Laboratorio de analógica osciladores

7/24/2019 Laboratorio de analógica osciladores

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Laboratorio # 3

Osciladores

Argandoña Torrico Israel Humberto 70362910 israel_argandona@hotmailcom

!u"m#n $s%ino"a &athal' (aniela 72712017 natitagu@hotmailcom

)o"a *oria !al+arro ,aren (anith"a 70722-2. /aren_danith"a_l@hotmailcom

RESUMEN

OBJETIVOS

O1. Realizar el estudio y sí ntesis de circuitos osciladores.

O2. Mostrar el comportamiento aplicado de un JFET como

dispositivo base de oscilación.

O3. Estudiar el circuito astable del temporizador LM555.

LABORATORIO

I1. Explicar los criterios y cálculos, teóricos y prácticos,

empleados para polarizar los transistores. Para el efecto,

mostrar las rectas de carga en DC y AC respectivos.

Fig. 1

Oscilador de Desplazamiento de Fase

igura 11ircuito de %olari"acin

El diseño de polarización del circuito de la figura 1.1 serealizo en el simulador PSpice. Los pasos seguidos pararealizar dicha polarización son los siguientes:

1. El Voltaje de estrangulamiento (VP es !" #V$. Se

escogieron %alores de lista de 1& '&1 para los %aloresde " corrientes en el an)lisis.

*. El Voltaje de Puerta a +uente en el punto deoperación , (V-S, es !".' m #V$.

". Las rectas de carga se muestran en las figuras 1.1.1 1.1.*

mailto:[email protected]









V_Vg

-3.0V -2.5V -2.0V -1.5V -1.0V -0.5V 0VI d( J1 ) - 5. 36 65 m* V _ Vg

0

5m

10m

15m

20m

(-816.031m,4.3669m)

(-990.811m,5.3227m)

(-1.0000,5.3665m)

igura 111

ecta de carga (

V_Vd

0V 2V 4V 6V 8V 10V 12V 14V 16V 18V 20VId(J1) (-2.73m* V_Vd)+54.67m

0

1.0m

2.0m

3.0m

(19.403,1.6409m)

igura 112

4olta5e de (renador

Resistencia de Puerta- Surtidor RDS:

Seg/n la ecuación

CtteVGS D

DS DS

I

V R

=

= ∆

V_Vd

0V 2V 4V 6V 8V 10V 12V 14V 16V 18V 20VId(J1)

0A

2.0mA

4.0mA

6.0mA

(8.0000,5.2784m) (12.000,5.3248m)

igura 12

4ariaciones de 4 (* e I (

0e la figura 1.* determinamos las %ariaciones de V0S e 0 con los datos calculamos 20S:

[ ]Ω k . R

. R

..

R

DS

DS

DS

2186

10446

4

10278451032485

48

6

33

=

×

=

×−×

−=

−

−−

Las resistencias de polarización se consiguieron de lospar)metros de las gr)ficas 1.1.1 1.1.*

Resistencia de Drenador RD:

][ k R

][ . , R

*.

*. R

I V V R

D

D

D

DQ

DSQ D

D

Ω

Ω

12

4582611

10641

1062604203

3

≈

=

−=

−=

−

−

Resistencia de Surtidor RS:

][ R

][ . R

.

*. R

S

S

S

Ω

Ω

220

37220

10611

10583553

3

≈

=×

= −

−

Resistencia de puerta R:

Para e!ectos de dise"o R# de$e dis%inuir a& %'ni%o

e& (a&or de )orriente en &a Puerta esto se consi*ueco&ocando una resistencia de Puerta R de (a&or e&e(ado en e& dise"o R + , M ./

Po&ari0aci1n de& 2ET:

El circuito resultante es el 3ue sigue& con los %alores de%oltaje corriente en los respecti%os nodos.



igura 13

4olta5es ' corrientes de %olari"acin

Resistencia de car*a RL :

Para efectos de diseño la resistencia de carga 2L de4er)

cumplir las condiciones de oscilación es decir si laganancia de lazo β 5 de4e ser maor a la unidad seg/nel criterio de 6ar7hausen entonces la ganancia sinrealimentación de4e ser maor 3ue *8

Lm R g

Vi

Vo A ×==

][ k . R

][ . R

R g Av

R Av R

R Despejando

.Vi

Vo

Vi

Vo

Vi

Volog ]dB[ Av

]dB[ ]dB[ Av

L

L

Dm

D

L

L

Ω

Ω

33

473320

0797

10

20

17

20

17

≈

=

×−×

−=

=

=

=

=

Resistencia de rea&i%entaci1n R! :

En el diseño se utilizo una resistencia de realimentaciónde modo 3ue la -anancia con realimentación sea de 19#d6$ el ancho de 4anda mejorado de ; 7 #<z$.

0e la ecuación:

k R

R RViVo R

R

R R

Vi

Vo

GG

G

G

12≈

−×

=

+=

5n3&isis en Pe4ue"a Se"a&:

Para el an)lisis en pe3ueña señal el %alor de g m sedeterminó de la polarización de la ecuación:

GS

Dm

V I g

∆

∆

=

5 partir de la figura 1.1.1 se o4tu%o la figura 1.1.* paradeterminar la %ariación de 0 V-S:

3

3

3

33

1026535

1

1026535

5110500

10976721024408

−

−

−

−−

×=

×=

+×−×−×

=

=

. g

. g

.

.. g

V

I g

m

m

m

GS

Dm

∆

∆

Los c)lculos de las frecuencias de corte se o4tienen apartir del circuito e3ui%alente hi4rido en pe3ueña señaldel =ransistor +E= (+ield Efect =ransistor

An3&isis en $a5a !recuencia:



En $a5a !recuencia )6 7 )s se co%portan co%ocircuito a$ierto# 7 &a !uente de corriente co%o uncircuito a$ierto8 entonces e& circuito e4ui(a&ente ese& si*uiente:

Figura 1.4

Circuito equivalente para bajas frecuencias

)a&cu&o de )!:

)o%o e& capacitor )! no de$e a!ectar &os par3%etrosinicia&es de po&ari0aci1n esco*e%os una !recuenciade corte 4ue sea apro6i%ada%ente 9# esco*e%os e&(a&or de &a !recuencia de corte en ,0/# por &o tanto),# );# )s 7 )6 se co%portan co%o circuito a$iertoe& circuito e4ui(a&ente se %uestra en &a !i*ura:

Figura 1.5

Circuito equivalente para Cf

La resistencia e4ui(a&ente (ista desde &as ter%ina&esde )! es:

[ ]Ω 6

363

1001421

10221011012

×=

×+×+×=

++=

. R

. R

R R R R

e!

e!

DG e!

Por tanto e& (a&or de )! se deter%ina a partir de:

[ ] " nC

.C

R C

e!

1

101420112

1

2

1

6

≈

××××

=

×××

=

π

π

)a&cu&o de ),:

To%ando en cuenta &as !recuencias de corte de &oscapacitores e& circuito e4ui(a&ente es e& %ostrado en&a si*uiente !i*ura:

Figura 1.6

Circuito equivalente para C1

Entonces &a resistencia e4ui(a&ente (ista desde &aster%ina&es de ), es:

( )

( ) ][ . R

. R

R g R R R

e!

e!

S mGine!

Ω 91000600

18010355101600 36

=

××+×+=

×++=−

E& capacitor ), de$e cortar en ! + ,9 0/

Por tanto:

] " [ .C

.C

R C

e!

9109151

91000600102

11

2

11

−

×≈

×××

=

×××

=

π

π

)a&cu&o de );:



Nue(a%ente &a !uente de tensi1n V*s se co%portaco%o circuito a$ierto entonces 7 &os capacitares )67 )s en $a5a !recuencia se co%portan co%o circuitoa$ierto:

Figura 1.7

Circuito equivalente para C2

Entonces &a resistencia e4ui(a&ente (ista desde &aster%ina&es de ); es:

][ . R

R ## R R R

e!

ds D Le!

Ω 77940=

+=

E& capacitor ); corta en ! + ,9 0/

Por tanto:

] " [ C

.C

R C

e!

61012

77940102

12

2

12

−

×≈

×××

=

×××

=

π

π

)a&cu&o de )s:

=omando en cuenta 3ue los capacitores >1 >* ahorase comportan como un corto circuito pues 4uscamos3ue >s corte una d?cada despu?s de la frecuencia decorte de estos esto es en f @ 1;; #<z$. El circuitoe3ui%alente es el siguiente:

Figura 1.8

Circuito equivalente para Cs

Atilizando el criterio de refleBión de impedancias laresistencia e3ui%alente %ista desde las terminales de >ses

[ ]Ω 9179. R

$

R R ## R R

e!

s

GinS e!

=

+=

La frecuencia de corte de >s: f @ 1;; #<z$& por tanto >ses:

[ ] " C

.C

R C

S

S

e!

S

61010

91791002

1

2

1

−×≈

×××

=

×××

=

π

π

An3&isis en A&ta !recuencia

Para e& an3&isis de a&ta !recuencia se uti&i0a e&teore%a de Mi&&er entonces e& circuito e4ui(a&ente ese& 4ue si*ue:

Figura 1.9



Circuito equivalente para alta frecuencia

La !or%u&a de )6:

] " [ C%

C Av

C R

C gd

gs

e! &

'

12

X

eq

10250

Cdeterminales

desd vistaeequivalent aresistencilaes R Donde

1

2

1

−×=

−−

−×××

= π

Dise"o de& a%p&i!icador

rea&i%entado:

El diseño del amplificador es el 3ue se muestra en lafigura:

Figura 1.10

ise!o "el #$plifica"or reali$enta"o

Los resu&tados en si%u&aci1n para &a *anancia 7anc<o de $anda son &os %ostrados en &a !i*ura ,=,,:

Freque!"

10#$ 100#$ 1.0%#$ 10%#$ 100%#$ 1.0&#$ 10&#$V'(u)

-10

0

10

20

(437.548%,14.639)

(10.000%,17.716)

(674.621%,10.737)

(10.000%,13.795)

igura 111

(iagrama de Am%litud

En la gr)fica la lCnea en rojo es la 3ue representa laganancia el ancho de 4anda del amplificador sinrealimentación. La lCnea negra representa dichospar)metros del amplificador con realimentación.

El an)lisis del %oltaje de salida en el modo Dtransientpara %erificar 3ue no eBista distorsión es el 3ue %a acontinuación:

+me

0 50u 100u 150u 200u 250u 300uV(u*)

-400mV

-200mV

0V

200mV

400mV

igura 112

4olta5e de *alida



Freque!"

10#$ 100#$ 1.0%#$ 10%#$ 100%#$ 1.0&#$ 10&#$V(u*)

-400d

-300d

-200d

-100d

-0d

(10.000%,-180.290)

igura 113

(iagrama de ase

En &as !i*uras ,=,; 7 ,=,># &a *ra!ica representa e&a%p&i!icador co%o en &a !i*ura ,=,,

Ta$&a co%parati(a de resu&tados:

Sin Rea&i%entaci1n:

Teórico Simulación Practico

Ganancia

Av [dB]17d!" 17#6d!" 16#9 d!"

Ancho de

banda425$%&" 366 $%&" 345 $%&"

(!"s"$

ds%

)on Rea&i%entaci1n:

Teórico Simulación Practico

Ganancia

Av [dB]13 d!" 13#76d!" 15#3 d!"

Ancho de

banda930 $%&" 567 $%&" 377 $%&"

(!"s"$

ds%'(1)8#75)5#4m* '(0#9)8#1)5#4m* '(0#7)8#2)4#9m*

)ircuitos de estudio N? ;:

Fig. 2

Oscilador con Xtal

Para la polarización del +E= (+ield Efect =ransistor& se

siguieron los pasos como en el circuito 1. POLARI@A)ION DEL BJT:

igura 21ircuito de %olari"acin del T

El diseño de polarización del circuito de la figura *.1 serealizo en el simulador PSpice. Los pasos seguidos pararealizar dicha polarización son los siguientes:

1. El %oltaje 6ase F Emisor V6E se fijó en ;."G #V$

*. En este %alor de %oltaje 6ase F Emisor la corriente de4ase 6 es de !19. u#5$ como se muestra en la figura*.1.1



V_V1

500mV 550mV 600mV 650mV 700mV 750mV 800mV

I(/1)

-3.0mA

-2.0mA

-1.0mA

0A

(637.168m,-14.657u)

igura 211

4 $ 4s I

". Para 3ue eBista m)Bima eBcursión sim?trica de señalel %alor del %oltaje >olector F Emisor V>E de4e ser V>>H*entonces:

10

2

=

=

C(

CC C(

V

V V

En este valor de voltaje VCE la corriente de colector

es 3.92m [A] como se muestra en la figura 2.1.2

V_V1

0V 2V 4V 6V 8V 10V 12V 14V 16V 18V 20VI(/1)

-6.0mA

-4.0mA

-2.0mA

0A

2.0mA

(10.000,-3.9238m)

igura 212

4 $ 4s I

>on los %alores conocidos de corriente %oltaje seprocedió al c)lculo de resistencias de polarización del6I=.

Resistencia de E%isor RE:

][ k . R

][ . R

.

. R

I

V V R

D

D

D

DQ

DSQ D

D

Ω

Ω

22

112254

1032365

758203

≈=

×−

=

−=

−

Resistencia de )o&ector R):

][ R

][ . R

. R

S

S

S

Ω

Ω

180

84187

1032365

13

≈=

×=

−

Resistencia de Base RB:

La i%pedancia de $ase 4ue (e e& transistor BJT es &ai%pedancia de sa&ida de& transistor 2ET# es decir# RD=

El circuito resultante es el 3ue sigue:

igura 213

8olari"acin del T

La polarización completa del circuito es como semuestra en la figura *.1.9



igura 21-

8olari"acin de los transistores

Los c3&cu&os para &a *anancia son:

( )

( )

( )

( )

( )

[ ]Ω

∆

β

β

β

β

500

17

1

11

11

11

11

1

=

=

++

+++

+−

=

+++

+=

++

−=

=

L

( D

mG

LC DmGm

mG

mGGS

( D

DGsm

LC

R

v )aa

R R

Ri Rs g R

R ## R* R* Rs* g ## R* g *

Vi

Vo

+donde De

Ri Rs* g R

Rs* g ## R*ViV

, R- R R*V * g i.

R ## R*i.*Vo

Resistencia de rea&i%entaci1n R! :

En m4hgcdz4%jh

5n3&isis en Pe4ue"a Se"a&:

Los c)lculos de las frecuencias de corte se o4tienen apartir del circuito e3ui%alente en pe3ueña señal del=ransistor +E= (+ield Efect =ransistor

An3&isis en $a5a !recuencia:

En $a5a !recuencia )6 7 )s se co%portan co%ocircuito a$ierto# 7 &as !uente de corriente co%o uncircuito a$ierto8 entonces e& circuito e4ui(a&ente ese& si*uiente:

)a&cu&o de )!:

La frecuencia de corte de >f es 1 #<z$& la resistenciae3ui%alente 3ue %e el capacitor es:

( )[ ] ( )[ ] ( DmG R ## R Rs Rs g ## R ## Ri! Re ++++= 1211 β

Por tanto e& (a&or de& capacitor (iene dado por

[ ] " nC

! Re* **C

1

2

1

=

=π

)a&cu&o de ),:

La !recuencia de corte de ), es ,9 0/# &aresistencia e4ui(a&ente (ista desde &as ter%ina&es de), es:



( )( )

( ) ][ . R

. R

R g R R R

e!

e!

S mGine!

Ω 91000600

180103551101600

1

36

=

××++×+=

×+++=−

Por tanto:

] " [ .C

R C

e!

9109151

2

11

−

×≈

×××

=

π

)a&cu&o de );:

La !recuencia de corte de ); es ,90/# &a resistenciae4ui(a&ente (ista desde &as ter%ina&es de ); es:

D Le! R ## R R =

Por tanto:

] " [ C

R C

e!

61012

2

12

−×≈

×××=

π

)a&cu&o de )s:

=omando en cuenta 3ue los capacitores >1& >* >f

ahora se comportan como un corto circuito pues4uscamos 3ue >s corte una d?cada despu?s de lafrecuencia de corte de estos esto es en f @ 1;; #<z$. Elcircuito e3ui%alente es el siguiente:

Atilizando el criterio de refleBión de impedancias laresistencia e3ui%alente %ista desde las terminales de >ses

( ) 211 Rs Ri ## R ## Rs g R Gme! ++=

La frecuencia de corte de >s: f @ 1;; #<z$& por tanto >ses:

[ ] " .C

R C

S

e!

S

61086

2

1

−×≈

×××=

π

An3&isis en A&ta !recuencia

Para e& an3&isis de a&ta !recuencia se uti&i0a e&teore%a de Mi&&er entonces e& circuito e4ui(a&ente ese& 4ue si*ue:

La !or%u&a de )6:

gd

gs

e! &

' C Av

C R

C −−

−×××

=1

2

1

π

0onde la resistencia e3ui%alente %ista desde lasterminales de >B es:

R R ## R! Re ( D +=

J 5% es la ganancia en la primera etapa del amplificador

] " [ C% 1210250 −×=

Dise"o de& a%p&i!icador

rea&i%entado:

El diseño del amplificador se muestra en la figura *.1.



igura 216

Am%liicador ealimentado

Los resu&tados en si%u&aci1n para &a *anancia 7anc<o de $anda son &os si*uientes:

0iagrama de 5mplitud

El an)lisis del %oltaje de salida en el modo Dtransient

para %erificar 3ue no eBista distorsión es el 3ue %a acontinuación:

+,me

0 50u 100u 150u 200u 250u 300u 350u 400u 45

V(u*)

-400mV

-200mV

0V

200mV

400mV

Voltaje de Salida

Freque!"

10#$ 100#$ 1.0%#$ 10%#$ 100%#$ 1.0&#$V(u*)

-400d

-300d

-200d

-100d

0iagrama de +ase

Las di%ergencias presentes en la ta4la comparati%a sede4en a tres aspectos esenciales:

1. Los %alores de los componentes utilizados en eldiseño se normalizaron a %alores est)ndares

comerciales& lo cual afecto primero los par)metros depolarización los par)metros de pe3ueña señal

*. Los componentes presentan una tolerancia aleatoria3ue es imposi4le de predecir en el diseño simulación.

". El modelo del transistor en el simulador utilizado esideal en el diseño los par)metros de este %arCan conrespecto a distintos factores a sea de temperatura%oltaje de polarización& etc.

)ON)LUSIONES

En la pr)ctica se compro4ó la dificultad de ajustar >Bpara controlar el 5ncho de 6anda& al final de la mismaconcluimos 3ue dicha dificultad se de4e a: Lacapacitancia intrCnseca en el Proto!6oard utilizado parala construcción del amplificador& la dependencia no linealdel ni%el de capacitancia propia del transistor en altasfrecuencias con respecto al ni%el de %oltaje depolarización del mismo& el efecto de ruido 3ue seintroduce en el generador de señales del mismocircuito amplificador.

5l final de la pr)ctica los par)metros re3ueridos para eldiseño del amplificador fueron satisfechos& en función aun an)lisis teórico de simulación pr)ctico.

Freque!"

10#$ 100#$ 1.0%#$ 10%#$ 100%#$ 1.0&#$ 10&#$'(V(u)V())

0

5

10

15

20

(121.547,14.788)(440.624%,14.850)

(7.9614%,17.865)

Laboratorio de analógica osciladores

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