laboratorio de analógica osciladores
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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$.
". Las rectas de carga se muestran en las figuras 1.1.1 1.1.*
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V_Vg
-3.0V -2.5V -2.0V -1.5V -1.0V -0.5V 0VI d( J1 ) - 5. 36 65 m* V _ Vg
0
5m
10m
15m
20m
(-816.031m,4.3669m)
(-990.811m,5.3227m)
(-1.0000,5.3665m)
igura 111
ecta de carga (
V_Vd
0V 2V 4V 6V 8V 10V 12V 14V 16V 18V 20VId(J1) (-2.73m* V_Vd)+54.67m
0
1.0m
2.0m
3.0m
(19.403,1.6409m)
igura 112
4olta5e de (renador
Resistencia de Puerta- Surtidor RDS:
Seg/n la ecuación
CtteVGS D
DS DS
I
V R
=
= ∆
V_Vd
0V 2V 4V 6V 8V 10V 12V 14V 16V 18V 20VId(J1)
0A
2.0mA
4.0mA
6.0mA
(8.0000,5.2784m) (12.000,5.3248m)
igura 12
4ariaciones de 4 (* e I (
0e la figura 1.* determinamos las %ariaciones de V0S e 0 con los datos calculamos 20S:
[ ]Ω k . R
. R
..
R
DS
DS
DS
2186
10446
4
10278451032485
48
6
33
=
×
=
×−×
−=
−
−−
Las resistencias de polarización se consiguieron de lospar)metros de las gr)ficas 1.1.1 1.1.*
Resistencia de Drenador RD:
][ k R
][ . , R
*.
*. R
I V V R
D
D
D
DQ
DSQ D
D
Ω
Ω
12
4582611
10641
1062604203
3
≈
=
−=
−=
−
−
Resistencia de Surtidor RS:
][ R
][ . R
.
*. R
S
S
S
Ω
Ω
220
37220
10611
10583553
3
≈
=×
= −
−
Resistencia de puerta R:
Para e!ectos de dise"o R# de$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.
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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:
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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 );:
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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$& por tanto >ses:
[ ] " C
.C
R C
S
S
e!
S
61010
91791002
1
2
1
−×≈
×××
=
×××
=
π
π
An3&isis en A&ta !recuencia
Para e& an3&isis de a&ta !recuencia se uti&i0a e&teore%a de Mi&&er entonces e& circuito e4ui(a&ente ese& 4ue si*ue:
Figura 1.9
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Circuito equivalente para alta frecuencia
La !or%u&a de )6:
] " [ C%
C Av
C R
C gd
gs
e! &
'
12
X
eq
10250
Cdeterminales
desd vistaeequivalent aresistencilaes R Donde
1
2
1
−×=
−−
−×××
= π
Dise"o de& a%p&i!icador
rea&i%entado:
El diseño del amplificador es el 3ue se muestra en lafigura:
Figura 1.10
ise!o "el #$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&#$V'(u)
-10
0
10
20
(437.548%,14.639)
(10.000%,17.716)
(674.621%,10.737)
(10.000%,13.795)
igura 111
(iagrama de Am%litud
En la gr)fica la lCnea en rojo es la 3ue representa laganancia el ancho de 4anda del amplificador sinrealimentación. La lCnea negra representa dichospar)metros del amplificador con realimentación.
El an)lisis del %oltaje de salida en el modo Dtransientpara %erificar 3ue no eBista distorsión es el 3ue %a acontinuación:
+me
0 50u 100u 150u 200u 250u 300uV(u*)
-400mV
-200mV
0V
200mV
400mV
igura 112
4olta5e de *alida
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Freque!"
10#$ 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
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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
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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:
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( )( )
( ) ][ . 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.
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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)