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UNIVERSIDADFRANCISCODEPAULASANTANDERINGENIERAELECTRNICA
LABORATORION1 ELECTRNICAII
ING. JHON JAIRO RAMREZ M. 1Dto. Electricidad & Electrnica UFPS
INTRODUCCIN A LA SIMULACIN CON ORCAD PSPICE
1. OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento del amplificador de Emisor Comn (EC) mono-etapautilizando los diferentes tipos de anlisis disponibles con la herramienta desimulacin ORCAD PSPICE.
1.1 ESPECFICOS
Familiarizar al estudiante con el uso de la herramienta de simulacin ORCADPSPICE como complemento al proceso de diseo y anlisis de circuitosamplificadores.
Identificar los principales tipos de simulacin que presenta la herramienta ORCADPSPICE para utilizarlos como soporte al anlisis y diseo de circuitos contransistores.
Obtener los parmetros de voltaje de polarizacin VCEQ, corriente de operacin ICQ,Beta de operacin del transistor Bf y las diferentes corrientes y voltajes del circuitode prueba a partir del modelo de pequea seal del transistor con la herramienta desimulacin.
Determinar los parmetros que pueden modificarse en el modelo utilizado por elORCAD con la herramienta PSPICE MODEL.
Utilizar la herramienta PROBE de ORCAD para visualizar los diferentes resultadosque se pretenden obtener con la simulacin.
2. EQUIPO NECESARIOComputador con ultimas especificacionesHerramienta de simulacin ORCAD PSPICE 10.3
3. COMPONENTES NECESARIOS
Los componentes se tomaran de las libreras que la herramienta tiene disponiblespara la simulacin.
4. TRABAJO PERSONAL PREVIO
Para la simulacin con Orcad Pspice se emplear un amplificador de Emisor comncon un transistor BJT ya diseado. Sin embargo, es necesario encontrar el modelomatemtico del circuito de EC de la Fig. 1. .
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AMPLIFICADOR DE EMISOR COMN
Fig. 1
VCC12V
vo
GENERADOR
vs
Rs
50
Cc1
1u
33kR1
22k
R2
4kRc
RE4k
Cc2
2uF
CE10uF
RL
5k
5. ECUACIONES BSICAS
EXPRESIN MATEMTICA
EC. RECTA DC
,
EC. RECTA AC
1 2 MODELO PSPICE ( PARMETROS DE CAMBIO)
BETA 26
VOLTAJE EARLY VA
6. PROCEDIMIENTO
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EDITSIMULATIONSETTING
RUN PSPICE
VOLTAGE LEVEL MARKER
PLACE PART
PLACE NET ALIAS
PLACE GROUND
Fig. 2
BARRA DE HERRAMIENTASSUPERIOR
BARRA DE HERRAMIENTA DERECHA
6.1 ANLISIS EN BIAS POINT (ANLISIS EN DC)
El anlisis en el modo Bias Point se utiliza para determinar el punto de operacin decada uno de los elementos que conforman el circuito de prueba, e identifica los
parmetros del modelo de los dispositivos activos (Transistores) que se utilizan en lasimulacin. Para entender un poco mejor este perfil de simulacin, vamos a desarrollarpaso a paso la implementacin de un circuito amplificador asi:
1 Implemente el circuito de la Fig. 1 en el rea de trabajo de Orcad como lo muestra
la Fig. 2.
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Fig. 3
PLACE NET ALIAS
2 Seleccione de la barra de herramientas lateral derecha Place partpara elegir loselementos que conforman el circuito. Ubique cada elemento del circuito en el rea
de trabajo (R, C, VCC, VSIN, VDC, Q2N2222A).
3 Seleccione las caracteristicas de la fuente con doble click y configure los valores de
la fuente Vsincomo los de la Tabla 1:
Tabla 1
4 Finalizado el proceso de implementacin del circuito en el rea de trabajo de Pspice,
seleccione Place net alias de la barra de herramientas lateral derecha, para darlenombre a cada nodo. Esta accin mejorar la descripcin del circuito y la
identificacin de sus componentes a la hora de la simulacin. En caso de
presentarse un error en la simulacin, el programa le indicar los nodos en donde se
encuentra dicho error y podr identificarlo fcilmente. Fig. 3
5 Para la simulacin de elementos semiconductores de tres terminales se debecambiar el parmetro de ganancia de la corriente, de lo contrario, los valores
arrojados en la simulacin no correspondern a los obtenidos en el anlisis terico.
VSIN
NOMBRE VALOR
Voff 0
VAMPL 20mV
FREQ 10khz
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Fig. 4
EDITOR DE TEXTOPSPICE MODEL
NOMBRE DEL MODELO AREALIZAR LOS CAMBIOS
En este caso, para el transistor bjt el parametro de ganancia de corriente es f, yse asumir un valor de prueba de f = 213.
6.1.1 Modificacin del Beta:Para modificar el Beta del transistor bjt se procede dela siguiente manera:
1. Seleccione el transistor bjt como lo muestra la Fig. 4.
2. De la barra de herramientas superior, seleccione el men Edit / Pspice Model.Inmediatamente aparecer una ventana donde se define el parmetro del modelo
del transistor que Pspice utilizar para su simulacin.3. Cambie el parmetro de ganancia de corriente de f =250 por f =213y el voltaje
Earlyal valor deVA=Vaf = 300 en el editor de texto del modelo de Pspice (PspiceModel), Fig. 4.
4. Para garantizar que los cambios efectuados al transistor solo sean de manera
temporal, dele un nuevo nombre al elemento. En este caso agreguele la letra J al
modelo existente Q2N2222A_J. Guarde y cierre el Pspice model.
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Fig. 6
CONFIGURACION DELPERFIL DE SIMULACIN
TIPO DE SIMULACIN
6.1.2 Simulacion del modelo:Antes de poder simular el modelo modificado configure el nuevo perfilde simulacin as:
1. Seleccione de la barra de herramientas superior Pspice /New simulation Profile,2. Para el nuevo perfil de simulacin en el espacio de la caja de dialogo Namede la
pestaa Analysis, introduzca el nombre que se le quiere dar al perfil desimulacin; en este caso Bias point, Fig. 6.
3. Luego Create.4. En la ventana emergente se configura la simulacin, de la barra superior
seleccione Edit Simulation Setting.5. Seleccione la pestaa Analysis e introduzca el tipo de anlisis que va a realizar
Analysis type. En este caso:Bias point.6. En la caja de dialogo Options, en la pestaa de anlisis, seleccione GeneralSettings.
7. En la misma pestaa seleccione para el archivo de salida Output File Options,la primera opcion.Include detailed bias point information for nonlinear controlled sources and
semiconductors (OP). y Ok.
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OUTPUT FILE
**** 09/27/08 21:41:50 ***** PSpice 10.3.0 (Jan 2004) **ID# 1111111111** Profile: "AMPLIFICADOR _EC-BIAS_POINT"
[C:\OrCAD\ejercicios_1\AMPLIFICADOR_BJT-PSpiceFiles\AMPLIFICADOR _EC\BIAS_POINT.sim ]
**** CIRCUIT DESCRIPTION****************************************************************INCLUDING "AMPLIFICADOR _EC.net" ****
* source AMPLIFICADOR_BJTV_Vs S 0+SIN 0 20MV 10K 0 0 0R_R1 B VCC1 33kR_R2 C VCC1 4kR_R3 0 B 22kR_R4 0 E 4kR_RL 0 VO 5kR_R6 I S 2kQ_Q1 C B E Q2N2222A_JC_C1 C VO 2uf
C_C2 0 E 10ufC_C3 B I 1ufV_VCC VCC1 0 5Vdc
**** RESUMING BIAS_POINT.cir ****.END
BJT MODEL PARAMETERS*****************************************************************
Q2N2222A_JNPN
IS 14.340000E-15BF 213NF 1VAF 300IKF .2847ISE 14.340000E-15NE 1.307
BR 6.092NR 1RB 10RC 1CJE 22.010000E-12MJE .377CJC 7.306000E-12MJC .3416TF 411.100000E-12XTF 3VTF 1.7ITF .6TR 46.910000E-09
XTB 1.5CN 2.42D .87
SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION*****************************************************************
NOD VOLT NOD VOLT NOD VOLT NOD VOLT
( B) 1.9633 (C) 3.6651 (E) 1.3460 ( I) 0.00
(S) 0.00 (VO) 0.00 ( VCC1) 5.00
VOLTAGE SOURCE CURRENTSNAME CURRENT
V_Vs 0.000E+00V_VCC -4.257E-04
TOTAL POWER DISSIPATION 2.13E-03 WATTS
OPERATING POINT INFORMATION****************************************************************
BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORSNAME Q_Q1MODEL Q2N2222A_J
IB 2.78E-06IC 3.34E-04VBE 6.17E-01VBC -1.70E+00VCE 2.32E+00BETADC 1.20E+02GM 1.29E-02RPI 1.04E+04RX 1.00E+01RO 9.04E+05CBE 4.08E-11
CBC 4.87E-12CJS 0.00E+00BETAAC 1.34E+02CBX/CBX2 0.00E+00FT/FT2 4.49E+07
JOB CONCLUDED
JOB STATISTICS SUMMARY*****************************************************************
Total job time (using Solver 1) = .02
Fig. 7
8. La visualizacin de los parmetros elctricos, punto de operacin de cada elemento
y voltaje de nodo que Pspice utiliza para su simulacin, se puede obtener con el
archivo de salida Output File. Para ello seleccione de la barra de herramientassuperior, Run pspice, la cual activa la herramienta Probeque permite visualizar elarchivo de salida.
Punto de polarizacindel elemento activo ysus parmetros depequea seal. Paranuestro caso elBETADC=120.Nuevamente secambia el valor en elPspice Model hastaque arroje el valordeseado 213.
Modelo de loselementos activosque utiliz en lasimulacin eneste caso el
transistor BJTQ2N2222A_J
Descripcindel circuitoesquemtico ysus nodos Los puntos de
polarizacin del circuitoen CD se encuentran a u
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9. Para ver los parmetros elctricos del punto de operacin en DC del modelo del
transistor Q2N2222A_J que arroj la simulacin, seleccione de la barra deherramientas superior View /output file, Fig. 7.
10. Verifique que el valor del BETADC del output filesea 213. De lo contrario, cierreel output file y repita los pasos 1, 2, 3 del numeral 6.1.1. Luego simule el diseo..Repita este procedimiento tantas veces sea necesario hasta conseguir el valor
propuesto. Utilice el mtodo de ensayo y error, Fig. 7.
11. Llene los valores de las variables elctricas correspondientes al campo asignado en
la tabla como Valores de simulacin, Tabla 2.
Tabla 2
6.2 ANLISIS EN EL TIEMPO (TIME DOMAIN)
Para el anlisis en el dominio del tiempo, alimente el circuito con la fuente de seal Vs
como muestra el circuito de la Fig. 1, y 2.
EDITOR DEL PERFIL DE SIMULACIN
Analysis type
Time domain
Run to Time: 500us
Start saving data after: 0.1uF
Options: General settings
Transient options: Maximum step size: 1us
Output file option:Include detailed bias pointinformation
OK /Aceptar
Tabla 31 De la barra de herramientas superior seleccione Pspice/Edit Simulation Profiley
configure el tipo de simulacin con los valores que presenta la Tabla 3, Fig. 8:
ANLISIS EN DC
VARIABLE V. TERICO V. SIMULACIN
ICQ
VCEQ
VBEQ
DCQ
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TIPO DE ANALISIS
Fig. 8
Opciones de configuracindel archivo de salida
NUMERO DE CICLOS
2 Ubique un Marcador de voltaje en la resistencia de salida y otro marcador de voltaje
en la resistencia de la fuente de entrada vs, Fig. 9.
3 Para simular el circuito de prueba, seleccione Pspice/Rundel men de la barra deherramientas superior.
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Fig. 10
OUTPUT FILE
EDIT SIMULATION SETTINGS
EDITOR DE LAS CARACTERISTICAS DESIMULACION
CONFIGURACION DE LOSEJES DE LA GRAFICACONFIGURACION DE LA
VARIABLE DE SALIDA DELA GRAFICA
CORRE EL NUEVO PERFILDE SIMULACION
5 Llene la Tabla 4 con los valores max y min de la seal de voltaje. Igualmente
consulte los valores de pequea seal del transistor presentes en el Output Fileyubiquelos en la tabla.
ANLISIS EN EL TIEMPO
VARIABLE V. TERICO V. SIMULACIN
Vi(p)
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Fig. 11
vi
t
vo
t
SEAL DE ENTRADA SEAL DE SALIDA
ANLISIS EN EL TIEMPO
VARIABLE V. TERICO V. SIMULACIN
Vo(p)
Av
ACQ
r
gm
(fase)
Tabla 46 Grafique un periodo de las seales de entrada y la salida del circuito
respectivamente en la Fig. 11.
6.2.1 Margen de Fase
1 Para medir la diferencia de fase entre la seal de salida y la seal de entrada
mantenemos el perfil de simulacin en el dominio del tiempo Time domain.2 Activamos nuevamente Probe con Run pspice.3 En la barra de herramientas superior de Probe seleccionamos Trace / Evaluate
Measurement.
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Fig.13
Fig. 12
4 Ya en la ventana para la evaluacion de medidas, Evaluate Measurement,procedemos a seleccionar la medida que queremos evaluar en Funciones Macros, se elige del listado la funcin PhaseMargin (1, y 2),Para los valores 1y 2Escriba la expresin en el espacio en blanco en Trace Expressions :(V(Vo),V(Vs:+)) tome las variables de la lista total Full List, Fig. 12.
5 Para ver los datos en la pantalla de probe View / Measurement Result,Fig. 13.
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6.3 ANLISIS EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA
6 Para iniciar el anlisis en frecuencia es necesario agregarle a la fuente Vsin lasiguiente propiedad: AC = 1.
7 Para realizar dicho cambio, seleccione primero la fuente VSIN, luego en la barra deherramientas superior Edit / Property Editor: En el editor de propiedades delelemento, en la casilla AC ingrese el valor de 1 y de la barra de herramientasapply.No cierre la ventana, para visualizar las propiedades del elemento, elegimos de la
barra de herramientas Dysplay properties / Name and value / Ok. Ya esta, lafuente se encuentra lista para tener un valor fijo de voltaje VAC = 1 y variar sufrecuencia.
8 Para configurar la simulacin editamos de la barra de herramientasEdit simulation settings/Analysis type:Ac sweep/noise.Options: General settings
9 AC sweep type: Logarithmic.Start Frecuency : 0.1hzEnd Frecuency : 10GhzPoints / Decade : 100.Aceptar.
10 Elija de la barra de herramientas un marcador de nivel de voltaje Voltage/ LevelMarker y ubquelo a la salida del circuito. Seleccione Runpspice.
11 Analice el grafico y encuentre los valores para los que la ganancia cae a un 70.7%de su valor mximo y llene la Tabla 5.
Tabla 5
ANLISIS EN LA FRECUENCIA
VARIABLE V. TERICO V. SIMULACINFL
FH
BW
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7. CONCLUSIONES
8. BIBLIOGRFIA
SAVANT C.J , RODEN Martin S. CARPENTER Gordon. Diseo Electronico. Circuitos ySistemas. Tercera Edicin. Mxico. Pearson Educacin Mexica S.A. 2000
SEDRA, Adel. Circuitos Microelectrnicos, Quinta Edicin. Mxico D.F. Editorial Mc Graw-Hill, 2006.
HORENSTEIN, Mark. Microelectrnica: Circuitos y Dispositivos. Mxico D.F. EditorialPrentice Hall Interamericana S.A., 1997.
NEAMEN, Donald A. Anlisis y Diseo de Circuitos Electrnicos, Tomo I. Mxico D.F. McGraw-Hill, 1999.
A. GULLO, J. Diseo Electrnico: Circuitos y Sistemas. Argentina. Editorial Addison - WesleyIberoamrica, S.A, 1992.
BOYLESTAD, Robert L. Electrnica: Teora de Circuitos. Mxico D.F. Editorial Prentice Hall
Hispanoamericana, S.A. 1997.
MALVINO, Albert Paul. Principios de Electrnica. Sexta Edicin. Espaa. Editorial McGraw-Hill/Interamericana de Espaa S.A., 2000.