amplificador CS, cálculo de componentes y ejecución


En esta entrada veremos una etapa de amplificación de señales llamada "fuente común" o common source (CS).
Lo bueno de este amplificador es que con pocos componentes (MOSFET, par de resistencias y uno que otro BJT) podemos llegar a tener una ganancia bastante grande, sin embargo su ancho de banda es limitado (es decir su ganancia baja a frecuencias altas), para evitar esto podemos recurrir a trucos, como poner un amplificador CG en la entrada, pero eso es para otro post. Por ahora asumiremos un modelo de pequeña señal, es decir, que a la frecuencia que trabajamos no se ve afectada por los efectos de capacitores parásitos del MOSFET.

La razón de por qué se le llama fuente común es bastante arbitraria, debido a que la señal entra por la compuerta y la salida la obtenemos del Drain, entonces lo que queda libre (con respecto a señal de entrada y salida) es el terminal de fuente. Interesante? cómo sera entonces el amplificador CG (common gate)?



Pues bien, veamos el siguiente circuito



Genial, para este proyecto tendremos las siguientes especificaciones:

  • Ganancia de 30 dB
  • filtro paso alto de 100 Hz en la salida
  • Is de 10 mA
  • Vin, una sinusoidial de 1 kHz y 10 mV valor pico-pico
Si nos fijamos Vin es muy pequeño, esto se debe a que el objetivo de esta actividad es mostrar que una señal de entrada que a priori no es posible cuantizar (debido a que es muy pequeña), mediante técnicas y procesos esta si es posible de mostrar y medir.

Pues bien, antes de hacer una lista de materiales debemos determinar Rd, C2, Rs y además debemos averiguar como crear una fuente de corriente independiente. (Para lo de la fuente de corriente haz clic aquí).

Perfecto, determinemos nuestros componentes...

Haciendo el modelo de pequeña señal del amplificador llegamos a 



En nuestro modelo vemos que los condensadores han sido cortocircuitados debido a que a la frecuencia que trabajamos decimos que su impedancia tiende a cero

finalmente calculando llegamos a que la ganancia es de 


Podemos observar a primera vista que:
  • Req es la resistencia equivalente de la resistencia de carga (Rl) y de Drain (Rd)
  • A mayor Rs, menor es la ganancia, por esto se le llama resistencia de degeneración.
  • Para obtener ganancia máxima es necesario Rs llevarlo lo más cercano a cero (resistencia baja), en cuyo caso obtenemos gmReq
  • A mayor Rd, mayor es la ganancia (ojo con esto, no lo tomemos tan a la ligera).
Pues bien, ahora que tenemos una expresión para la ganancia, es cosa de reemplazar en la ecuación. Ojo, no es llegar e igualar nuestra expresión a 30, recordemos que 30 está en dB, por lo tanto lo debemos pasar a V/V, para aquello recuerda que 


Por lo tanto si en decibeles tengo 30, entonces esto equivale a una relación Vsalida/Ventrada de 31.62

Perfecto, igualamos y obtenemos que Rd = 650, aproximadamente

Para obtener el valor de C2 recurrimos a nuestra famosísima fórmula que dice 


Del cual si consideramos que fc (en Hz) es 100 Hz y R es igual a 100k, entonces obtendremos un valor parecido a 16 nF para nuestro capacitor C2.

Perfecto, ahora que ya calculamos nuestros parámetros sabemos que la lista de materiales será

  • 1 x 2N7000
  • 2 x resistencia 100k (R load)
  • 1 x resistencia 650 (Rd)
  • 1 x potenciómetro 10k (para Rs)
  • 1 x capacitor (18 nF)
  • 1 x capacitor (1000 uF)
  • 1 x resitencia 100
  • 1 x resistencia 1k
  • 2 x 2N2222
El circuito final es 




  • Vss = -5V
  • V2 = +5V
  • V3 = Señal de entrada a amplificar (Vin)
  • V4 = +5V
  • Los 2N2222 en paralelo son un espejo de corriente, básicamente, bajo esta configuración, se comportan como una fuente de corriente independiente (para más información busca fuente de corriente, en nuestra sección analógicos)


Para probar la capacidad de este amplificador, probaremos como Vin una señal muy pequeña, una sinusoidial de 5 mV, esta señal es tan pequeña que el generador de funciones no será capaz de generarla, es más, si la pudiesemos generar nuestro osciloscopio no sería capaz de mostrarnos la señal de forma limpia, sino que nos mostraría una forma de onda pero con mucho ruido, por esto y otras razones, para generar una señal tan pequeña como queremos, haremos un pequeño truco, tomaremos como entrada una señal sinusoidial de la misma frecuencia y de amplitud 5 V y luego la pasaremos por un divisor de voltaje de 1/1000, para ello pondremos dos resistencias en serie, una de 100K y otra de 100, obteniendo un divisor aprox. de 1/1000, logrando así los 5 mV de amplitud ¿Por qué complicarnos con este procedimiento? Bueno, por lo que te acabo de mencionar. Si no me crees, intenta obtener 5 mV con tu generador de señales, verás que para la mayoría es casi imposible.

Señal de entrada de amplitud 5 V
Hora de armar el circuito, una vez listo ingresa la señal de entrada y mide a la salida, obtenemos lo siguiente...

Señal de salida amplificador CS

Observamos que la señal de salida tiene una amplitud de 154 mV, es decir si sacamos la relación 154/5, obtenemos una ganancia de 30.8 V/V (29.6 dB), bastante parecida a la que habíamos estimado en nuestros cálculos.
Señal de entrada vs Señal de Salida
 Perfecto, ya tenemos el requisito de la ganancia listo, pero el de la frecuencia de corte? Pues bien, sabemos que la frecuencia de corte es de -3 dB sobre la ganancia máxima, que para nuestro caso es de 29.6 dB entonces la ganancia a frecuencia de corte es de 26.6 dB, lo que es igual a 21.37 V/V. 

Lo que haremos será ir bajando la frecuencia de la señal de entrada hasta dar con un valor igual a 21.37*5 mV = 106 mV. Una vez encontrado anotamos la frecuencia y listo.

Señal a baja frecuencia filtrada

Como se observa en la imagen, a baja frecuencia, la señal se filtra, es lo que le sucedió a esta señal, que a 50 Hz la amplitud se vió reducida a la mitad.

¿Interesante? Bastante, ahora podemos amplificar nuestras señales, sin necesidad de recurrir a OpAmp´s (pero como veremos en otra entrada, si tengo suerte, los OpAmps están hechos de estos componentes) y a un muy bajo precio, pero como también veremos, cada tipo de amplificador depende de lo que queramos que hagamos, por ejemplo, debido a su limitado ancho de banda, este amplificador no sería una buena opción para señales de RF, por lo mismo, es trabajo del diseñador, o sea, tú. Saber que amplificador ocuparás. Yo por lo menos, intentaría este con audio, sería interesante ver que ocurre con el ruido. 

Suerte.


1 comentario:

Comenta aquí...