1

Practica 4: Fuentes de Corriente Mosfet yAmplificadores Diferenciales

Andres Pinilla, afpinillat@unal.edu.co, cod.262148Laura Moreno, laamorenoro@unal.edu.co, cod. 262069

I. INTRODUCCION

Dado que en la naturaleza generalmente las senaleselectricas que deben ser adquiridas o procesadas son demuy baja intensidad, es de estricta necesidad realizar unaamplificacion para este tipo de ondas. Por tal motivo esfundamental el estudio y uso de amplificadores en el trabajoelectronico.

Dado que el trabajo en entornos modernos, donde abundanlas fuentes de ruido electromagnetico, hacen que, ademas delas senales que deseamos captar, se adquieran multiples ondasde ruido que generalmente son mucho mayores que la mismasenal a estudiar. Por tal motivo es indispensable, ademasde realizar una amplificacion de la senal deseada, rechazarde algun modo todas las senales de ruido electromagneticopresentes en el ambiente con el fin de que no se amplifiquende la misma forma.

El presente laboratorio pretende abordar los principiosteoricos de funcionamiento de los amplificadores diferencialescon tecnologıa BJT y algunas de sus principales topologıas.Para esto se plantea la realizacion de un amplificadordiferencial polarizado con una fuente de corriente Wilson ycon carga resistiva. Se realizaran variaciones en los circuitosque permitiran conocer sus diferentes variaciones y surespuesta en frecuencia. Igualmente se medira la respuestadel amplificador a las senales de modo comun y de mododiferencial.

Por otra parte, se realiza el diseno y analisis de una fuentede corriente con tecnologıa MOSFET para comparar suscaracterısticas principales con las fuentes de corriente BJTtrabajadas en la practica anterior.

II. MONTAJE Y PROCEDIMIENTO

A continuacion se presenta el procedimiento que se pusoen practica para hallar los parametros experimentales decada uno de los montajes que se estipularon en la guıa delaboratorio. Los resultados presentados seran comparadosy analizados con los resultados teoricos y las simulacionesrealizadas en la seccion de analisis de resultados.

1. Espejo de Corriente Simple con MOSFET P:

Facultad de Ingenierıa, Universidad NacionalIng. Juan Felipe Gutierrez.laboratorio de Electronica Analoga II

Lo primero que se hizo para esta parte del laboratoriofue tener presente el valor de la corriente de salidaesperada. Luego que se tuvo esta corriente, se buscoel voltaje VGS para encontrar a su vez la corriente dereferencia. En este montaje no es adecuado considerarque la corriente de referencia y de salida son lasmismas aunque tengan el mismo voltaje VGS ya que,sus constantes K ′p(W/L) son diferentes.

Teniendo el voltaje de compuerta del transistor Q1 sepuede conocer la resistencia de drenaje. Para hallar laresistencia de carga maxima, se realiza un barrido deparametro que evalua el cambio del voltaje VDS hastaque entre en la zona de triodo.

Los parametros de diseno son:

Io = 5,5mA

IREF = 5,2mA

RQ1 = 1,34kΩ

RLMax = 1,4kΩ

En la sesion de laboratorio, se debe comprobar el valorde la corriente con el valor de las resistencias halladasen la teorıa. Ademas se debe variar la resistencia decarga desde 100Ω hasta el maximo permitido.

2. Amplificador Diferencial BJT con carga resistiva:

En esta seccion se inicio por disenar la fuente decorriente de 5mA necesaria para el amplificadordiferencial de la Figura 2. Al desconocer la resistenciade salida del amplificador, se decidio utilizar el espejode corriente Wilson por ser la configuracion mas estableindependientemente de su carga.

Una vez realizado lo anterior, se procedio a disenar elamplificador diferencial iniciando por su analisis DCpara encontrar los valores de las resistencias RC1 y RC2.Luego se realizo su analisis AC calculando teoricamentela ganancia diferencial y de modo comun, para esto seutilizaron las expresiones a continuacion:

Ad =gm(r0||RC1||RL)

2

2

Figura 1: Simulacion espejo de corriente basico.

Figura 2: Amplificador diferencial BJT

ACM =−(βr0 − 2Rss)RC2

rπ(RC2 + 2Rss + r0) + 2Rss(RC2 + (β + 1)r0)

En seguida se procedio a realizar el montaje fısicodel circuito para encontrar experimentalmente suganancia diferencial y en modo comun. Lo anteriorse realizo conectando inicialmente la fuente AC a labase del transistor Q1 como se muestra en la figura, seregistraron los datos y luego se conecto la fuente a labase del transistor Q2. Finalmente la fuente se conectosimultaneamente a los dos transistores para encontrarla ganancia de modo comun.

La fuente se utilizo a una frecuencia de 1kHz y laamplitud seleccionada fue aquel valor maximo al cualla senal de salida no se distorsionaba.

Para ambos casos, los parametros de diseno utilizadosfueron:

β = 140

VA = 100V

Los resultados obtenidos y su analisis se encuentran enlas secciones a continuacion.

III. RESULTADOS

A continuacion se presentan los datos obtenidosmediante la simulacion de los circuitos disenados y lasmediciones realizadas en el laboratorio para cada una de lasconfiguraciones realizadas.

Igualmente, se presenta el calculo del error porcentual paracada uno de los parametros principales de las configuraciones.El error porcentual es calculado mediante la siguiente formula:

E% =CT −Me

Me∗ 100

En donde CT corresponde al calculo teorico y Me a lamedicion experimental

1. Espejo de Corriente Simple con MOSFET P:

En la practica se obtuvieron los resultados que seresumen en la tabla I. Sus errores porcentuales fueroncalculos con respecto a la simulacion. El analisis delos mismos se llevara a cabo en la seccion Analisis deResultados.

Io IoRL VRL [mA] [mA] Error[Ω] [V] Exp. Sim.

99 0.59 5.9 6.07 2,8 %

297 1.73 5.8 5.95 2,5 %

464 2.66 5.7 5.86 2,7 %

671 3.75 5.58 5.74 2,8 %

1k 5.28 5.34 5.57 4,1 %

1.19k 6.24 5.24 5.4 2,9 %

1.38k 6.97 5.0 5.3 5,6 %

2.2k 9.35 4.25 4.4 3,4 %

Cuadro I: Mediciones fuente de corriente MOSFET

2. Amplificador Diferencial BJT con carga resistiva:

Utilizando el integrado 3086, se encontro quela resistencia mas adecuada para el correctofuncionamiento de la fuente Wilson disenada esde 2,2KΩ para una corriente de 4.8mA.

Ası mismo, para el diseno del amplificador diferencialutilizando los transistores BJT de este mismo integrado,se encontro:

RC1 = RC2 = 2,2KΩ

3

El diseno completo del amplificador se presenta en laFigura 3.

En la tabla II se presentan los datos obtenidos alverificar la polarizacion del amplificador diferencialantes de iniciar su analisis en frecuencia. El errorpresentado es el calculado entre el valor teorico y elexperimental.

Figura 3: Amplificador diferencial BJT

Parametro Teorico Simulado Experimental Error

VBEQ10.7V 0.93V 0.71V 1.4 %

VBEQ20.7V 0.93V 0.72V 2.8 %

IRC1 2.65mA 2.39mA 1.82mA 45 %

IRC2 2.65mA 2.75mA 2.4mA 10 %

Cuadro II: Mediciones polarizacion amplificador diferencial

En las imagenes 4, 5 y 6 se presentan los resultadosobtenidos al buscar la ganancia diferencial delamplificador y en modo comun respectivamente.

Adicionalmente se presentan los datos numericosarrojados por el osciloscopio para realizar un calculomas exacto de las ganancias. Los valores correspondena la tension pico a pico en cada caso.

Ganancia diferencial en Q1:

V f = 2,6V

V in = 720mV

Figura 4: Ganancia diferencial Q1

Figura 5: Ganancia diferencial Q2

Figura 6: Ganancia modo comun

V o = 5,44V

Ad1 =VinV o

= 7,5V/V

Ganancia diferencial en Q2:

V f = 2,72V

V in = 560mV

V o = 4,48V

4

Ad2 =VinV o

= 8V/V

Ganancia modo comun:

V f = 2,76V

V in = 440mV

V o = 200mV

ACM =VinV o

= 0,45V/V

Con los datos anteriores se calculo el valor de la relacionde rechazo en modo comun CMRR:

CMRR = 20 logAdACM

= 24,99dB

En la tabla III se presenta la comparacion entre losvalores de ganancia obtenidos teoricamente, mediantesimulacion y experimentalmente. El error presentado esel encontrado entre el valor teorico y el experimental.

Parametro Teorico Simulado Experimental Error

Ad 88V/V 68.25V/V 8V/V 1000 %

ACM 0.404mV/V 0.009V/V 0.45V/V 99 %

CMRR 106.7dB 77.59dB 24.99dB 341 %

Cuadro III: Ganancias amplificador diferencial

IV. ANALISIS DE RESULTADOS

1. Espejo de Corriente Simple con MOSFET P:

Teniendo en cuenta que el circuito esta disenado de talforma que el voltaje de compuerta sea el mismo dedrenaje y a su vez permita que el transistor Q1 siemprecumpla la condicion de saturacion VDS ≥ VGS − Vt,se esperaba que se mantuviera una corriente de salidaconstante.

Como se observa en la tabla I, los errores que sepresentaron fueron pequenos y esto lleva a considerarque la fuente de corriente MOS tipo P se realizocorrectamente. Las diferencias que se producen entrelas corrientes se explican bajo los cambios minusculosde los voltajes de drenaje del transistor Q2, ya que alhaber un cambio de mas de 100mV , la corriente puedellegar a disminuir o aumentar en ese mismo rango yesto llevarıa a errores hasta del 6 % como es el caso dela resistencia de 1,4KΩ.

Se presentan a su vez, las relaciones entre la corrientede salida y la resistencia de carga (Figura 7) y el voltajefuente-drenaje y la resistencia de carga (Figura 8).

En la primera figura se observa que conforme laresistencia de carga va aumentando, la corriente de

salida va perdiendo su linealidad debido al acercamientoy luego al cambio de zona de operacion. La segundafigura brinda un analisis que muestra que en cuanto secomienza a subir el valor de la resistencia de carga,el voltaje debe comenzar a disminuir para seguirentregando la misma corriente de salida. Este voltajedisminuira hasta estar por debajo de VGS − Vt y en esemomento, pasara de la zona de saturacion a la zona detriodo.

Figura 7: Simulacion espejo de corriente basico.

Figura 8: Simulacion espejo de corriente basico.

El valor de la resistencia maxima de carga no fueposible colocarlo pero para suplir esta condicion serealizo la prueba con una resistencia menor y luegouna mayor al valor esperado. Cabe destacar que aunquela exactitud de la resistencia no pudo ser probada, sevio que luego de 1.4k los valores tienden a disminuirconsiderablemente.

2. Amplificador Diferencial BJT con carga resistiva:

Al verificar la polarizacion del transistor se comproboque la mayorıa de los valores corresponden a losesperados segun los calculos teoricos. El valor de lacorriente a traves de las resistencias de colector sonlos valores que mayor discrepancia presentaron, perosin embargo se mantiene que la suma de estas doscorrientes cumplen con los 4.8mA entregados por lafuente de corriente Wilson. Lo anterior nos indica queel amplificador diferencial se encontraba correctamentepolarizado, pero alguno de los parametros de los

5

transistores utilizados era diferente a los asumidos enla teorıa.

Del analisis AC se observa que las ganancias obtenidasen la teorıa y mediante simulacion no presentan unerror tan grande como el encontrado al compararlascon las mediciones experimentales. Lo anterior esdebido a que en la simulacion, como en la teorıa, todoslos parametros del transistor son ideales, ası como elcomportamiento del amplificador diferencial. Es decir,en estos dos casos el valor maximo de la fuente deentrada es superior, la ganancia diferencial se hace muygrande y su ganancia en modo comun es practicamentecero, lo que hace que el amplificador tenga una relacionde rechazo muy alta.

Experimentalmente los valores de las gananciasencontrados fueron significativamente menores, pero selogra mantener la relacion de una ganancia en modocomun mucho menor a la diferencial, por lo que larelacion de rechazo del amplificador continua siendoalta.

Adicionalmente, en las imagenes presentadas se observaque las senales de entrada y salida se encuentran enfase solamente al entrar por la base del transistor Q1,en los otros dos casos (Q2 y modo comun) se presentaun inversion de fase como se habıa observado en lassimulaciones realizadas.

V. CONCLUSIONES

Los valores de los parametros tienen suma importanciaen el diseno de las fuentes de corriente tanto tipo Ncomo tipo P, ya que al trabajar con valores diferentes, lateorıa y la realidad nunca se pareceran.

La fuente de corriente MOS tipo P tiene un rango deoperacion que depende enteramente de la resistencia dedrenaje del primer transistor, ya que el valor maximo decarga siempre se encontrara cerca de esta. En el casopuntual, la resistencia maxima era 20 % mas grande quela resistencia presente en el drenaje de Q1.

Una excelente forma de eliminar el ruido de una senales mediante el uso de un amplificador diferencial, yaque el ruido es una senal comun a las dos entradasdel amplificador y una caracterıstica importante de losamplificadores diferenciales consiste en atenuar bastantela senal de modo comun y amplificar la senal diferencialentre las entradas.

La polarizacion con la fuente de corriente Wilson tie-ne una ventaja fundamental, en cuanto a la resistenciadinamica de la fuente que permite modelarla de mane-ra aproximada como una fuente ideal de corriente yaque esta resistencia dinamica es muy grande. Pero unadesventaja importante es que al no disenar la fuente de

corriente para una carga particular puede que no funcioneexactamente como se espera.

VI. REFERENCIAS

[1] A. Sedra, K. Smmith Circuitos Microelectronicos”,2010. A