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Universidad Nacional De ColombiaFacultad De IngenierıaDepartamento De Ingenierıa Electrica Y Electronica

ElectronicaAnaloga-II

Fuentes de Corriente Mosfet y AmplificadoresDiferenciales

1 Objetivos

• Implementar y caracterizar el comportamiento electrico de una fuente de corriente MOSFET tipo P.

• Disenar y analizar el desempeno de un amplificador diferencial (A.D).

• Medir los efectos de diferentes circuitos de fuentes de corriente en el desempeno del A.D.

2 Espejo de Corriente Simple con MOSFET P

En esta seccion de la practica se disenara e implementara un espejo de corriente que se basa en MOSFETS. Para estaparte de la practica volveremos a aprovechar el circuito integrado TC4007, ya que con el mismo podemos implementarespejos tanto con transistores de canal N, como con transistores de canal P. Aquı nos centraremos en un espejo simplecon MOSFET canal P.

Figure 1: Espejo de Corriente con MOSFETS tipo P

La topologıa de dichos espejos, es la que se muestra en la Figura 1. Si la fuente de corriente esta disenada conmosfets tipo P; estos estan conectados por sus fuentes, y el Mosfet Q1 esta conectado como diodo, y alimentado poruna corriente de referencia Iref (A traves de R) Como el voltaje VGS1 = VGS2, y los dispositivos estan apareados, lacorriente IRef se replica en Q2 haciendose exactamente igual a I0. Aquı no hay degradaciones de ningun tipo pues lacompuerta aislada de los dispositivos no permite desviar ninguna parte de la corriente.

El dispositivo Q1 debido a su conexion, se encuentra siempre en saturacion (que aquı es equivalente a decir regionlineal de operacion). Mientras el dispositivo Q2 permanezca tambien en la region saturada, el trabajo de la fuente

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sera perfecto, pero ello dependera de la carga que se conecte al drenador de Q2. Observese que para el transistor Q1

en la figura 1(2), se cumple que:

Iref =VDD − VGS

R(1)

Y como Iref = IQ1 tambien se cumple que:

Iref = kp(VGS − Vt)2 (2)

Las ecuaciones 1 y 2 permiten disenar la fuente de corriente, es decir, calcular el valor de R necesario para unadeterminada corriente de referencia; o alternativamente, dado un valor de R, calcular la corriente de referencia queaparecera. Por otro lado es necesario asegurarse que el Mosfet Q2, cumpla siempre la condicion para saturacion:

VDS ≥ (VGS − Vt) (3)

2.1 Prelaboratorio

Con anterioridad a la sesion de laboratorio deben disenar el espejo de corriente utilizando los Mosfet 6,13,14 y 1,2,3del circuito integrado 4007. Utilizaremos un voltaje VDD = +12V , por seguridad del circuito integrado, y no nosolvidaremos de conectar la terminal 14 del sustrato a +12V olts. El terminal 7 tambien debera ser conectado alpotencial de tierra. La corriente de salida del espejo es necesaria disenarla de tal forma que la corriente resultante esde (2, 5 + 0, 5 ∗mod(X, 10))mA. Donde X es el numero de su grupo.

El diseno en este caso consiste en calcular el valor requerido de la resistencia (para la corriente de referencia Iref)R, teniendo en cuenta las ecuaciones 1 y 2. El valor de R obtenido, se normalizara al valor mas cercano dentro delseriado E-24 al 5%, pero de todas maneras se medira. Todos los calculos y aproximaciones deben quedar constituidospor arreglos consignados en su bitacora de laboratorio. Los valores de Vt y kp de los Mosfet de canal P de este circuitointegrado, se tomaran de las estimaciones realizadas en practicas previas.

A continuacion deben determinar el valor maximo de la resistencia de carga RL, para lo cual requieren utilizar lacondicion expresada en la ecuacion 3.

2.2 Laboratorio

Lleven al laboratorio siete resistencias normalizadas comenzando con 100Ω, y que vayan creciendo hasta llegar a unvalor superior al RL maximo que de acuerdo a sus calculos llevarıa al Mosfet Q2 fuera de la region de saturacion.

Mıdanlas cuidadosamente y anoten esos valores.Con base en sus medidas, construyan una grafica de la corriente de salida de la fuente en funcion de la resistencia

de carga. Utilicen papel semilogarıtmico. (Esta grafica se debe anexar al informe).Ahora construyan una grafica del voltaje entre drenador y fuente VDS de Q2, en funcion de la resistencia de carga

utilizada. Utilicen papel semilogarıtmico. (Esta grafica se debe anexar al informe).¿Que conclusion se puede sacar de la misma?¿Que tanta exactitud (de acuerdo con sus medidas), tuvo el calculo de la maxima resistencia de carga que podrıa

alimentar este espejo de corriente sin que cambiaran la corriente solicitada?¿Para que valor de la resistencia de carga se hace maxima la disipacion de potencia del transistor Q2?. Justifiquen

su respuesta y calculen el valor de dicha potencia.¿Por que el transistor Q1 se encuentra siempre en saturacion en esta fuente de corriente?

3 Amplificador Diferencial BJT con carga resistiva

La respuesta de un amplificador diferencial tiene una region en la cual el voltaje de salida es linealmente proporcionala la componente diferencial del voltaje de entrada. Idealmente, un amplificador diferencial rechazara senales comunes

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a las dos entradas, pero esto es cierto si la resistencia de salida de la fuente de corriente tiene un valor infinito.En un amplificador diferencial real, la ganancia en modo comun sera pequena, pero medible, y su valor puede serusado para estimar la resistencia de salida de la fuente de corriente. La figura 2 muestra un amplificador diferencialcon carga resistiva.

3.1 Prelaboratorio

Para la practica utilizaremos 2 transistores BJT apareados de los CI LM3046 o LM3086, del cual utilizaremos comopar diferencial para todo lo que sigue, los transistores Q1 y Q2 (terminales 1,2,3 y 3,4,5), ya que se garantiza su quelos parametros seran similares, con toleracias muy estrechas, y sus emisores se encuentran conectados. Para construirla fuente de corriente se puede utilizar el resto de transistores del integrado.

NOTA: Se debe recordar que en este circuito integrado el substrato, que corresponde al pin 13, siempre debe irconectado al voltaje mas negativo de nuestro circuito.

Calculen las resistencias RC de colector de Q1 y de Q2 y normalicenlas al seriado E96 al −1%. Para el diseno de lafuente de corriente, escoja dos de las antropologıas vistas en la practica anterior (Es obligatorio implementar al menosuna de las siguientes: Fuente de corriente Wilson o fuente de corriente con BJT y Zener), y disene la fuente para queprovea una corriente de aproximadamente 5mA. La resistencia de carga RL , sera de 15KΩ

3.2 Laboratorio

Lo siguiente deben aplicarlo para las dos fuentes de corriente seleccionadas: Antes de aplicar senal al circuito, conectenlos voltajes de alimentacion empezando por el negativo; midan los dos voltajes, ası como los potenciales de losterminales (3), (1), y (5), y utilizando el valor de RC , calculen la corriente de polarizacion de cada transistor ysus voltajes V C E. Anotenlos en la bitacora, pues los necesitaran para los calculos de senal. Si la polarizacionesta razonablemente bien, pueden proceder a conectar el generador de senal con onda sinusoidal a la entrada, y elosciloscopio a la salida, procurando obtener la mayor senal de salida posible sin distorsion. Utilicen una frecuenciade 1Khz: Una vez que todo este estabilizado, midan la amplitud de las ondas de entrada y de salida y anotenlas,ası como el desfase que pueda existir entre las dos senales. Desconecten momentaneamente las alimentaciones y sinalterar la amplitud de la senal del generador lleve el condensador de acoplo de carga del terminal (5) al terminal (1),es decir al otro colector. Enciendan de nuevo y midan nuevamente la amplitud de las ondas de entrada y de salidaanotandolas, ası como el desfase entre la senal de entrada y la de salida. Como habıamos dicho la senal en modocomun es aquella que aparece simultaneamente en las dos entradas del amplificador diferencial. En la practica estolo logramos conectando las dos bases en un mismo punto, y la entrada de senal comun allı. El amplificador no sufreningun otro cambio por lo cual la polarizacion permanece igual que antes.

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Figure 2: A.D en Modo Diferencial, con Fuente de Corriente.

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