Tarea No. 1, Luis Gómez. UNIVERSIDAD DEL NORTE

Abstract— In this practice mosfet transistors for performing output stage and their characterization by means of the LT Spice program are used.

Index Terms— LTspice, MOSFET, Salida clase A y B, transistores.

I. EJERCICIO ETAPA DE SALIDA CLASE A

Dado el circuito siguiente presente en la figura 1, desarrolle lo siguiente:

Figura 1. Etapa de Salida Clase A

a. Estime teóricamente la corriente de polarización.

Se utilizó un transistor Mosfet que corresponde a las especificaciones del modelo Ami06N por la inclusión de una librería. Teniendo en cuenta que para el transistor N-MOS, se

tiene que K n'=52.2µA

V 2 , V T=0.7086 V y que W y L

varían. Se procede a realizar los respectivos cálculos.Dado que M2 y M3 se encuentran formando un espejo de corriente, la corriente que pasa por la resistencia de 10KΩ es la misma que la que masa por el drenaje del mosfet M2. Por lo que:

I D2=I 10 KΩ

Además, hay que tener en cuenta que el voltaje VGS presentado entre M3 y M2 es:

V gs=V DD−I 10 KΩ∗RSe despeja la corriente que pasa por la resistencia de 10 KΩ.

I 10 KΩ=V DD−V gs

R

I 10 KΩ=2.5V −V gs

10 KΩ

Teniendo en cuenta que la corriente de drenaje de M2 según la ecuación de la corriente de un Mosfet es:

I D=Kn'WL

(V GS−V t)2

Y como se tiene que

I D2=I 10 KΩ

I 10 KΩ=Kn'WL

(V GS−V t)2

Se Reemplaza el valor de VGS en la ecuación y tenemos que:

2.5V −V gs

10 KΩ=Kn '

WL

(V GS−V t)2

Se reemplazan el resto de datos y se tiene que:

2.5V −V gs

10 KΩ=52.2

µA

V 2∗1.5 µm

0.6 µm∗(V gs−0.7086 V )2

Los valores para V gs pueden ser:

V gs=−0.9072 V

V gs=1.5581VDado que se trata de una etapa de salida clase A, todos los transistores se encuentran trabajando, por lo que se deben encontrar en saturación por lo que VGS tiene que ser mayor que

VT. Por lo que se elige V gs=1.5581V .

Dado esto se tiene que la corriente de polarización I 10 KΩ es:

I 10 KΩ=52.2

µA

V 2∗1.5 µm

0.6 µm∗(1.5581 V−0.7086 V )2

I 10 KΩ=94.17 µA=I D2

b. Dibuje la función de transferencia VO vs. VI para una resistencia de carga RL = 100KΩ.Teniendo en cuenta la saturación se comprueba que cuando RL = 100KΩ se tiene que

−I∗RL=−94.17 µA∗100 KΩ

−I∗RL=−9.417 VPor lo que a -9.417 V la gráfica se saturaría lo que no ocurre por ende la señal de entrada no sufre cortes a la salida como se observa en la gráfica 1.

Etapas de salida en simulación de LTspiceUniversidad del Norte – Barranquilla, Colombia Luis Gómez Ariza.

1

Tarea No. 1, Luis Gómez. UNIVERSIDAD DEL NORTE

Gráfica 1.Funcion de transferencia etapa de salida clase A con Rl de 100 KΩ.

c. Repita el Inciso b. para una resistencia de carga RL = 1kΩ.

Teniendo en cuenta la saturación se comprueba que cuando RL = 1KΩ se tiene que

−I∗RL=−94.17 µA∗1 KΩ

−I∗RL=−0.09417 VPor lo que a -0.09417 V la gráfica se satura por lo que la señal de entrada se corta a la salida como se observa en la gráfica 2.

Gráfica 2.Funcion de transferencia etapa de salida clase A con Rl de 1 KΩ.

d. Utilice SPICE para verificar Incisos a., b. y c.

Utilizando el software de simulación LTSpice se desarrolló el circuito de la figura 1 como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Etapa de Salida Clase A en LTSpice

Las gráficas resultantes para la comprobación de los incisos anteriores se muestran en las gráficas 3 y 4.

Gráfica 3.Funcion de transferencia etapa de salida clase A con RL de 100 KΩ en LTSpice

Gráfica 4.Funcion de transferencia etapa de salida clase A con RL de 1 KΩ en LTSpic.

2

Tarea No. 1, Luis Gómez. UNIVERSIDAD DEL NORTE

e. Con la ayuda del simulador determine la THD para el Inciso c.

Se procede a hallar el THD (Total Harmonic Distorsion) que es la relación de las armónicas de la señal con respecto a la frecuencia fundamental [3]. Se realizará por medio del comando “.four”. El resultado se mostrará en el error log del software LTSpice, lo anterior se muestra en la figura 3 y 4, para las correspondientes resistencias.

Figura 3. Valor de THD para RL de 100KΩ

Figura 4. Valor de THD para RL de 1KΩ

II. EJERCICIO ETAPA DE SALIDA CLASE B

Dado el circuito presente en la figura 5, desarrolle lo planteado:

Figura 5. Etapa de Salida Clase B.

a. Estime teóricamente la máxima corriente que puede ser enviada/extraída de la resistencia de carga.

Suponiendo V o MAX=V DD=2.5 V se toma por ley de Ohm

que la corriente de carga es:

I L=V o MAX

RL

= 2.5 V10 KΩ

=0.25mA

Teniendo en cuenta que la etapa de salida corresponde a una clase B, uno de los transistores trabajara, el otro se comportará como un seguidor, por lo que se puede decir que la corriente I L=I D1=0.25 mA , teniendo en cuenta que la corriente

circula por el transistor Mosfet N-MOS. En este caso el transistor corresponde al transistor con las especificaciones del modelo Ami06N por la inclusión de una librería. Utilizando la ecuación respectiva de los transistores Mosfet.

I D=Kn'WL

(V GS−V t)2

Teniendo en cuenta que para el transistor N-MOS, se tiene que

K n'=52.2µA

V 2 , V T=0.7086 V y que W=19200 µm y

L=0.6 µm y V t=0.7086 V .

Se trata de despejar Vgs.

(V GS−V t)2=

I D

WL

K n'

V GS=√ I D

WL

K n'+V t=√ 25 mA

192000.6

52.2µA

V 2

+0.7086 V

V GS=0.7297 V

Ya teniendo el valor de V GSse halla el valor de

V DS SAT=V GS−V t

V DS SAT=0.7297 V −0.7086 VV DS SAT=0.0211V

Ahora se halla el valor de corriente que pasa por la carga que corresponde a:

I L=V DD−V DS SAT

RL

I L=2.5V −0.0211V

10 KΩ

I L=0.2478 mA

Por lo que el valor de corriente máxima que puede ser entrada de la resistencia de carga corresponde a 0.2478 mA.

b. Dibuje la función de transferencia VO vs. VI.

3

Tarea No. 1, Luis Gómez. UNIVERSIDAD DEL NORTE

Se realiza la respectiva función de transferencia en la que V 0

de la etapa de salida estará acotada por V DD−V DS SAT la

fuente de alimentación menos la tensión de saturación y por

−|V DD−V DS SAT|. La salida dependerá del valor de tensión

a la entrada V Ipero la salida solo llegará hasta los límites

anteriormente mencionados. La gráfica correspondiente se muestra en la gráfica 5.

Gráfica 5. Función de transferencia VO vs. VI de clase B.

c. Utilice SPICE para verificar Incisos a. y b.

Por medio del software LTSpice se procede a comprobar los datos obtenidos. Para ello se coloca una tensión de entrada con valor equivalente a la fuente de alimentación VDD (VI=2.5V). Esto con la finalidad de comprobar lo anteriormente encontrado con respecto a la corriente a través de la carga. El resultado se muestra en la gráfica 6.

Gráfica 6. Corriente a través de la carga RL.

Lo mostrado en la gráfica 5 deja ver que la corriente máxima a través de la carga es de 213.8 µA, lo que sería equivalente a 0.213 mA, por lo que la corriente hallada teóricamente es cercana al valor real obtenido en el simulador.

Figura 6. Etapa de Salida Clase B e n LTSpice.

La función de transferencia correspondiente hallada en simulación se muestra en la gráfica 6.

Gráfica 7. Función de transferencia VO vs. VI de clase B en LTSpice.

Con las gráficas 6 y 7 se verifica los incisos anteriormente mencionados.

d. Con la ayuda del simulador muestre la forma de onda de salida para una onda sinusoidal de entrada con valor pico de 1.5V y frecuencia igual a 10kHz.

Se toma el circuito correspondiente en LTSpice y se le asigna una onda sinusoidal de entrada con valor pico de 1.5 y frecuencia de 10KHz y se toma la gráfica resultante a la salida. La grafica correspondiente se muestra en la gráfica 8 donde la onda de color verde muestra el valor de VI y la roja muestra el valor a la salida VO.

4

Tarea No. 1, Luis Gómez. UNIVERSIDAD DEL NORTE

Gráfica 8. VI y VO en función del tiempo.

e. Con la ayuda del simulador determine la THD.

Se procede a hallar el THD (Total Harmonic Distorsion). Se realizará por medio del comando “.four”. El resultado se mostrará en el error log del software LTSpice, lo anterior se muestra en la figura 7. Donde el THD tiene un valor de 11.79158%.

Figura 7. Valor de THD

III. CONCLUSIONES

Uno de los rasgos más importantes de las etapas de salida son el hecho de que mantienen linealidad pero con el inconveniente de que para hacerlo requiere de un alto consumo de potencia lo que hace que la eficiencia sea baja. Por otra parte, se tiene que la etapa de salida clase B, presenta una alta eficiencia a costa de una perdida de linealidad, esto muestra que dicha etapa tiene poco consumo de potencia, debido a que los transistores solo trabajan cuando está presente una señal de entrada lo que difiere de la clase A en la que los transistores siempre se encuentran activos.Un hecho que se pudo corroborar por medio del software de simulación LTSpice es que al probar las etapas de salida se muestra que la ganancia de estas etapas es casi unitaria considerando las perdidas por saturación u otros. En la clase A se muestra que la resistencia de carga RL

determina si la entrada se verá afectada por cortes por saturación a su salida por lo que se debe elegir correctamente la carga a utilizar considerando el circuito. Al probar el THD con una resistencia de carga baja se presenta un alto valor de THD lo que indica que hay un alto grado de distorsión. Pero, con un valor de resistencia de carga adecuada se presente un valor menor al 1% demostrando que se presenta poca distorsión y por ende deja ver su alto grado de linealidad.

La etapa de salida clase B por su parte con respecto al THD mostro un valor significativo de 11% no demasiado alto, ni muy bajo lo que demuestra que se presentan algunas distorsiones pero no a gran escala.Finalmente solo cabe recalcar que los valores teóricos en su mayoría estuvieron muy cercanos a los valores reales arrojados por el simulador por lo que se pudo determinar cómo era en parte el funcionamiento de dichas etapas de salida.

IV. BIBLIOGRAFÍA

[1] Etapas de salida. Sedra , Adel; Smith, Kenneth. Circuitos Microelectrónicos. 4ta Ed.

[2] Appendix LTSpice

[3] THD. Téllez, Eugenio. Distorsión Armónica. Programa de ahorro de energa.Disponible en:http://www.cimec.org.mx/documents/ArmonicaCompleto.pdf

5