Post on 11-Sep-2015
Prctica 5 Grupo 02 21 de Octubre de 2013 periodo 2013/02.
Edy Catalina Snchez Lpez.
Laboratorio Electrnica Anloga II, Escuela de Mecatrnica, Facultad de Minas
Universidad Nacional de Colombia Sede Medelln
Resumen Con sta prctica se pretende estudiar el comportamiento del transistor MOSFET en pequea
seal (amplificacin), para esto se har un trazado de las curvas caractersticas del dispositivo lo que nos
permitir identificar las zonas de operacin y sus modelos circuitales asociados. Tambin se realizara un
anlisis terico y se proceder 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.
Index Terms Drain, Gate, MOSFET, Source, Transistor.
I. INTRODUCIN
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 est aislada del canal, consiguindose de esta
forma que la corriente de dicho terminal sea muy pequea,
prcticamente despreciable. Debido a este hecho, la
resistencia de entrada de este tipo de transistores es
elevadsima, del orden de 10.000 MW, lo que les convierte en
componentes ideales para amplificar seales muy dbiles.
Existen dos tipos de MOSFET en funcin de su estructura
interna: los de empobrecimiento y los de enriquecimiento. Los
primeros tienen un gran campo de aplicacin como
amplificadores de seales dbiles en altas frecuencias o radio-
frecuencia (RF), debido a su baja capacidad de entrada. Los
segundos tienen una mayor aplicacin en circuitos digitales y
sobre todo en la construccin de circuitos integrados, debido a
su pequeo consumo y al reducido espacio que ocupan.
II. DESARROLLO
A. ProcedimientoTerico
Inicialmente se solicita para el circuito de la figura 1 analizar
sus curvas caractersticas.
Grfica 1. Configuracin para curvas del MOSFET.
Para poder graficar estas curvas debemos configurar en la
opcin DC-Sweep y paramtrica la fuente de voltaje de tipo
lineal.
Las curvas caractersticas del MOSFET son:
Grfica 2. Curvas del MOSFET.
Informe de la Prctica 5: El MOSFET en pequea
L
Prctica 5 Grupo 02 21 de Octubre de 2013 periodo 2013/02.
Luego de hallar estas curvas se comienza con el diseo del
circuito y sus ecuaciones. Se trabajar con el MOSFET en
configuracin fuente comn (ver grfica 3)
Grfica 3. MOSFET en fuente comn.
Se procede entonces con los clculos de la siguiente forma:
Los datos iniciales se obtienen del datasheet del MOSFET a
utilizar (IRF830):
Caracterstica Smbolo Mnimo Mximo Unidad
Gate Threshold Voltage
(VDS = VGS, ID = 0.25
mA) VGS(th) 2.0 4.0 Vdc
Static DraintoSource OnResistance
(VGS = 10 Vdc, ID = 2.5
Adc)
RDS(on) - 1.5 Ohm
OnState Drain Current (VGS = 10 V)
(VDS 6.75 Vdc)
ID(on)
4.5 - Adc
valor
DrainSource Voltage VDSS 500 Vdc
DrainGate Voltage (RGS = 1.0 M)
VDGR 500 Vdc
GateSource Voltage VGS 20 Vdc
Drain Current
Continuous, TC = 25C
Continuous, TC = 100C
Peak, TC = 25C
ID
4.5 3.0 18
Adc
Tabla 1: parmetros del transistor IRF830.
Se trabaja el transistor en regin de saturacin, para ello se
debe variar el VDS y hacer variaciones discretas del VGS.
Anlisis DC: Se sustituyen los capacitores por circuito
abierto y se retiran las fuentes de seal. Las ecuaciones que
nos permiten la solucin del circuito son:
( ) (1)
( ) (2)
(3)
Despejando VGSQ en su forma cuadrtica se obtiene:
( )
(
)
(4)
( )
(5)
(6)
(7)
Anlisis AC: se realiza la conversin de la siguiente forma:
Grfica 4. Modelo equivalente en pequea seal.
Luego de realizar el anlisis al circuito de la grfica anterior,
es posible encontrar numricamente los valores de cada uno
de los parmetros del circuito.
(8)
Donde R1 = 680 K y R2 = 180 K
(9)
Para Rs debe escogerse un valor muy pequeo, para este
anlisis Rs = 400
( ) (10)
(11)
B. Simulacin
Para realizar la simulacin del circuito se tiene en cuenta
que el voltaje inicial ser de 0,100V, una frecuencia de
2000Hz.
Prctica 5 Grupo 02 21 de Octubre de 2013 periodo 2013/02.
1. Simulacin en pspice del circuito:
Grfica 5. Simulacin circuito con 5KHz de frecuencia.
Grfica 6. Simulacin Diagrama de Bode.
C. Montaje.
Al momento de realizar el montaje fue necesario tener en
cuenta la conexin de cada dispositivo, debido a que un error
en la conexin implica el mal funcionamiento del mismo.
Para la conexin del IRF830 el pin 1 es GATE, el 2 es
DRENO y el 3 es SOURCE.
Se procedi a realizar el montaje variando la frecuencia
entre su mximo y mnimo para determinar las frecuencias de
corte, las fotos a continuacin:
Grfica 7. Montaje a 1Khz.
Grfica 8. Montaje a 2KHz
Grfica 9. Montaje a 5KHz.
Grfica 10. Montaje a 13 KHz.
Prctica 5 Grupo 02 21 de Octubre de 2013 periodo 2013/02.
Grfica 11. Montaje a 30 KHz.
Grfica 12. Montaje a 70 KHz.
Grfica 13. Montaje a 100 KHz.
Grfica 14. Montaje a 150KHz.
Grfica 15. Montaje a 200KHz.
Grfica 16. Montaje a 250KHz.
Grfica 17. Montaje a 300KHz.
Grfica 18. Montaje a 350KHz.
Prctica 5 Grupo 02 21 de Octubre de 2013 periodo 2013/02.
Grfica 19. Montaje a 400KHz.
Grfica 20. Montaje a 450KHz.
En estas grficas 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 seal de entrada
en 450KHz.
frecuencia en Hz voltaje RMS en mV
1000 1310
3000 1450
5000 1500
13000 1390
30000 1100
70000 624
100000 453
150000 309
200000 235
250000 189
300000 162
350000 137
400000 121
450000 107 Tabla 2. Frecuencia vs Voltaje pico
Grfica 21. Barrido de frecuencias del circuito.
Para realizar la medicin de la distorsin armnica con el
osciloscopio se debe utilizar la opcin MATH y seleccionar la
opcin FFT, all se ajusta la frecuencia deseada que para
nuestro caso sern los 5KHz, su forma se observa en los
grficos 22 y 23.
Grfica 22. Montaje de distorsin armnica en ventana Hanning.
Grfica 23. Montaje de distorsin armnica en ventana Flattop.
La ventana Hanning posee una ptima resolucin en
frecuencia y la ventana Flattop ptima para medir la amplitud
todas dos en decibelios.
Para poder realizar la medicin de la distorsin armnica
total utilizaremos la ventana Flattop en la cual en 0dB ya
1
10
100
1000
10000
1 100 10000 1000000
voltaje RMS en mV
voltaje RMSen mV
Prctica 5 Grupo 02 21 de Octubre de 2013 periodo 2013/02.
tenemos 1VRMS.
A0 = 24dB = 24 VRMS.
A1 = 66dB = 66 VRMS. A2 = 48dB = 48 VRMS.
A3 = 29dB = 29 VRMS. A4 = 12dB = 12 VRMS.
(12)
(13)
(14)
(15)
La distorsin armnica total se encuentra dada por la
ecuacin:
( )
(16)
III. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Al momento de realizar el diseo se tuvo en cuenta valores de
resistencias y capacitores reales del laboratorio, esto con el fn
que los valores de las resistencias y capacitores no influyeran
en medidas de error.
Para realizar las mediciones de impedancia de entrada se
utiliz un multmetro en su opcin de resistencia, colocando
una de sus puntas en tierra y la otra punta en GATE del
transistor, el valor obtenido fue de 178K, 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 9,8K, dando un valor de error de
2%.
Se obtuvo una gran diferencia con respecto a la ganancia,
debido a que la terica nos da un valor de 965, simulada en
pspice de 50 y en el montaje de 20. Respecto a esto, las
seales de voltaje de entrada y de salida estn desfasadas
aproximadamente 1800.
En general el comportamiento de las seales 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 multmetro o el
osciloscopio.
IV. CONCLUSIONES
Se puede conclur que en un Mosfet de tipo incremental, la salida debe estar desfasada con respecto a la entrada 180,
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
pequeos, del orden de 0.1, para voltajes muy grandes
tanto la salida como la entrada crecen de forma
exponencial, de esto nos pudimos dar cuenta en primera
instancia gracias a la simulacin.
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 parmetro 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 vara, de hecho al ir
aumentando la frecuencia el voltaje creci hasta un valor
mximo de 1,5 V y luego se fue disminuye hasta a 0,107 V
Se logr comprender el uso del amplificador en fuente
comn usando el MOSFET IRF830 cumpliendo los
objetivos propuestos en el laboratorio.
GRFICOS, TABLAS Y ECUACIONES
A. Grficas.
Grfica 1. Configuracin para curvas del MOSFET.
Grfica 2. Curvas del MOSFET.
Grfica 3. MOSFET en fuente comn.
Grfica 4. Modelo equivalente en pequea seal.
Grfica 5. Simulacin circuito con 5KHz de frecuencia.
Grfica 6. Simulacin Diagrama de Bode. .
Grfica 7. Montaje a 1Khz.
Grfica 8. Montaje a 2Khz.
Grfica 9. Montaje a 5Khz.
Grfica 10. Montaje a 13Khz.
Grfica 11. Montaje a 30Khz.
Grfica 12. Montaje a 70Khz.
Grfica 13. Montaje a 100Khz.
Grfica 14. Montaje a 150Khz.
Grfica 15. Montaje a 200Khz.
Grfica 16. Montaje a 250Khz.
Grfica 17. Montaje a 300Khz.
Grfica 18. Montaje a 350Khz.
Grfica 19. Montaje a 400Khz.
Grfica 20. Montaje a 450Khz.
Grfica 21.Barrido de frecuencias del circuito.
Grfica 22. Montaje de distorsin armnica en ventana Hanning.
Grfica 23. Montaje de distorsin armnica en ventana Flattop.
B. Ecuaciones.
(1) Ecuacin de
(2) Ecuacin de .
(3) Ecuacin de .
(4) Ecuacin de . (5) Ecuacin de . (6) Ecuacin de . (7) Ecuacin de . (8) Ecuacin de . (9) Ecuacin de .
Prctica 5 Grupo 02 21 de Octubre de 2013 periodo 2013/02.
(10) Ecuacin de . (11) Ecuacin de . (12) Ecuacin de . (13) Ecuacin de . (14) Ecuacin de . (15) Ecuacin de . (16) Ecuacin de Distorsin armnica total.
C. Tablas.
Tabla 1. Parmetros del transistor IRF830.
Tabla 2. Frecuencia vs Voltaje pico
REFERENCIAS
[1] Transistores MOSFET, configuracin y polarizacin. URL: http://www.slideshare.net/JCCG_1/transistores-mosfet-
configuracion-y-polarizacion
[2] El MOSFET. URL:
http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/MOSFET.html.
[3] Mosfets. URL: http://www.nxp.com/products/mosfets/
[4] Transistor NPN Mosfet, IRF830. URL: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/F/8/IRF830.shtml
Edy Catalina Snchez Lpez: 43272061, grupo 2, Ingeniera
de control.