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PRACTICA 2 Vamos a comenzar simulando un sencillo puente rectificador de diodos de silicio. Con el programa recin abierto y la pgina en blanco, pulsamos:

"select device" Elegimos el device FW Bridge (puente rectificador) y el Model "Default Bridge" que es una modelizacin idealizada, que incluye menor nmero de parmetros que otros modelos ms complejos, y ms parecidos a la realidad.

Para atacar al puente, utilizaremos un generador senoidal, y que obtenemos mediante la tecla rpida, pulsando directamente "g" o bien como antes, "select device" y elegimos la secuencia "instruments - Analog - Signal Gen". Por ltimo, vamos a incluir una resistencia y un condensador pulsando las teclas "r" y "c" respectivamente. Observar cmo podemos girar un componente antes de situarlo en el plano

ING. ROY DONALDO SILVA CIRCUIT MAKER _: tomado de tutorial de circuit maker 200 SISTEMAS ELECTRONICOS DIGITALES mediante el botn derecho. Tenemos ya los componentes, ahora montamos el circuito siguiente:

Colocamos los componentes como en el dibujo. Podemos borrarlos simplemente pinchando con el cursor y pulsando suprimir, y moverlos pinchando y arrastrando. As de fcil. Para unirlos mediante hilo conductor seleccionamos el botn con una cruz +, el cursor cambia automticamente su aspecto de flecha por el de una cruz, que nos indica que estamos en modo "wire". Nos situamos en un extremo de cada componente hasta que aparece un recuadro de color rojo, pinchamos y arrastramos hasta el otro extremo del componente con el que queremos establecer unin y soltamos. Podemos enderezar el hilo pinchando y arrastrando. Si os aparecen puntos de unin "dots" en cada componente, podis eliminarlos mediante "File - Preferences" y quitar el check a la opcin "show pin dots". CircuitMaker, como todos los simuladores, necesitan forzosamente una tierra. Todos los circuitos que queramos simular, debern contener al menos una y servir al programa como nodo de referencia y que llama "nodo cero". Obtenemos una tierra con la tecla cero "0". Vamos a dar valores a cada componente. Haciendo doble clic sobre cada uno de ellos: Generador de seal: "peak amplitude" = 25 (25 voltios pico = 17.68 Vrms) "frequency" = 50 pulsamos "OK" Condensador: "Label-Value" = 470u (u = micro, n=nano, p=pico, m=mili, meg=mega, k = kilo) pulsamos "OK"

La simulacin Tenemos todo listo para comenzar la simulacin. Para comenzar, pulsamos F10 o mediante el

ING. ROY DONALDO SILVA CIRCUIT MAKER _: tomado de tutorial de circuit maker 200 SISTEMAS ELECTRONICOS DIGITALES men "Simulation - Run" o con el botn del mueco corriendo. Si todo va bien, nos aparece la siguiente pantalla:

Vamos a ver con ms detalle el rizado en bornas de R1. Para obtener una "ampliacin" del rizado, nos fijamos en el grfico del "transient analysis" y elegimos el tramo que va desde los 15 hasta los 40 milisegundos, en que la corriente ya est estabilizada. Detenemos la simulacin pulsando el botn "Stop". Configuramos la simulacin con "Simulation Analyses Setup..." Quitamos el check a la opcin "Always set defaults for..." y pulsamos el botn "Transient/Fourier" donde especificamos los siguientes parmetros: Start Time: 15m

ING. ROY DONALDO SILVA CIRCUIT MAKER _: tomado de tutorial de circuit maker 200 SISTEMAS ELECTRONICOS DIGITALES Stop Time: 40m Pulsamos OK, Exit y volvemos a simular Ahora obtenemos un anlisis transitorio con este aspecto:

Podemos desplazar los cursores "a, b, c, d" que nos sern tiles para medir distancias y frecuencias. Situando los cursores a y b en dos picos consecutivos, nos indicar la frecuencia del rizado, que como sabemos es el doble que la frecuencia de la corriente alterna que rectificamos. Situando los cursores c y d en los valores mximo y mnimo de la grfica, nos da el valor pico a pico del rizado. En nuestro caso, 448.5 mV. Se obtiene una curva ms precisa si entramos de nuevo en "Analyses setup - Transient/Fourier" y elegimos un "Max. Step" menor que el tamao actual, que si no lo hemos tocado ser de 400us. Poner 50us y la curva se afinar bastante.

Parmetros de un amplificador.-Vamos a simular un amplificador de una etapa en emisor comn (EC) y averiguaremos sus parmetros ms significativos, impedancia de entrada y salida, ganancia, THD% y PSRR.

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Montamos el circuito de la figura, cuyo transistor es el modelo "ideal". RL representa la carga de la etapa siguiente. Configuramos el anlisis Transitorio y el anlisis AC poniendo un check en cada una de estas casillas en el men "Simulation" - Analyses Setup. Configuracin anlisis AC... Start Frequency = 1 Hz Stop Frequency = 100 kHz Test Points = 50 Sweep = octave Ejecutamos la simulacin y seleccionamos la ventana AC Analysis (Bode Plot) y despus, con la herramienta Probe Tool pinchamos en el nudo donde RL y C2 se unen, dibujndose la grfica de ganancia a travs del rango de frecuencia seleccionado (1Hz-100 kHz). Por defecto, el grfico se muestra con el eje YY en "magnitud", y nos interesa verlo en decibelios (dB). Para ver la ganancia en dB pulsamos sobre el icono que aparece en la parte superior izquierda y elegimos Y axis = decibels. Nos aparecer la siguiente grfica:

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Podemos situar los cursores donde ms convenga; el cursor "c" indica una ganancia de 19.67 dB y el ancho de banda es todo el rango audible, desde los 20 Hz hasta los 100kHz. El hecho de haber utilizado un transistor NPN "ideal" hace que la ganancia se extienda hasta altas frecuencias sin problemas, al no existir capacidades parsitas entre uniones. La disminucin de la ganancia a frecuencias inferiores a 20 Hz es debida a los condensadores de acoplamiento C1 y C2, y que podemos experimentar variando sus valores. Clculo de la impedancia de entrada.- Para averiguar este parmetro montamos un generador de seal all donde queremos hallar la impedancia, en nuestro caso ya tenemos uno (V1) montado en el nudo adecuado. Se trata de ejecutar una simulacin que incluya, como el anterior anlisis, el anlisis transitorio y el anlisis AC. La diferencia estriba en donde seleccionamos con la herramienta "Probe Tool" . Seguimos los siguientes pasos:

- Ejecutamos una nueva simulacin con Anlisis Transitorio y Anlisis AC. - Seleccionamos la ventana "AC Analysis (Bode Plot)" - Desplazamos el cursor sobre las bornas de salida del generador de seal, y observamos cmo el probe tool indica alternativamente V, Z, I, P, dependiendo de lo que queramos medir, V tensiones, Z impedancias, I intensidades y P potencias. En nuestro caso, pinchamos justo cuando el probe tool indica "Z", con lo que se dibujar un diagrama de impedancias en la ventana correspondiente. Para visualizar el diagrama convenientemente, podemos configurarlo mediante el botn La Zin medida por CircuitMaker vale 2kohm.

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Impedancia de salida.- Necesitamos un generador de seal situado en la salida, tal como muestra el esquema:

Al igual que antes, desplazamos el probe tool en los terminales del generador de seal y pinchamos cuando aparece la letra Z sobre el mismo. La impedancia de salida que mide CircuitMaker es de 90 ohmios, tal como muestra la imagen siguiente.

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Medida del PSRR.- Es importante conocer el PSRR (Power Supply Rejection Ratio) o sea, la razn de rechazo del rizado proveniente de la fuente de alimentacin, para as poder evaluar cul es la cantidad de rizado que es admisible en la fuente que alimenta este amplificador. Conociendo la relacin seal/ruido que deseamos, por ejemplo 80 dB, es fcil determinar entonces que cantidad de rizado es admisible en la alimentacin. El montaje para hallar el PSRR es el siguiente:

Necesitamos alimentar con una seal contnua pero con una componente alterna, que simular el rizado de la fuente de alimentacin, y que mediremos a la salida convenientemente. La frecuencia de la seal de rizado es siempre el doble que la frecuencia que se rectifica, en Espaa la frecuencia de la red de alimentacin es de 50 Hz, y en otros pases europeos es de 60 Hz.

ING. ROY DONALDO SILVA CIRCUIT MAKER _: tomado de tutorial de circuit maker 200 SISTEMAS ELECTRONICOS DIGITALES La corriente continua la simulamos poniendo un DC Offset de 20 Voltios y con una tensin senoidal de 100 Hz de 1Vpico a pico que represente al rizado proveniente de la fuente de alimentacin. Configuracin de el generador de seales V3:

Ejecutamos una nueva simulacin y obtenemos el siguiente diagrama de Bode:

Segn el diagrama, la ganancia es de -0.1 dB, por lo que concluimos que el PSRR = -0.1 dB, cifra muy baja y por tanto la cantidad de rizado que obtenemos a la salida es muy alta, y hay que alimentar este circuito con una fuente muy limpia. Esto es debido en parte al bajo valor de Rc y a la alta impedancia de salida del colector, que acta como un divisor de tensin junto con Rc.

ING. ROY DONALDO SILVA CIRCUIT MAKER _: tomado de tutorial de circuit maker 200 SISTEMAS ELECTRONICOS DIGITALES Observar el detalle del sealador "a" situado en los 100 Hz. Esa es la medida que nos interesa, no el resto, porque el rizado tiene una frecuencia constante e igual a 100 Hz. Distorsin THD%.- Podemos ver la cantidad de distorsin armnica total THD% de este circuito y ver su distribucin en tipos de armnicos. Para ello configuramos un anlisis Transient/Fourier y elegimos como frecuencia fundamental 1kHz y por ejemplo, 10 armnicos. Ejecutamos una simulacin y obtenemos:

Para visualizar este grfico elegimos el eje Y en modo "imaginary". El cursor "a" indica la distorsin del armnico fundamental (16.6m) y el cursor "b" el 2 armnico (2 kHz) que vale 1.067m. La distorsin THD% vale 0.05646% y adems est compuesta por 2 armnico, como es normal en este tipo de configuraciones. La distorsin de armnicos pares origina que una semionda se amplifique ms que la otra, siendo una distorsin por tanto asimtrica. Es debida a las alinealidades en las curvas de transferencia del transistor. La distorsin, cuanto menor es el orden, mejor toleramos a la hora de la escucha, y mucho mejor si son armnicos pares que los impares. Se ha comprobado que pequeas cantidades de armnicos impares hacen una escucha desagradable, frente a los armnicos pares, que toleramos en mucha mayor medida y cantidad. Pero este es un tema para otro artculo. Diagrama de fase.- Podemos visualizar el comportamiento de la fase de la seal de salida, con solo cambiar la visualizacin del diagrama de Bode, eligiendo "Y axis = phase in degrees". Obtenemos el siguiente resultado:

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Podemos observar cmo a partir de 100 Hz la fase es de -180, como era de esperar, pues la etapa EC es inversora. Realimentacin Negativa (NFB, Negative Feedback).- Esta etapa carece de realimentacin negativa global, pero en cambio, tiene una componente de realimentacin local producida por la resistencia de emisor Re en su mayor parte. Si esta resistencia la "puenteamos" con un condensador, ponindolo en paralelo con Re, facilitaremos un camino a la seal alterna, que ver una menor impedancia si pasa a travs del condensador. Podemos perfectamente medir la cantidad de NFB que tiene esta sencilla etapa amplificadora. Basta un poco de ingenio. Como la prctica totalidad de la realimentacin viene ocasionada por Re, podemos aadir un condensador de un valor tal que apenas suponga una impedancia significativa para el paso de la seal y entonces medir la ganancia de esta nueva configuracin. La diferencia entre sta y la ganancia original nos dar la cantidad de realimentacin negativa en decibelios. El montaje quedar como en el dibujo:

ING. ROY DONALDO SILVA CIRCUIT MAKER _: tomado de tutorial de circuit maker 200 SISTEMAS ELECTRONICOS DIGITALES El condensador de acoplamiento C1 ahora vale 1000 uF, por la sencilla razn de que la impedancia de entrada a disminuido, al eliminar la realimentacin negativa. El generador de seal inyecta una tensin mucho menor, porque la ganancia ha aumentado espectacularmente y hay que evitar el recorte de seal. El valor de C1 y Ce son los justos para no tener una atenuacin mayor de 3 dB en la frecuencia de los 20 Hz, recordemos que la impedancia de los condensadores aumenta conforme disminuye la frecuencia de la seal. Con todas las variaciones efectuadas, nos lanzamos al anlisis de lo que nos interesa. Veamos que ocurre con la nueva ganancia de esta etapa. Observamos la grfica de Bode:

La ganancia ha aumentado hasta los 54.95 dB !! La conclusin es sencilla. Si antes, con realimentacin, tenamos una ganancia de 19.67 dB, entonces la realimentacin negativa vale: NFB = 54.95 - 19.67 = 35.28 dB Este aumento de ganancia se paga caro. La impedancia de entrada, Zi ha disminuido hasta 150 ohmios, como podemos comprobar, del mismo modo que medimos anteriormente. Esto es un grave inconveniente, ya que representa una carga muy dura para cualquier generador, o sea, un micrfono, o una etapa previa. Pero no solo eso. La distorsin tambin ha aumentado sustancialmente. Nos fijamos en el anlisis de Fourier y nos revela un aumento y tambin un cambio en la distribucin de los armnicos:

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Ahora la THD% vale 4.8% y se ha incrementado notablemente. Podemos observar incluso la deformacin tpica de una onda senoidal con distorsin de 2 armnico como componente principal:

Se observa claramente un achatamiento de la semionda positiva. De hecho, la semionda positiva tiene un valor de 2.622 voltios (pico) y la negativa de -3.062 V (pico). Se ha amplificado ms una semionda que otra. Este tipo de distorsin es asimtrica, porque ambas semiondas son diferentes. Por qu ocurre esto? Porque las caractersticas de *todos* los dispositivos electrnicos son alineales, no se comportan igual en todas las condiciones de polarizacin. Examinando una grfica f(Vce)= Ic se puede observar esta anomala. Para leer ms acerca de la distorsin, os recomiendo los artculos de Steve Bench, un excelente artculo, que de una forma muy amena e instructiva, y enfocado bajo un punto de vista nada convencional, os mostrar facetas muy curiosas acerca de este fenmeno. No dejis de lado sus

ING. ROY DONALDO SILVA CIRCUIT MAKER _: tomado de tutorial de circuit maker 200 SISTEMAS ELECTRONICOS DIGITALES extraordinarios diseos que l mismo denomina "no R's & no C's Amp" que consisten en circuitos amplificadores sin emplear una sola resistencia ni condensador.