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

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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.

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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.

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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.

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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

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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 .

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(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.