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Práctica 5– Grupo 02 – 21 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
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.
Index Terms – Drain, Gate, MOSFET, Source, Transistor.
I. INTRODUCIÓN
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 10.000 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 radio-
frecuencia (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.
II. DESARROLLO
A. ProcedimientoTeórico
Inicialmente se solicita para el circuito de la figura 1 analizar
sus curvas características.
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.
Informe de la Práctica 5: El MOSFET en
pequeña
L
Práctica 5– Grupo 02 – 21 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
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)
Gráfica 3. MOSFET en fuente común.
Se procede entonces con los cálculos de la siguiente forma:
Los datos iniciales se obtienen del datasheet del MOSFET a
utilizar (IRF830):
Característica Símbolo Mínimo Máximo Unidad
Gate Threshold Voltage
(VDS = VGS, ID = 0.25
mA) VGS(th) 2.0 4.0 Vdc
Static Drain−to−Source On−Resistance
(VGS = 10 Vdc, ID = 2.5
Adc)
RDS(on) - 1.5 Ohm
On−State Drain Current (VGS = 10 V)
(VDS 6.75 Vdc)
ID(on)
4.5 - 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 = 25C
Continuous, TC = 100C
Peak, TC = 25C
ID
4.5 3.0 18
Adc
Tabla 1: parámetros del transistor IRF830.
Se trabaja el transistor en región de saturación, para ello se
debe variar el VDS y hacer variaciones discretas del VGS.
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)
(3)
Despejando VGSQ en su forma cuadrática se obtiene:
( )
(
)
(4)
( )
(5)
(6)
(7)
Análisis AC: se realiza la conversión de la siguiente forma:
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.
(8)
Donde R1 = 680 KΩ y R2 = 180 KΩ
(9)
Para Rs debe escogerse un valor muy pequeño, para este
análisis Rs = 400Ω
( ) (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.
Práctica 5– Grupo 02 – 21 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
1. Simulación en pspice del circuito:
Gráfica 5. Simulación circuito con 5KHz de frecuencia.
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 7. Montaje a 1Khz.
Gráfica 8. Montaje a 2KHz
Gráfica 9. Montaje a 5KHz.
Gráfica 10. Montaje a 13 KHz.
Práctica 5– Grupo 02 – 21 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
Gráfica 11. Montaje a 30 KHz.
Gráfica 12. Montaje a 70 KHz.
Gráfica 13. Montaje a 100 KHz.
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.
Práctica 5– Grupo 02 – 21 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
Gráfica 19. Montaje a 400KHz.
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
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
Gráfica 21. Barrido de frecuencias del circuito.
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 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
1
10
100
1000
10000
1 100 10000 1000000
voltaje RMS en mV
voltaje RMSen mV
Práctica 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 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 1800.
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.
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
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.
GRÁFICOS, TABLAS Y ECUACIONES
A. Gráficas.
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.
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 .
Práctica 5– Grupo 02 – 21 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
(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: 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] Mosfet’s. 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 Sánchez López: 43272061, grupo 2, Ingeniería
de control.
