 1.1 Objetivo general Analizar el comportamiento del amplificador de Emisor Común (EC) mono-etapa utilizando los diferentes tipos de análisis disponibles con la herramienta de simulación ORCAD PSPICE. 1.2 Objetivos específicos Familiarizar al estudiante con el uso de la herramienta de simulación ORCAD PSPICE como complemento al proceso de diseño y análisis de circuitos amplificadores. Identificar los principales tipos de simulación que presenta la herramienta ORCAD PSPICE para utilizarlos como soporte al análisis y diseño de circuitos con transistores. Obtener los parámetros de voltaje de polarización VCEQ, corriente de operación ICQ, constante Beta del transistor y las diferentes corrientes y voltajes del circuito de prueba a partir del modelo de pequeña señal del transistor con la herramienta de simulación. Determinar los parámetros que pueden modificarse en el modelo utilizado por el ORCAD PSPICE con la herramienta PSPICE MODEL. Utilizar la herramienta PROBE de ORCAD para visualizar los diferentes resultados que se pretenden obtener con la simulación. 2. EQUIPO NECESARIO Computador con últimas especificaciones Herramienta de simulación ORCAD PSPICE 10.3 o superior 3. COMPONENTES NECESARIOS Los componentes se tomarán de las librerías que la herramienta tiene disponibles para la simulación. 4. TRABAJO PERSONAL PREVIO Para la simulación con ORCAD PSPICE se empleará un amplificador de emisor común (EC) con un transistor BJT ya diseñado. Sin embargo, es necesario encontrar el modelo matemático del circuito de EC de la Figura 1. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 1 de 15 5. ECUACIONES BÁSICAS EXPRESIÓN MATEMÁTICA Ecuación recta DC 𝐴𝑣 = − ( 𝑉𝐶𝐶 𝑣𝐶𝐸 𝑖𝐶 = − 𝑅𝐷𝐶 𝑅𝐷𝐶 𝛽𝑅𝐼𝑁 𝑅𝐶 ||𝑅𝐿 ) ∗ 𝑅𝑆 + 𝑅𝐼𝑁 𝑟𝜋 𝑟𝜋 = 𝛽𝑉𝑇 , 𝐼𝐶𝑄 Ecuación recta AC 𝑉𝐶𝐶 𝑣𝐶𝐸 𝑖𝐶 = 𝐼𝐶𝑄 + − 𝑅𝐴𝐶 𝑅𝐴𝐶 𝑅𝐼𝑁 = 𝑅1 ||𝑅2 ||𝑟𝜋 𝑔𝑚 = 𝑟𝑜 = 𝑉𝐴 𝐼𝐶𝑄 𝐼𝐶𝑄 𝑉𝑇 MODELO PSPICE (PARÁMETROS DE CAMBIO) Beta 𝛽 Voltaje Early 𝑉𝐴 𝑉𝑇 = 25𝑚𝑉 6. PROCEDIMIENTO Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 2 de 15 6.1 Análisis en Bias Point (análisis en DC) El análisis en el modo Bias Point se utiliza para determinar el punto de operación de cada uno de los elementos que conforman el circuito de prueba, e identifica los parámetros del modelo de los dispositivos activos (Transistores) que se utilizan en la simulación. Para entender un poco mejor este perfil de simulación, vamos a desarrollar paso a paso la implementación de un circuito amplificador asi: 1. Implemente el circuito de la Figura 1 en el área de trabajo de ORCAD PSPICE como lo muestra la Figura 2. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 3 de 15 2. Seleccione de la barra de herramientas lateral derecha Place part para elegir los elementos que conforman el circuito. Ubique cada elemento del circuito en el área de trabajo (R, C, VCC, VSIN, VDC, Q2N2222A). 3. Seleccione las características de la fuente con doble click y configure los valores de la fuente VSIN como los de la Tabla 1: VSIN Nombre VOFF VAMPL FREQ Valor 0 20mV 10kHz Tabla 1 4. Finalizado el proceso de implementación del circuito en el área de trabajo de ORCAD PSPICE, seleccione Place net alias de la barra de herramientas lateral derecha, para darle nombre a cada nodo. Esta acción mejorará la descripción del circuito y la identificación de sus componentes a la hora de la simulación. En caso de presentarse un error en la simulación, el programa le indicará los nodos en donde se encuentra dicho error y podrá identificarlo fácilmente Figura 3. 5. Para la simulación de elementos semiconductores de tres terminales se debe cambiar el parámetro de ganancia de la corriente, de lo contrario, los valores arrojados en la simulación no corresponderán a los obtenidos en el análisis teórico. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 4 de 15 En este caso, para el transistor BJT el parámetro de ganancia de corriente es βf, y se asumirá un valor de prueba de βf = 213. 6.1.1 Modificación del Beta Para modificar el Beta del transistor BJT se procede dela siguiente manera: 1. Seleccione el transistor BJT como lo muestra la Figura 4. 2. De la barra de herramientas superior, seleccione el menú Edit/Pspice Model. Inmediatamente aparecerá una ventana donde se define el parámetro del modelo del transistor que ORCAD PSPICE utilizará para su simulación. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 5 de 15 3. Cambie el parámetro de ganancia de corriente de βf =250 por βf =213 y el voltaje Early al valor de VA=Vaf = 300 en el editor de texto del modelo de Pspice (Pspice Model), Figura 4. 4. Para garantizar que los cambios efectuados al transistor solo sean de manera temporal, dele un nuevo nombre al elemento. En este caso agréguele la letra J al modelo existente Q2N2222A_J. Guarde y cierre el Pspice model. 6.1.2 Simulación del modelo Antes de poder simular el modelo modificado configure el nuevo perfil de simulación así: 1. Seleccione de la barra de herramientas superior Pspice /New simulation Profile, 2. Para el nuevo perfil de simulación en el espacio de la caja de dialogo Name de la pestaña Analysis, introduzca el nombre que se le quiere dar al perfil de simulación; en este caso Bias point, Figura 6. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 6 de 15 3. Luego Create. 4. En la ventana emergente se configura la simulación, ó de la barra superior seleccione Edit Simulation Setting. 5. Seleccione la pestaña Analysis e introduzca el tipo de análisis que va a realizar Analysis type. En este caso: Bias point. 6. En la caja de dialogo Options, en la pestaña de análisis, seleccione General Settings. 7. En la misma pestaña seleccione para el archivo de salida Output File Options, la primera opcion. Include detailed bias point information for nonlinear controlled sources and semiconductors (OP). y Ok. 8. La visualización de los parámetros eléctricos, punto de operación de cada elemento y voltaje de nodo que Pspice utiliza para su simulación, se puede obtener con el archivo de salida Output File. Para ello seleccione de la barra de herramientas superior, Run pspice, la cual activa la herramienta Probe que permite visualizar el archivo de salida. 9. Para ver los parámetros eléctricos del punto de operación en DC del modelo del transistor Q2N2222A_J que arrojó la simulación, seleccione de la barra de herramientas superior View /output file, Figura 7. 10. Verifique que el valor del BETADC del output file sea 213. De lo contrario, cierre el output file y repita los pasos 1, 2, 3 del numeral 6.1.1. Luego simule el diseño. Repita este procedimiento tantas veces sea necesario hasta conseguir el valor propuesto. Utilice el método de ensayo y error, Figura 7. 11. Llene los valores de las variables eléctricas correspondientes al campo asignado en la tabla como Valores de simulación, Tabla 2. ANÁLISIS EN DC VARIABLE VALOR TEÓRICO VALOR DE SIMULACIÓN ICQ VCEQ VBEQ ΒDCQ Tabla 2 Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 7 de 15 Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 8 de 15 6.2 Análisis en el tiempo (time domain) Para el análisis en el dominio del tiempo, alimente el circuito con la fuente de señal VSIN como muestra el circuito de la Fig. 1, y 2. EDITOR DEL PERFIL DE SIMULACIÓN Analysis type: Options: Transient options: Output file options: Time domain Run to time: Start saving data after: General settings Maximum step size: Include detailed bias point information Tabla 3 500us 0.1us 1us Ok/Aceptar 1. De la barra de herramientas superior seleccione Pspice/ Edit Simulation Profile y configure el tipo de simulación con los valores que presenta la Tabla 3, Figura 8: Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 9 de 15 2. Ubique un Marcador de voltaje en la resistencia de salida y otro marcador de voltaje en la resistencia de la fuente de entrada vs, Fig. 9. 3. Para simular el circuito de prueba, seleccione Pspice/Run del menú de la barra de herramientas superior. 4. Automáticamente se habilita la herramienta Probe de ORCAD PSPICE que nos permite visualizar las gráficas de la señal de voltaje con respecto al tiempo como un osciloscopio virtual, Figura 10. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 10 de 15 5. Llene la Tabla 4 con los valores max. y min. de la señal de voltaje. Igualmente consulte los valores de pequeña señal del transistor presentes en el Output File y ubíquelos en la tabla. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 11 de 15 ANÁLISIS EN EL TIEMPO VARIABLE VALOR TEÓRICO VALOR SIMULACIÓN Vi(pk) Vo(pk) AV βACQ rπ gm Φ(fase) Tabla 4 6. Grafique un periodo de las señales de entrada y la salida del circuito respectivamente en la Figura 11. 6.2.1 Margen de Fase 1. Para medir la diferencia de fase entre la señal de salida y la señal de entrada mantenemos el perfil de simulación en el dominio del tiempo Time domain. 2. Activamos nuevamente Probe con Run pspice. 3. En la barra de herramientas superior de Probe seleccionamos Trace/Evaluate Measurement. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 12 de 15 4. Ya en la ventana para la evaluación de medidas, Evaluate Measurement, procedemos a seleccionar la medida que queremos evaluar en Funciones ó Macros, se elige del listado la función PhaseMargin (1, y 2), Para los valores 1y 2 Escriba la expresión en el espacio en blanco en Trace Expressions : (V(Vo),V(Vs:+)) tome las variables de la lista total Full List, Figura 12. 5. Para ver los datos en la pantalla de probe View / Measurement Result, Figura 13. Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 13 de 15 6.3 Análisis en el dominio de la frecuencia 1. Para iniciar el análisis en frecuencia es necesario agregarle a la fuente Vsin la siguiente propiedad: AC = 1. 2. Para realizar dicho cambio, seleccione primero la fuente VSIN, luego en la barra de herramientas superior Edit / Property Editor: En el editor de propiedades del elemento, en la casilla AC ingrese el valor de 1 y de la barra de herramientas apply. No cierre la ventana, para visualizar las propiedades del elemento, elegimos de la barra de herramientas Dysplay properties / Name and value / Ok. Ya está, la fuente se encuentra lista para tener un valor fijo de voltaje VAC = 1 y variar su frecuencia. 3. Para configurar la simulación editamos de la barra de herramientas Edit simulation settings Analysis type: Ac sweep/noise. Options: General settings 4. AC sweep type: Start Frecuency: End Frecuency: Points / Decade: Aceptar. Logarithmic. 0.1hz 10Ghz 100. 5. Elija de la barra de herramientas un marcador de nivel de voltaje Voltage/Level Marker y ubíquelo a la salida del circuito. Seleccione Run pspice. 6. Analice el grafico y encuentre los valores para los que la ganancia cae a un 70.7% de su valor máximo y llene la Tabla 5. ANALISIS EN FRECUENCIA VARIABLE VALOR SIMULACIÓN FL FH BW Tabla 5 7. CONCLUSIONES Electrónica 2 – Lab01, Introducción a la simulación con Orcad Pspice (@Autor: Jhon Jairo Ramirez M., Editado por: Marco Aurelio García B.) Página 14 de 15 8. BIBLIOGRAFÍA A. Gullo, J. (1992). Diseño Electrónico: Circuitos y Sistemas. Argentina. Boylestad, Robert L. (1997). Electrónica: Teoría de Circuitos. México. Horenstein, Mark. (1997). Microelectrónica: Circuitos y Dispositivos. México. Malvino, Albert Paul. (2000) Principios de Electrónica. (6ta Edición). España. Neamen, Donald A. (1999). Análisis y Diseño de Circuitos Electrónicos, Tomo I. México. Savant, C.J., Roden Martin S., Carpenter Gordon. (2000). Diseño Electrónico. Circuitos y Sistemas. (3ra edición). México. Sedra, Adel. (2006). Circuitos Microelectrónicos, (5ta Edición). México. 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