DETERMINACIÓN DE LA GANANCIA, IMPEDANCIA DE ENTRADA Y SALIDA, LINEALIDAD Y ANÁLISIS PARAMÉTRICO.

Para un análisis profundo del circuito que deseamos implementar, t2, es necesario visualizar las características de linealidad, ganancia en voltaje, impedancia de entrada e impedancia de salida, así como el comportamiento de estos parámetros ante la variación de alguno de sus elementos, análisis paramétrico.

Antes que nada debemos recordar que una fuente de señal en equivalente de Thevenin, consiste en una fuente con una resistencia o impedancia equivalente en serie, y que, el destino de esta señal así mismo en Thevenin, consiste en una impedancia de carga. Las magnitudes de éstas, determinan la distorsión, pérdida de señal, etc. Esto es aplicable para diseños como "seguidor emisor" o "acoplador de impedancias" y en nuestro caso para un amplificador.

Para este caso, añadiremos una resistencia en serie a la fuente de señal, de modo que, de tener el circuito siguiente:

Borramos los marcadores de voltaje haciendo CLKI en ellos, enseguida CLKD y en el PopUp menú elegir "DELETE". Seleccionamos la fuente V2 con un CKLI en una terminal de ella y arrastrarla hacia fuera dos marcas para tener espacio. Borre la línea de conexión y coloque otra resistencia con valor de 1k. Pasamos a tener el siguiente circuito:

Como se observa, se han etiquetado dos segmentos de conexión como "Vent" y "Vsal" utilizando el icono . Esto facilitará la gráfica de los parámetros.

La fuente del tipo VSIN (V2) permite el análisis en AC, DC y Time Domain (transitorios y tiempo), sin embargo hay que establecer parámetros en ella para lograrlo. Para este caso utilizaremos el análisis en AC, por lo que debemos dar valor a la componente de AC de VSIN. Hacemos DCLKI en una terminal de VSIN. Aparece una ventana con todas las cualidades de VSIN. En el tab de la parte inferior de la pantalla seleccionamos "Parts" y hacemos CLKI en el bloque de "AC" y escribimos "20mV":

Oprima el botón "Display…" y aparece la ventana siguiente:

Seleccione "Name and Value", "OK". Enseguida el botón "Apply" y cerramos la ventana con el icono inferior.

Ahora, nuestro circuito deberá tener la siguiente forma:

Obsérvese que la fuente VSIN (V2) exhibe el parámetro "AC=20mV"

Oprima el botón de "New Simulation Profile" para una nueva simulación. En la ventana que aparece, etiquetar a esta nueva simulación como t2b:

Oprimir "Create" y aparece la ventana del nuevo perfil de simulación, en la cual hay que elegir lo siguiente:

Oprimir "Aplicar" y "Aceptar". Seleccione "Run" y se abre la ventana del PSpice:

Con el botón "Add Trace" aparece la ventana siguiente:

En "Trace Expression" colocar V(Vsal)/V(Vent) utilizando el ratón. Hacer CLKI en la variable de la izquierda, CLKI en el operador deseado de la derecha y así sucesivamente. Al oprimir "OK" se genera la gráfica de la ganancia en voltaje del amplificador de la forma siguiente:

Con el comando "Plot" de la barra de Herramientas, seleccione "Add Y Axis". Aparece un eje vertical nuevo. Con el botón "Add Trace" coloque la siguiente expresión en el casillero "Trace Expression": (V(Vsal)*I(R5))/(V(Vent)*I(R6)) . Esta expresión representa la ganancia en potencia.

Repitiendo el proceso anterior, pero ahora con la expresión: P(V(Vsal)/V(Vent)) veremos el corrimiento de fase de la señal con relación a su frecuencia. En total veremos lo siguiente:

Usted puede colocar leyendas en las curvas deseadas así como flechas y símbolos con el comando "Plot" y "Label" y con el icono :

También puede obtener el valor de un punto determinado que le interese con el "Toggle Cursor" . Al seleccionarlo, aparece un cuadro con valores x, y del punto señalado.

Son dos "regletas", una controlada con el botón izquierdo del ratón y la otra con el derecho. Para asignar estas regletas a la curva deseada, se hace CLKI ó CLKD en la marca inferior de la expresión de la variable y posteriormente en el punto de la curva deseada:

Para obtener la gráfica de la impedancia de entrada, hacemos CLKI en las expresiones de las curvas que deseemos borrar y con el comando "Edit" y "Delete" las eliminamos. Con el botón "Add Trace" colocamos la expresión: V(Vent)/I(R6) y "OK":

Algunas veces es necesario representar por Bode la Ganancia en Voltaje. Esto se consigue haciendo el eje y también logarítmico. Seleccione el eje vertical de la Ganancia en Voltaje con un CLKI y con el comando "Log Y Axis" modifica la gráfica a tipo Bode:

Para obtener la gráfica de la impedancia de salida, es necesario quitar la resistencia de carga (R5) y en su lugar colocar una fuente "VSIN" con el parámetro AC=1, con el objeto de poder hacer un barrido en AC y determinar dicha impedancia con el voltaje asociado a la salida V(Q1:c) (voltaje de colector del transistor 1).

De esta forma, hacemos DCLKI en una terminal de la nueva fuente VSIN que queda en lugar de R5 y aparece la ventana con el resumen de las características de ella. En el tab de "Parts" ponemos el valor de 1V en AC. En seguida, hacemos CLKI en los demás parámetros y colocamos los valores mostrados más adelante. Para terminar "Apply" y cerramos.

El circuito queda de la siguiente forma:

Elabore otro perfil de simulación, t2c, con los mismos parámetros del anterior, ponga a cero el valor de AC de la fuente de entrada. Ejecutamos el comando "Run" y se obtiene:

Para realizar un análisis paramétrico de alguna variable de interés como temperatura, la b del transistor (Bf en PSpice), un valor resistivo o capacitivo, etc., se hace lo siguiente.

Para obtener las curvas de Ganancia en Voltaje para diferentes b , en un rango determinado, se crea otro perfil de simulación, sea t2d, en el cual se llena de la forma siguiente:

Enseguida, seleccione el casillero "Parametric Sweep" y proporcione los datos siguientes:

Por último, "Aplicar" y "Aceptar".

Oprima "Run", se abre la ventana del PSpice y al término de los cálculos aparece el siguiente cuadro:

Se pregunta ¿cuál de todos los trazos se exhiben? Haciendo CLKI en alguno (s) de ellos o bien en el botón "All" para visualizar todos. Oprima "All" y "OK".

Enseguida oprima "Add Trace" y coloque la expresión: V(Vsal)/V(Vent) en "Trace Expression", "OK":

El orden de los símbolos coloreados, es el mismo del barrido, es decir, el cuadro verde es de b =100, el circulo rojo es de b =200, etc.

El análisis paramétrico se puede utilizar en las demás modalidades de simulación excepto en la de "Bias Point" la cual no genera gráficos, sino un reporte tabulado escrito en un archivo de salida llamado "Output File".

Si deseamos observar las gráficas de Ganancia en Voltaje o respuesta en tiempo de "Vsal" para diferentes valores de un elemento, como una resistencia o condensador, procedemos de la forma siguiente.

Sea el condensador C3, el cual deseamos modificar y ver que respuesta tiene el amplificador a cada valor de C3 para evaluar la linealidad de salida.

Llevamos nuestro circuito a la forma inicial siguiente:

Hacemos DCLKI en una terminal de C3 y aparece la ventana de características generales. En el tab de "Parts" hacemos lo siguiente:

En "Value" colocamos {Cvar}; en "Cvar", el valor por omisión de 10uF; Si el casillero de "Cvar" no aparece, crearlo con el botón "New…", donde aparece un cuadro de diálogo que solicita el nombre de una característica más. Enseguida "Apply" y cierre la ventana con el icono inferior de la esquina superior de la pantalla.

De la biblioteca de partes "SPECIAL" elija la parte llamada "PARAM":

Haga DCLKI en "PARAM" y se abre su ventana de características, coloque los datos de la siguiente forma:

Si el casillero de "Cvar" no existe, defínalo con "New…" y coloque el valor por omisión de 10uF. En "Display…" elija "Name and Value" para visualizarlos en el circuito. Oprima el botón "Apply" y cierre la ventana como se ha mencionado. El circuito debe quedar de la siguiente forma:

Para la simulación en tiempo, podemos modificar el último perfil elaborado o definir uno nuevo. Definamos uno nuevo para tener en archivo las simulaciones anteriores para futuras documentaciones.

Sea el nuevo perfil de simulación "t2e". En "Time Domain" coloque lo siguiente:

Seleccione el casillero de "Parametric Sweep" y coloque los siguientes valores separados con un espacio:

Enseguida oprima "Aplicar", "Aceptar".

Ejecute la simulación con el comando "Run" de "PSpice" o bien con el icono conocido.

Aparece la ventana del PSpice y enseguida otra pequeña, la cual solicita ¿cuál gráfica desea ver?. Se puede elegir una hasta todas. Seleccione "All", "OK".

Con el comando "Add Trace" seleccione "Vsal" y se visualizará lo siguiente:

Los símbolos en la parte inferior de la gráfica, tienen la misma secuencia de los valores dados: el cuadro verde representa al voltaje de salida con C3=1uF; el circulo rojo, para C3=10uF; el triángulo azul, C3=50uF; el triángulo amarillo, C3=100uF. Observe que se obtienen ganancias mayores incrementando C3, a costa de la linealidad de la salida.

El mismo procedimiento se aplica para cualquier otro elemento del circuito que usted desee variar y observar.