Electrónica para Físicos I

Laboratorio AmplificadoresPablo A. Spring

Objetivos

Poder reconocer componentes, armar un circuito, ponerlo en marcha. Usar generadores de señales y osciloscopios para determinar el funcionamiento y

respuesta de un circuito. Comparar condiciones de operación con modelo Spice usando comando ·OP, .AC, .TRAN Al usar un generador senusoidal y rectangular como entrada y un osciloscopio para medir,

determinar la respuesta de frecuencia sobre un rango amplio de frecuencias, 1 a 5 MHz, y además

realizar procedimientos para poder determinar las impedancias de entrada y de salida (tendría que identificar estrategias, ya que no se mide directamente).

Comparar el efecto de eliminar o reducir la retroalimentación. Observar el comportamiento dinámico del circuito.

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Construcción del circuito

Siguiendo las instrucciones presentadas se ha construido el circuito número uno, se muestra en la siguiente imagen.

Simulación en Spice

Simulaciones en Spice.

Con el fin de seguir con los objetivos del laboratorio realizaremos las simulaciones con los distintos métodos que nos entrega Spice

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.OP

Donde obtenemos los siguientes datos de operación y los comparamos con el circuito físico, notar que los nodos están marcados en la imagen de la Simulación

Circuito (V) Spice (V) %Dif. V(n001): 15,10 15 0,7V(n002): 13,80 14,29 -3,4V(n003): 1,68 2,8 -40,0V(n004): 0,65 0,679 -4,7V(n005): 0,65 0,679 -5,0V(n006): 0,84 0,868 -3,1V(n007): 1,03 1,05 -1,9V(n008): 1,05 2,1 -50,0

Se pueden atribuir las diferencias porcentuales entre el Spice y el Circuito real, a la baja consideración que se le da a parámetros reales de las resistencias y el largo de los cables, pero en 6 de los 7 nodos, los valores están bajo el 5% de diferencia.

.Tran

Hacemos el análisis Transiente , podemos ver la señal de entrada en rojo y la de salida en azul. Donde se puede ver la ganancia y las ondas en fase. Las ganancias

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Ganancias para distintas resistencias con una señal de entrada de 1kHz y 100mV pk to pk

A continuación podemos ver la señal de salida para cada una de las resistencias de prueba (Fotografías tomadas al osciloscopio)

Resistencias de prueba 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ y 1MΩ

La señal de entrada entonces es la siguiente:

La señal a la salida para 1kΩ

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La señal a la salida para 10kΩ

Para 100 kΩ

Y para 1 MΩ

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Podemos notar que solo para el valor de 10 kΩ se modula una señal de salida clara y con una ganancia especifica.

Resistencia Peak to Peak circuito Ganancia

1kΩ 1.58V 15

10 kΩ 246 mV 2,5

100 kΩ 25 mV 0,25

1 MΩ 10 mV 0,1

Podemos notar que la ganancia para resistencias de entrada bajas es mayor, pero observando los valores del osciloscopio, mientras menos es la resistencia se empieza a hacer notorio un efecto de saturación en la señal de salida, miremos la siguiente prueba con 100Ω

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La saturación es simplemente notoria, aunque la ganancia es mayor.

Las ganancias comparativas para Spice y el circuito físico son las siguientes.

Resistencia Peak to Peak circuito (V)

Ganancia Física

Peak to Peak Spice (V)

Ganancia Spice

1kΩ 1,58 15 7 70

10 kΩ 0,246 2,5 1 10

100 kΩ 0,025 0,25 0,1 1

1 MΩ 0,01 0,1 0,01 0,1

Podemos notar en Spice que sin importar lo bajo que se haga el valor de la resistencia de entrada la máxima ganancia, incluso con saturación es de 70, implica que el peak to peak es de 7 V, a partir de este valor podemos darnos cuenta de que la ganancia tiene un valor máximo i resistencia de entrada, en el caso de nuestro circuito ese valor es de 15. Debemos suponer que las diferencias entregadas por Spice y la realidad se deben a las limitaciones de la simulación, relacionadas con los conductores, los valores de tolerancia y la impedancia.

Ahora desconectando C3, repetimos las observaciones anteriormente realizadas. Se adjuntan los datos a la tabla. Inmediatamente nos damos cuenta que la ganancia se satura en un voltaje peak to peak de 7 V. Podemos notar en el osciloscopio que la estabilidad de la señal de salida es muy baja, teniendo demasiado ruido, esto producto de la desconexión del componente C3

Resistencia Peak to Peak circuito (V)

Ganancia Física

Peak to Peak Spice (V)

Ganancia Spice

1kΩ 1,58 15 7 70

10 kΩ 0,400 4 0,9 9

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100 kΩ 0,030 0,3 0,09 0,9

1 MΩ 0,01 0,1 0,008 0,08

Los valore de las ganancias reales, como podemos ver en la tabla, no varían demasiado con la salida de C3, pero el ruido aumenta en la señal de salida.

Las diferencias de ganancia en el circuito con C3 y sin C3 se resumen en la siguiente tabla.

Resistencia ΔG=Gcon-Gsin (real) ΔG=Gcon-Gsin (Spice)

1kΩ 0 0

10 kΩ -1.5 1

100 kΩ -0,05 0,1

1 MΩ 0 0,02

Podemos ver entonces que existe un cambio de ganancia a favor del circuito sin C3 en nuestro circuito físico, pero está ganancia es a costa de la modulación del sistema. Podemos ver una imagen de referencia para la resistencia de 10k Ω de la señal de salida y cómo se genera ruido al quitar el C3.

Con C3

Sin C3

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.AC

Haciendo un análisis Ac desde 1-10MHz, obtenemos el siguiente gráfico para el barrido de frecuencia.

Medición de Zout.

Con una resistencia de 1.7 KΩ, se logró obtener una amplitud p-p de salida de 1V sin saturación.

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Amplitud de salida al cambiar Zout

Zout Ω Salida circuito Ganancia Circuito

Salida Spice Ganancia Spice

47 0,034 0,34 0,5 5100 0,065 0,65 0,9 9680 0,286 2,86 4 401k 0,353 3,53 5 50

10k 0,648 6,48 9 9022k 0,689 6,89 9 9047k 0,7 7 9 90

Podemos ver en este caso una diferencia porcentual promedio de 1300 entre los valores reales y calculados en Spice, lo que permite concluir que la simulación tiene problemas al modelar Zout

Calculo de Zout

Vamos a suponer que nuestro previo es un generador ideal (Impedancia de salida = 0) con una impedancia real conectada en serie

Con generador de señal de aplicamos a nuestro previo una señal de 1 KHz suficiente como para conseguir a su salida de 1V VCA (Suficiente como para excitar la mayor parte de los amplificador).

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Calculemos Zout con Rsalida de 10kΩ

Calculemos para varias frecuencias.

Frecuencia(Hz) Rsalida Ω Vcarga V Vvacio V Zout Ω1000 10000 0,640 0,708 1062,52000 10000 1,09 1,2 1009,174311000 10000 0,4 0,52 30001000000 10000 0,058 0,06 344,827586

Donde vemos que para órdenes de magnitud de frecuencias de 1KHz la impedancia es uniforme a unos 1000Ω, pero para otras frecuencias la impedancia varía.

Efecto de disminuir la retroalimentación

Disminuimos la retroalimentación de 7V a y 0V

Comparemos la ganancia.

Donde podemos ver que la modulación se acaba y la salida ya no tiene la forma de la señal de entrada.

Conclusiones

Se realizaran las conclusiones respecto a los objetivos del laboratorio. Se puso poner exitosamente en marcha el circuito, tanto en su forma física como simulada, esto nos permitió analizar una serie de condiciones de funcionamiento y de ganancia, realizando comparaciones de las condiciones de operación con el modelo LTSpice usando los comando ·OP, .AC, .TRAN. Obtuvimos la repuesta a la

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frecuencia en rango de 1 a 5 MHz, obteniendo las impedancias de entrada y de salida. Se ha comparado el efecto de eliminar o reducir la retroalimentación.

En el caso de la ganancia, esta cambia al reemplazar la resistencia de entrada y de salida, la eliminación de C1 evidenció un cambio en la modulación, de la misma forma la eliminación de la retroalimentación evidencia que la salida tendrá ganancia en ciertos rangos. Producto del mal funcionamiento del generador de ondas no se pudo determinar en el circuito la respuesta a la frecuencia en ondas cuadradas.

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