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Universidad Simón Bolívar
Dto. De Electrónica y Circuitos
Realizada por: Gabriel Dominguez
Bajo la supervisión de: Prof. Mónica Huerta
Guía de Electro I
Ec-1167
Formulas:
Mosfet
Canal m Canal P
Símbolo Circuital
Vt - +
Encendido Vgs > Vt Vgs < Vt
VDS + -
Condición de Tríodo VDS VGS Vt VDS VGS Vt Condición de Saturación VDS VGS Vt VDS VGS Vt
1
VA + -
Curvas características
Ecuación en tríodo 2[2( ) ]ID K VGS Vt VDS Vds
Ecuación en saturación 2( ) (1 . )ID K VGS Vt VDS
Ro 1( . )VA
Ro IDID
gm ( ) .
2
Kgm VGS Vt K ID
Modelo AC
gmVGS Ro
+ VGS -
G
S
D
BJT
MPM PMP
Símbolo Circuital
VBE + -
VCE >0,2 <0,2
2
11[( ) ]
2
De Na W W
Dm Ne Lp Dm b
Ecuaciones en modo activo directo
.
1
VBE
VtIc Is e
IcIb
(1 )VBE
Vt
Ie Ic Ib
VceIc Is e
VA
hfegm
hie
Gráficas características
Modelo AC R
gm
gmVπ + Vπ -
Rπ
Diodos
Modelo lineal por tramos de la característica directa del diodo y su circuito equivalente:
Modelo de caída de voltaje constante de la característica directa del diodo y la representación de su
circuito equivalente:
1) En el siguiente circuito dado que AVo1=10000 y AVo2=8000 determine: Vo en función de
V1, V2 y V3 sabiendo que Vo=Vo1-Vo2. ¿Cuál es el valor máximo de voltaje de entrada
para que no se sature Vo?
Hacemos las ecuaciones de nodos para el primer OPAM
1 1(1)
1 10
2(2)
1 10
1 1( ) (3)
V VA VA Vo
K K
V VB VB
K K
Vo AVo VB VA
Despejamos VA y VB de las ecuaciones 1 y 2 respectivamente. Luego sustituimos en 3
10 1 1 1
10 1
10 2
10 1
10 2 10 1 1 11 10 ( )
10 1 10 1
1 10 10 2 10 11(1 ) 10 ( )
11 10 1 10 1
1 9.989 2 9.989 1
KV KVoVA
K K
KVVB
K K
KV KV KVoVo K
K K K K
Kx K KV KVVo K
K K K K K
Vo V V
Repetimos el procedimiento con el segundo OPAM
2 2(4)
2 20
3(5)
2 20
2 2( ) (6)
V VC VC Vo
K K
V VD VD
K K
Vo AVo VD VC
Despejamos VC y VD de las ecuaciones 4 y 5 respectivamente. Luego sustituimos en 6
20 2 2 2
2 20
20 3
20 2
20 3 20 2 2 22 2( )
20 2 2 20
8 2 20 3 20 22(1 ) 8 ( )
20 2 20 2 2 20
2 9.989 3 9.989 2
KV KVoVC
K K
KVVD
K K
KV KV KVoVo AVo
K K K K
Kx K KV KVVo K
K K K K K K
Vo V V
Ahora como sabemos que Vo=Vo1-Vo2
19.978 2 9.989 1 9.989 3Vo V V V
Para contestar a la segunda parte igualamos Vo1 a 11V
Recordamos los resultados obtenidos anteriormente
1 9.989 2 9.989 1
2 9.989 3 9.989 2
Vo V V
Vo V V
Colocamos Vo1=12V y Vo2=15V y despejamos las diferencias de voltaje
2 1 1.2
3 2 1.5
V V V
V V V
2) Para el circuito de la figura 1, suponer Vzon = 0.7 y Vdon =0.7. Graficar Vo vs Vi, si
Vi=10Sen(2π1000t). (5 Ptos).
Figura 1
Para Vi = 0V
Ninguna de las tres ramas está activa. No alcanza el voltaje mínimo para que los
diodos enciendan. Vi = Vo
Esta relación se mantiene hasta Vi ≤ 2.7V + V1k y como no va a pasar corriente
entonces V1k = 0V.
Vi < 2.7V
Para Vi > 0V (Vi > 2.7V)
Es el voltaje mínimo que se necesita para que la primera rama esté activa.
Se tiene que: Vi = 2 (1K x I) + 2.7V
Sustituyendo la ecuación de la corriente en la ecuación de Vi queda que:
Vi = 2Vo - 2.7V ó Vo = (Vi + 2.7V) / 2
Esta relación se mantiene para 2.7V < Vi < 6.7V
Para Vi ≥ 6.7V
Se activa el diodo de la tercera rama que va a mantener regulado el voltaje Vo en
4.7V
Vo = 4.7V para Vi ≥ 6.7V
Para Vi < 0V (Vi > -5.7V)
Estas dos ramas no funcionan debido a que el sentido de la circulación de la
corriente polariza los diodos en inverso.
Mientras Vi < -5.7V no va a haber circulación de corriente.
Para Vi ≤ -5.7V
Justo cuando Vi = -5.7V = Vo va a encender la tercera rama que va a
mantener el voltaje Vo constante en -5.7V
Vi = Vo
3) En el circuito de la figura 2
a) Calcule C, para que el Factor de Rizado sea del 9%.
b) Si la carga varia de 0.5K a 2K. Calcular la regulación de carga.
c) Cuál es la regulación de línea si la alimentación varía ±10% y la carga se mantiene en
0.5K.
Figura 2
a) Cuando hacemos la transformación del voltaje en el transformador nos quedan 20 voltios a la
salida. Ese voltaje cae en el rectificador de media onda el cual decae el voltaje en 0.7 voltios.
Entonces el voltaje sobre el capacitor a hallar es 19.3 voltios.
100max
VrFr x
V
Despejando el voltaje de rizado se obtiene:
1.737
max
Vr V
VVr
RfC
Despejando la incógnita C obtenemos:
370C F
b) La regulación de carga se consigue cuando hay alguna regulación, es decir, cuando se tiene un
diodo zener. En este circuito no hay diodos zener por lo que la regulación de carga es igual a cero.
d) La regulación es igual a cero por las mismas razones anteriores.
4) Para el circuito de la figura 1, dibujar la gráfica Vo vs Vi, si el operacional se alimenta a
±20V.
Figura 1
Para Vi = 0V
Entonces queda que:
(2 1.5 ) 3
6
3 3
2 2
Vo K mA V
Vo V
V Vi Vo V
K K
6Vo V Vi
Para Vi > 0V
Justo antes que el diodo zener entre en activo.
3 3 2.7
2 1
3.6
3 2.7 2.7
1 1
Vo V V V
K K
Vo V
V V V Vi
K K
Entonces de aquí se puede decir que para 0V < Vi < 2.4V se tiene que 0V < Vo < 3.6V
Para Vi ≥ 2.4V
Una vez que el diodo tener comienza a funcionar en activo va a mantener constante el voltaje en
ese nodo. Es decir, Vo = 3.6V
Para Vi < 0V
3 6 6
1 1
15
V V V Vi
K K
Vi V
Justo antes que el diodo zener entre en regulación
Para -15V < Vi < 0V
El diodo zener sigue inactivo y por lo tanto Vo = 6V - Vi, igual que en la primera parte del semiciclo
positivo.
Para Vi ≤ -15V
El diodo zener entra en regulación haciendo que Vo = 21V, pero por datos del problema se sabe
que el operacional entra en saturación a partir de los 20V. Esto quiere decir que el diodo zener no
va a entrar en regulación debido a la saturación en la salida del operacional.
5) En el circuito de la figura 2, Vsmax = 14V y Vsmin = 12V, Z: 9V@10mA, rz = 10Ω, Izk = 1mA.
e) Calcule Rs, para que el valor mínimo de Vz sea de 9V, si RL = 5K.
f) Cuál es la potencia que debe tener el diodo para soportar la condición de vacío.
g) Cuál es el valor de RL mínimo que puede soportar el circuito para que se mantenga en
regulación.
,
Para calcular el valor de Rs, cuando y
Y sé que (cuando )
Entonces
En condición de vacío ( ), la potencia que el zener puede soportar es:
Rl se va
0,9 Watt
Para que el circuito este en regulación Rl min es:
6) En el circuito de la figura 1, Vz = 20V, rz= 10Ω, Pzmax = 3W, IZK=2mA,Vd= 0,7V. a. Determinar el valor de RL y la potencia de la misma si se quiere una corriente de
carga máxima de 50mA. (2 pts) b. Calcule C, para que el factor de rizado en el condensador sea del 20%. (6 pts) c. Calcule Rp que garantice la operación del zener como regulador. (3 pts)
Figura 1
a) Hallar RL V2do=120/5=24Vrms
V2pico=32.5V
Vz+Rz.Iz=RL.IL
20+10x2x10-3=50x10-3xRL
RL=400 Ω
b) Hallar C
Vmin=26.6V
26.6=32.5sen(2 Πx60xTo)
To=2.54x10-3s
Ic=Cdv/dt
52ma=C(32.5-26.6)
T/4-To
C=58.9uf
c) Halle Rp Rp=240Ω
max min100
V VVr x
Vmaz
7) En el circuito de la figura 2, los OPAMS son Ideales, alimentados a ±15V, Von=0,7V, kn´(W/L)=2ma/V2,Vt=1v, λ=0.obtenga la curva de transferencia Vo/Vi, (4ptos). Calcule el punto de operación del MOSFET.(8ptos)
Figura 2
a) Graficar Vo/Vi
Para vi negativo
Si -3<vi<0
(Todos los diodos están apagados)
Ii=0
Vi=V+=V-
Vo+4I=Vi
Vi+4I=0
I=-Vi/4
Vo=2Vi
Si Vi<-3
V+=-3=V-
Vo=-6
5
10
-6
-3
Vi
Vo
Para vi positivo
Si 0<Vi<5
(Todos los diodos están apagados)
Vo=2Vi
Si Vi>5
(Se activan todos los diodos)
V+= 5=V-
Vo=2V+=10
b) Punto de operación del Mosfet.
VG-VGS-ID=0
VGS=VG-ID
VGS=5-ID
ID=(1/2) kn´(W/L)(VGS-VT)2
ID=(5-ID-1)2
ID=(4-ID)2
ID2-9ID+16=0
ID1=6.56ma
ID2=2.43ma
VGS1=5-6.56=-1.56 NO
VGS2=5-2.43=2.57 SI
Vo-2ID-VDS-ID=0
VDS=Vo-3ID
VDS>VGS-VT
VDS>1.57
Caso 1 Vo=10
VDS=2.71
2.71>1.57 Saturación
Caso 2 Vo=-5
VDS=-2.71
-2.71<1.57 Tríodo
8) Para el circuito de la figura, determinar Vo/Vi sabiendo que: (R1=R3=2K), (R2=R4=20K), y la
ganancia de lazo abierto (Avo) es 9000. (10 Ptos)
V+=(20/22)V2
10V1-10V-=V
--Vo
V-=(10V1+Vo)/11
9000( )
109000( ( 1 2) )
11 11
819.18 8181.81( 1 2)
9.98( 1 2)
9.981 2
Vo V V
VoVo V V
Vo V V
Vo V V
Vo
V V
9) Determine Vo/Vi
1
2
6.25 0.15 6 0.75
4 0.1 9 3
Vs ID mA VD V VGS V NO
Vs V ID mA VD V VGS V SI
373
|| 60
Zi K
Zout Rl K
1( )( ) 0.2
0.2 .(60 || )
Wgm Kn VGS Vt m
L
VGS Vi
Vom K Rl
Vi
2
2
7
1( )
2
40
0.1(5 )40
VG V
WID Kn VGS Vt
L
VsID
VsVs
2
10 10(1)
4.25 4.25
( ) (2)
VD VG
VD VGID
K K
ID K VGS Vt
10) Hallar Vo si β=100, K1=K2=0.5mA/V2 (K=1/2Kn`(W/L)), Vbe=0.7V, Vt=1V, Opams
ideales.
Analizamos primero el espejo de corriente.
Igualamos (1) y (2)
2 2
2 2
2
2
1
2
100.5 ( 1) 10 2.125( 10 1)
4.25
10 2.125( 9) 10 2.125( 18 81)
10 2.125 38.25 172.125
2.125 39.25 162.125 0
6.23
12.23
10 ( 6.23 )3.81
4.25
VGm VGS VG VG
K
VG VG VG VG VG
VG VG VG
VG VG
VG V SI
VG V NO
VID mA
K
Por ser un espejo de corriente ID=IE
3.81
3.77
37.71
IE mA
IC mA
IEIB A
2
4 2
0.5 0.5
2 2
2.52 7.55 5.03
KxVE VEV
K
VC VE VE VoVC VE Vo
K K
Vo VE VC V
Ahora analizamos el BJT
537.7 5 1.77
47
3.22
0.7 0.7 2.52
203.77
3.3
20 12.44 7.55
5.03
0.7
V VBA V VB V
K
VB V
VBE V VB VE V VE V
VCmA
K
VC V VC V
VCE V
VBE V
Tenemos dos seguidores de voltaje que llevan el VC y VE a una configuración diferencial de OPAM
11) En el siguiente circuito β=100, Va=100 determinar: Punto de operación para Q1 y Q2,
Vo/Vi y Rin.
Hacemos el análisis en DC, para ello abrimos todos los capacitores
Para el BJT 1 haciendo thevenin
15 53 10 0
15 63 0
150.238
63
150.238
53
2.39
Re (53 / /10 ) 8.4
KI KI
KI
I I mAK
Vth
K
Vth V
q K K K
Ese voltaje de thevenin es el voltaje de la base del BJT1 y como se sabe que VBE=0.7V se obtiene
que VE1=1.69V
Con el voltaje del emisor puedo hallar la corriente del emisor
1
00.84
2
VEIE mA
k
Ahora por relaciones de corriente
1 1
11
1 1
(1 )
8.311
0.83
IE IB
IEIB A
IC IB mA
Para el BJT 2
1 2
22 2 2
2 2
2 22 2 2
2
2 2
2 2 2 1
22 2 2
2
0.83
(1 ) 8.211
0.82
15 15 1 1( )
83 38 83 83 39
0.18 8.214.66
0.0376
0.7
0.7 3.96
1515 5
5
10
IC IE mA
IEIE IB IB A
IC IB mA
VB VBIB IB VB
K K K K K
mVB V
m
VB VE V
VB VE VE V VC
VCIC KIC VC
K
VC
11
22
1
1
2
2
.9
0.8333.2
25
0.8233.3
25
3.01
3.05
V
IC mA mGm
Vt mV
IC mA mGm
Vt mV
R KGm
R KGm
Ahora hacemos el análisis en pequeña señal
2 2 5 (1)Vo Gm V x K
Por corrientes de nodos
22 2 1 1
2
2 2 1 1
2
1( )
VGm V GmV
R
V Gm GmVR
Vπ1=Vi por lo que queda directamente
12
2
2
12
2 2
1( )
(2)1
GmViV
GmR
GmViV
Gm R
Sustituyendo (2) en (1)
2 1 2
2 2
1 2 2
2 2
5
1
5
1
Gm GmViR KVo
Gm R
Gm Gm R KVo
Vi Gm R
Sustituyendo
16606.64164.35
101.04
Vo
Vi
Para calcular Rin me doy cuenta que está aislado el circuito por lo que Rin es directamente
153 / /10 / /
2.21
Rin K K R
Rin K
12) Hallar Vo en función de Vi
Realizamos las ecuaciones de nodos
1(1)
1 2 1
4 4
2 4 4
4(2)
6
V VA Vo
K K K
Vo VA VA VA Vi
K K ik
Vo VA VA Vi
Vo ViVA
Sustituimos (2) en (1)
42 ( ) 2 0
6
16 13 0
16
13
Vo VoVi Vo
Vi Vo
Vo Vi
13) Para el siguiente circuito determine la corriente i cuando vi=5V y grafique Vo vs Vi
Si Vi=5V los diodos 2 y 3 se apagan y el diodo 1 se enciende y funciona como una fuente de 0.7V
Dado que solo funciona D1 la corriente va desde Vi hasta tierra únicamente pasando por la rama A
Haciendo una malla:
Para graficar Vo vs Vi debemos suponer varios casos
Primero veamos que es imposible que los 3 diodos estén
encendidos al mismo tiempo pues la rama B obligaría a un
Vo de -7.7 y la rama C obligaría a un Vo de 5.7V
Suponemos que D3 está encendido y nos damos cuenta que para que eso ocurra D1 también debe
estarlo y veremos que Vo=5.7V solo nos falta ver para que rango de valores de entrada ocurre esto
Esto es el caso frontera y vemos que para valores mayores de Vi siguen
prendidos los mismos diodos y el Vo permanece igual
7.7
5.7
para Vi V
Vo V
Ahora veamos que cuando D3 está apagado y D1 encendido solo se conduce corriente por la rama
A
.2
5.7
5.7 4.71
1
5.7 2 .1
7.7
Vi i K Vo
Vo V
V Vi mA
K
Vi V K mA
Vi V
5 .2 0.7 4 .1 0
(1 2 ) 5 0.7 4
.3 0.3
0.30.1
3
V i K V V i K
i K K V V V
i K V
Vi mA
K
Nos falta obtener el rango de valores de vi para los cuales es válido este
Vo, sabemos que el máximo valor es 7.7V nos falta el mínimo que puede
ser hallado por simple inspección colocando que la corriente que circula
por D1=0A.
4.7 7.7
9.4
3
para V Vi V
V ViVo
Procedemos a apagar todos los diodos y nos damos cuenta que Vo=Vi y esto va a ser válido para
voltajes comprendidos entre un máximo de 4.7V y un mínimo de -7.7V que es cuando se enciende
D2
7.7 4.7para V Vi V
Vo Vi
Por ultimo encendemos D2 y los otros 2 permanecen apagados, vemos simplemente que Vo=-7.7V
para todos los valores de Vi menores a -7.7V
7.7
7.7
para Vi V
Vo V
4.7
2 1
3 9.4
9.4
3
Vo Vi V Vo
K K
Vo V Vi
V ViVo
14) Halle Vo/Vi dado que:
21
2
100
3 100
W mAkn
L V
Vt V
Ro K
2
2
10 .44
10
0.5 ( )
0.5 (4 2) 2
10 1 . 8
10 0.7 9.3
0 9.31
9.3
1
V KVA V VG
K
ID m VGS Vt
ID m mA IA
VB K IA V
VC V
IC mAK
IB IC mA
1
11
1
1
140
2
2.5
0.7 7.3
( ) 2mos
Ic IB
Ic mA mgm
Vt V
R Kgm
VD VB V
W mgm kn VGS Vt
L
24Zin K acomodando un poco el circuito
22
2
2
2 2
2
40103.65 2.5
1(40 ) 9.64
2.5
0.24
22.5 1
0.6 2
0.6(0.24 ) 2
1.000144 2
2
VVomV
K K
V mVo
V mVo
V Vo VmVi
K K
V Vo Vi
m Vo Vo Vi
Vo Vi
Vo
Vi
15) Determine Rin, Rout y A (Vo/Vi) para la configuración de Source Común presentada a
continuación, tome vo como el voltaje sobre RL.
Dibujamos el circuito a pequeña señal
Re ( 1/ / 2)
( / / / / )
( 1/ / 2)
Re ( 1/ / 2)
( / / / / )
( 1/ / 2)( / / / / )
Re ( 1/ / 2)
( 1/ / 2)( / / / / )
Re ( 1/ / 2)
Zi RG RG
Zo Ro RD RL
Vi RG RGVGS
RG RG
Vo gmVGS Ro RD RL
Vi RG RGVo gm Ro RD RL
RG RG
Vo RG RGA gm Ro RD RL
Vi RG RG
16) Determine Rin, Rout y A (Vo/Vi) para la configuración de Drain Común presentada a
continuación, tome vo como el voltaje sobre RL.
Dibujamos el circuito a pequeña señal
Re ( 1/ / 2)Zin RG RG
( / / / / )
( 1/ / 2)
Re ( 1/ / 2)
( 1/ / 2)( )( / / / / )Re ( 1/ / 2)
( 1/ / 2)(1 ( / / / / )) ( )( / / / / )
Re ( 1/ / 2)
( 1/ / 2)( )( / /Re ( 1/ / 2)
VS Vo
Vo gmVGS Ro RL RS
Vi RG RGVG
RG RG
Vi RG RGVo gm Vo Ro RL RS
RG RG
Vi RG RGVo gm Ro RL RS gm Ro RL RS
RG RG
RG RGgm Ro R
Vo RG RG
Vi
/ / )
(1 ( / / / / ))
( 1/ / 2)
( 1/ / 2) Re
1( / / / / / / )
L RS
gm Ro RL RS
Vo RG RG
Vi RG RG
Zout Ro RL RSgm
17) Determine Rin, Rout y A (Vo/Vi) para la configuración de Gate Común presentada a
continuación, tome vo como el voltaje sobre RL.
Dibujamos el circuito a pequeña señal, y tendemos Ro a infinito para simplificar los calculos
Re
1 1( ) Re
Re
( / / )
1 1( ) Re
Re
( / / )
1 1( ) Re
Re
Vs Vi VSgmVS
Rs
ViVS
gmRs
gmVi Ro RlVo
gmRs
Vo gm Ro Rl
Vigm
Rs
Ahora vamos a calcular Ii para hallar la resistencia de entrada
2 1 1ReRe ( )
Re
Re1
Vi ViIi
gmRs
Vi Rs
Ri Rsgm
/ /
1( )
/ /
/ / Re / /
1( )
/ / (Re/ / ) / /
1(1 )
(Re/ / )/ /
1 1(1 )
(Re/ / ) / /
VxgmVs Ix
Rd Rl
VxVS Ix
Rd Rl gm
Vs VxIx
Rs Rd Rl
Vx VxIx Ix
Rd Rl gm Rs Rd Rl
Vx gm RsRd Rl Zout
Ix
gm Rs Rd Rl
18) Dado que Vz=20V, Pz=3W, Rz=10 Ω, Iz(k)=2mA, iLmax=50mA y Vd=0.7 determine:
a. El valor de RL
b. El valor de C para que el factor de rizado en el capacitor sea del 20%.
c. Rp para asegurar el encendido del zener
La R viene siendo la R de Thévenin vista desde el capacitor
20400
50
Pr 50 20 1
100max
2
2
VRl
mA
l mAx W
VrFr x
V
VpVr
fRC
VpC
fRVr
2 1
1
1
1 169.733.94
2 5
33.94 1.4 32.54
max0.2
100
0.2 32.54 6.51
NVpico Vpico V
N
Vpicoc V
V FrVr Vpicoc
Vr x V
2 50 52
2
32.4 0.5(6.51) 29.28
Ith Iz Il mA mA mA
VrVth Vp
Vth V
29.28563.1
52
32.5474
2 60 6.51 563.1
26.03 20116
52
VRth
mA
C Fx x x
RpmA
19) Determine Rin, Rout y A (Vo/Vi) para la configuración de Emisor Común presentada a
continuación, tome vo como el voltaje en el colector.
Circuito en pequeña señal:
( / / )
( / / )
( )
( / / )
R ViV
Rb R
R ViVo Ro RC gm
Rb R
gmR
Vo Ro RC
Vi Rb R
Zin R Rb
Zout Ro RC
20) Determine Rin, Rout y A (Vo/Vi) para la configuración de Colector Común presentada a
continuación, tome vo como el voltaje en el emisor.
Circuito en pequeña señal
1/ / 2RB RB RB
V Vi Vo
Aplicamos transformaciones de fuentes
( )
1 1 1 1( ) ( )
1 1( )
1 1 11 ( )
Re
Vo Vi Vo gmRo Vi Vo Vo
RE R RC Ro
gmRo gmRoVo Vi
RE R RC Ro R RC Ro
gmRo gmRoRE
Vo R RC Ro R RC RogmRo gmRoVi
RER RC Ro R RC Ro
1 1( )
1
1( )1 ( )
. ( 1)( / / )( )
Vi Vi VoIi
RB R
AVIi Vi
RB R R
ViZin
gmRoIi RER RC Ro
RE R gmRoRB R R RERC Ro
V Vp
Aplicamos transformaciones de fuentes
(1 )
1 1 (1 )( )
1
1 1 (1 )( )
. .( )
( ) ( ) . (1 )
Vp Vp Vp gmRoIp
R RE Ro RC
gmRoIp Vp
R RE Ro RC
Vp
gmRoIp
R RE Ro RC
R RE Ro RCZout
Ro RC RE Ro RC R R RE gmRo
21) Determine Rin, Rout y A (Vo/Vi) para la configuración de Base Común presentada a
continuación, tome vo como el voltaje sobre RL.
Circuito en pequeña señal
V Vi
( / / / / )Zout Ro RC RL
Aplicamos transformaciones de fuentes