DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS HÍBRIDOS DEL TRANSISTOR BJT Y ANÁLISIS DE AMPLIFICADORES POR SIMULACIÓN EN ORCAD ELECTRÓNICA II PASOS A SEGUIR: 1. 2. 3. 4.
Instalar orcad Abrir orcad!!! Crear un proyecto Seleccionar el transistor que se va a trabajar.
Ejemplo: Ejemplo: Se toma como ejemplo el que aparece en el libro guía para poder comparar los resultados (pág. 461 Humberto Gutiérrez-Tomo 2). El transistor que manejan es un 2n3904 5. Se a crea un circuito para determinar los parámetros de transistor en emisor común.
Como se está en simulación no hay necesidad de colocar colocar resistores en la malla de entrada y la de salida. En la malla de entrada colocar una fuente de corriente y la de salida una fuente de voltaje. Recordar que los “parámetros h” se hallan en un punto de operación en particular. (VCEq y ICq).Se seleccionan dichos valores según el ejemplo del libro donde: VCEq=12 ICq=5mA Observar en el esquemático que la fuente de voltaje V1 se coloca con el mismo valor del VCEq, ya que está conectada directamente entre el Colector y el Emisor.
MÉTODO 1: A TRAVÉS TRAVÉS DE VARIACIONES EN EL PUNTO DE OPERACIÓN OPERACIÓN Se necesita hacer un barrido DC para poder determinar el valor de la corriente de base en el punto Q. 6. Ahora hacer el barrido DC de la fuente de corriente colocando un marcador de corriente en el colector, colector, dejando la fuente de corriente corriente como aparece por defecto. En la ventana de ajustes de simulación simulación se colocan los parámetros como aparece en la siguiente figura (el rango de barrido en la corriente de base ha de corresponder corresponder con la que maneje el dispositivo):
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7. En los resultados la escala vertical indica la IC y la horizontal (que es la variable del barrido) la corriente IB. 8. 20mA
15mA
10mA
5mA
0A 0A
10uA
20uA
30uA
40uA
50uA
60uA
70uA
80uA
90uA
100uA
IC(Q1) I_I1
8. Para hallar el valor de la IBq se puede cambiar el límite del barrido para tener mayor exactitud. Recordar que la IBq se obtiene de donde se obtenga la corriente ICQ, que para el ejemplo es de 5mA. 10mA
8mA
6mA
(28.089u,5.0045m)
4mA
2mA
0A 0A
5uA
10uA
15uA
20uA
25uA
30uA
35uA
40uA
45uA
50uA
IC(Q1)
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I_I1
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El valor de IBq encontrado es de 28.090uA 9. Ahora realizando la simulación en el dominio del tiempo, se toma el valor de IBq y se lo coloca a la fuente de corriente con el fin de verificar que los datos se ajusten a lo especificado. Para tal fin se activan las mediciones de corriente y voltaje DC y se verifica la concordancia numérica.
10. De la simulación se obtiene que VBEq=705.2mV. 11. Para hallar los parámetros h, se deben generar pequeñas variaciones respecto al punto de trabajo. Esto se realiza mediante incrementos y decrementos no superiores al 5% respecto al punto de operación. Se hallan los dos primeros, hfe y hie, los cuales mantienen VCE constante (es la misma condición para ambos). h fe
hie
I C I B
VCEQ kte
V BE I B
VCEQ kte
12. Obsérvese que para ambos se tiene ∆Ib, luego para tal caso se hacen variaciones en Ib. IB1=IBq+IBq*5%=29.45uA. Luego se coloca este valor en la fuente de corriente y se hallan los valores de IC y VBE. El VCE se mantiene constante en el punto Q ya que para el caso la fuente DC está conectada directamente al Colector y el Emisor (VCE)
Se obtiene de la simulación: IC1=5.265mA VBE1=706.6mV
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Ahora se varia la corriente 5% por debajo de IBq IB2=IBq-IBq*5%=26.7uA 13. Repetimos el procedimiento para volver a encontrar IC2 y VBE2
Se obtiene de la simulación: IC2=4.738mA VBE2=703.7mV 14. Ahora se determinan los parámetros hfe y hie. h fe
I C I B
VCEQ kte
Hfe = |IC2-IC1|/|IB2-IB1|= (527uA)/(2.75uA) Hfe = 191.64. En el libro había se obtuvo 192. hie
V BE I B
VCEQ kte
Hie=|VBE2-VBE1|/|IB2-IB1| (2.9mV)/(2.75uA) Hie=1054.55Ω En el libro se obtuvo 1.05kΩ. 15. Ahora se determinan los otros dos parámetros, hre y hoe. hoe
hre
I C V CE
IBQ kte
V BE V CE
IBQ kte
Notar que para estos hay que mantener constante la corriente de base en el punto Q y se debe hacer variaciones en VCE ya que es común a ambos. Las variaciones no deben superar nuevamente el 5%! Recordar que IBq= 28.090uA y VCEq=12 VCE1=VCEq+VCE*5%=12.6V
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De la simulación se obtiene: IC1=5.040mA VBE1=705.2mV 16. Ahora se varía el VCE un 5% por debajo del VCEq. VCE2=VCEq-VCEq*5%=11.4V
De la simulación se obtiene: IC2=4.969mA VBE2=705.2mV 17. Ahora se puede calcular hoe y hre: hoe
I C V CE
IBQ kte
Hoe=(71.uA)/(1.2V)=5.92e-5 En el libro había dado (1/Ro) 58.48e-6
hre
V BE V CE
IBQ kte
Hre=(0)/(1.2V)=0 En el libro se obtuvo ¿?....upsss no lo da!!!.
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MÉTODO 2: UTILIZANDO LOS DATOS DE PEQUEÑA SEÑAL QUE ENTREGA ORCAD Orcad puede entregar datos del modelo de pequeña señal del transistor utilizado en cada simulación si se utiliza el análisis en el punto de trabajo. Para tal fin, se debe colocar en los ajustes de simulación el análisis “Bias point”(punto de trabajo)
Se corre la simulación y en la ventana del Spice, se despliega en el menú “View”, seleccionado “output file”
Este entrega un archivo plano como el siguiente, donde aparecerán todos los datos de la simulación realizada:
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Como se tiene un transistor en la simulación, se entregara un listado en dicho archivo de los parámetros para el punto de trabajo del mismo (pequeña señal), del cual se puede extractar la información que se requiere. Este generalmente se incluye al final del output file:
Se pueden observarlos parámetros que generalmente corresponden al modelo “r-pi” BETADC :Es la ganancia de corriente en DC BETAAC: Es la ganancia de corriente en AC VBE: Es el VBE en el punto Q VCE: Es VCE en el punto Q IC: IC en el punto Q RPI y RX: son resistencias intrínsecas del transistor donde Hie=RPI+RX Ro: es el inverso el hoe (hoe=1/Ro) GM: es la transconductancia (GM=hfe/RX)
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Ojo: Esta información del modelo de pequeña señal solo la entrega ORCAD en el análisis topo “BIAS POINT” !!! El output file también entrega siempre los parámetros del modelo de señal grande que utiliza (modelo Gummel Poon)
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SIMULACIÓN DEL AMPLIFICADOR DISEÑADO (Humberto Gutierrez Tomo 2- pag 456)
Lo que primero se obtiene será la señal de salida con una entrada senoidal para verificar que el amplificador no distorsione, para tal caso, se simula en el dominio del tiempo colocando cursores de voltaje a la entrada y la salida:
665mV
400mV
0V
-400mV
-676mV 3.45ms 3.60ms V (R6 :1)
4.00ms
4.40ms
4.80ms
5.20ms
5.60ms
6.00ms
6.40ms
6.65ms
V( R4: 2) Time
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Donde se verifica que la misma mantiene la forma senoidal, por lo que el amplificador funciona adecuadamente. Se puede verificar la inversión de 180° que se obtiene para las configuraciones de emisor común adicionando un nuevo eje vertical. 1
10mV
2
800mV
5mV
400mV
0V
0V
-5mV
-400mV
-10mV
>> -800mV 0s 1
0.5ms V (R 6: 1) 2
1.0ms
1.5ms
2.0ms
2.5ms
3.0ms
3.5ms
4.0ms
4.5ms
5.0ms
V (R 4: 2) Time
Ahora se prueba que en efecto este amplificando con la ganancia que establece el diseño (-60). Para tal caso se realizan medidas de la amplitud pico-pico de la salida con los cursores del Spice. (2.7230m,589.294m)
(3.2230m,-586.625m)
s
2.5ms
3.0ms
3.5ms
Luego Vopp =|589.294mV|+|-586.625mV|=1.17V Luego como la entrada tiene 10mV de amplitud, se puede calcular: Avt=Vopp/Vipp=1.17V/20mV=58.79
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Se verifican ahora las ganancias de corriente y voltaje a través de barridos de frecuencia. Se cambia la fuente VSIN por una fuente VAC y se colóca la misma amplitud (10mV) y el mismo offset (0V)
Se cambia ahora el tipo de barrido a AC Sweep/Noise y se ajusta el rango de frecuencia (1Hz-1GHz)y los puntos por década que se van a tomar (tratar de que no sean tantos…. 10 están bien)
Para simular la ganancia de voltaje total se colocan cursores de voltaje a la entrada y la salida obteniendo las siguientes graficas:
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600mV
500mV
400mV
300mV
200mV
100mV
0V 1.0Hz V( R6: 1)
10Hz V(R 4:2 )
100Hz
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
10MHz
100MHz
1.0GHz
Frequency
Y como la ganancia Avt es la división de las dos, se incluye una nueva curva con el “add trace” que permita determinarla
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60 (8.7588K,59.459) 50
40
30
20
10
0 1.0Hz V(R6:1)
10Hz V(R4:2)
100Hz V(R4:2)/ V (R6:1)
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
10MHz
100MHz
Frequency
Con lo que se corrobora que la ganancia de voltaje es de -60 aprox. Para la ganancia de corriente se realiza e mismo procedimiento cambiando los cursores de voltaje por corr iente: 80uA
60uA
40uA
20uA
0A 1.0Hz I(R6)
10Hz -I(R4)
100Hz
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
10MHz
100MHz
1.0GHz
Frequency
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Página 13
25
(10.864K,24.338)
20
15
10
5
0 1.0Hz I(R6)
10Hz 100Hz -I(R4) -I(R4)/ I(R6)
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
10MHz
100MHz
1.0GHz
Frequency
Nótese que Ait=24.338 Para le impedancia de entrada Zi se coloca en la entrada un cursor de voltaje otro de corriente y obteniendo Zi=Vi/Ii 20K
15K
10K
5K
0 1.0Hz I(R6)
(77.858,3.6270K)
10Hz 100Hz V(R6:1) V(R6:1)/ I(R6)
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
10MHz
100MHz
1.0GHz
Frequency
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