Este documento describe el análisis de amplificadores diferenciales y fuentes de corriente utilizando transistores MOSFET. Inicialmente se analiza un amplificador diferencial con MOSFET utilizando una resistencia de polarización, luego un espejo de corriente con MOSFET y finalmente un amplificador diferencial con MOSFET utilizando una fuente de corriente. El objetivo es comprobar y analizar el comportamiento de estos circuitos tanto en condiciones DC como AC.

1. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRÓNICA II - LABORATORIO 2 - OCTUBRE 2008 1
Análisis de Ampli cadores Diferenciales y Fuentes
de Corriente con Transistores MOSFET
Luis Felipe De La Hoz Cubas, María Ilse Dovale Pérez, Danilza Hurtado Martínez
División de Ingenierías
Universidad del Norte
Barranquilla
Abstract— El ampli cador diferecial se emplea usualmente MOSFET signi ca quot;FET de Metal Oxido Semiconductorquot;
como etapa de entrada en muchos circuitos integrados (CI). A o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos de
continuación se mostrará un detallado análisis de esta con gu- transistores integrados en un sustrato de silicio. Cada uno
ración basada en transistores MOSFET, cuando opera en DC y
AC, haciendo uso de diferentes tipos de circuitos de polarización entrega una parte a la corriente total.
básicos usados para la operación de estos con el n de comprobar
y analizar su comportamiento. Es un dispositivo controlado por tensión, extremadamente
veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangu-
I. INTRODUCCION lar o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente
E L ampli cador diferencial es una con guración basada en conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con
en transistores la cual es frecuentemente empleada como grandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denomina
etapa de entrada en CI debido que su voltaje de salida es distorsión por fase.
proporcional a la diferencia de voltajes de entrada; presenta
también una ganancia bastante alta y está acoplado en DC La característica constructiva común a todos los tipos de
a los voltajes de entrada, es por esto que se usa cuando se transistor MOS es que el terminal de puerta (G) está for-
requieren capacitores para generear acoplamiento en DC. mado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor.
El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es
El ampli cador diferencial se puede encontrar con gurado prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello,
con BJT's o con MOSFET's. En esta oportunidad se trabajó los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia.
con circuitos basados en MOSFET's cuyo comportamiento es
bastante similar al caso BJT con resultados similares también Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado
en cuanto a la ganancia diferencial, la ganancia de modo MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal
común y la propiedad de rápida conmutación que sufren los P, En el MOSFET de canal N la parte quot;Nquot; está conectado a
pares diferenciales en análisis de gran señal. la fuente (source) y al drenaje (drain).
En el MOSFET de canal P la parte quot;Pquot; está conectado a la
Existen dos razones por las cuales es conveniente usar am- fuente (source) y al drenaje (drain).
pli cadores diferenciales: la primera es por su insensibilidad
al ruido y a las interferencias, y la segunda es porque ésta
con guración permite polarizar el ampli cador y conectar
etapas de ampli cadores sin la necesidad de capacitores de
derivación y acoplamiento.
Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET son las
siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,
en este caso la compuerta es metálica y está separada del
canal semiconductor por una capa de óxido. Es el transistor Figura 1: Composición MosFet tipo N y tipo P.
más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente
la totalidad de los circuitos integrados de uso comercial están
basados en transistores MOSFET. Una delgada capa de material aislante formada de dióxido
de silicio (SiO2) es colocada del lado del semiconductor y una
capa de metal es colocada del lado de la compuerta.
II. ANÁLISIS DE AMPLIFICADORES Los transistores MOSFET se pueden dañar con facilidad y
DIFERENCIALES Y FUENTES DE CORRIENTE CON hay que manipularlos con cuidado. Debido a que la capa de
TRANSISTORES MOSFET óxido es muy delgada, se puede destruir con facilidad si hay
Hay dos familias de transistores de efecto de campo: los alta tensión o hay electricidad estática.
JFET y los MOSFET.

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El par diferencial básico consta de dos MOSFET de en-
riquecimiento acoplados (Q1 y Q2), polarizados con una
fuente de corriente constante; esta última suele ser una con-
guración de espejo de corriente similar a la utilizada con
BJT's. Desde luego se supone que el circuito de carga es tal
que los dos MOSFET que conforman el par, se encuentran
operando en la región de saturación.A continuación podemos
ver el esquema del par diferencial MOSFET.
Figura 3: Ampli cador diferencial con MOSFET utilizando
resistencia de polarización.
Como bien se puede observar este diagrama esquemático
muestra un par diferencial con una resistencia Rx en el emisor,
en este caso esta resistencia tuvo un valor de 15k y tiene la
función de ampliar inducir una corriente de polarizacón, para
que el circuito trabaje de manera óptima.
Se polarizó el circuito con un voltaje de Vcc = 15V y Vee =
15V:
Se conectaron primeramente las entradas a tierra y se
Figura 2: Par Diferencial MOSFET realizaron las mediciones correspondientes de las corrientes
y los voltajes en los nodos y ramas del circuito se observó
que como bien en la teoría es constatado la corriente pro-
El MOSFET es frecuentemente usado como ampli cador
ducida por Rx junto con Vee se divide equitativamente entre
de potencia, y ofrece como ventaja una resistencia de entrada
ambos transistores siempre y cuando V 1 y V 2 se mantengan
alta, prácticamente in nita en la compuerta y una corriente
iguales. Cabe destacar que los resultados no fueron tan exactos
de polarización de entrada casi cero, además, produce un
debido a las imperfecciones entre ambos transistores, como la
excelente diseño de interruptores.
diferencia entre sus áreas, esto provoca imperfecciones DC las
La con guración de par diferencial o ampli cador difer- cuales se hablará de estas un poco más adelante.
encial es el bloque de construcción de uso más amplio en
el diseño de CI analógicos, la etapa de entrada de cada
En el momento que los voltajes V 1 y V 2 di eren entre si el
ampli cador operacional es un apli cador diferencial.
comportamiento del par diferencial cambia, produciendo que
la corriente se valla sólo por un ramal si no se tiene cuidado
Existen dos razones fundamentales por las cuales se pre- de la diferencia entre estos voltajes.
eren los ampli cadores diferenciales sobre los de un sólo Se aplicaron también voltajes de DC en cada una de las
extremo: son insensibles a la interferencia y no necesitan entradas de los transistores, los cuales son mostrados en la
capacitores de paso y acoplamiento. siguiente tabla
III. PROCEDIMIENTO
Los circuitos montados para el análisis de las propiedades
de los ampli cadores diferenciales y fuentes de corriente con
MOSFET fueron los siguientes: Tabla 1: Mediciones de voltaje ampli cador diferencial con
resistencia de polarizacion.
A. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CON MOSFET UTI- En la tabla podemos ver los voltajes que se consider-
LIZANDO RESISTENCIA DE POLARIZACIÓN aron importantes en el estudio de un par diferencial con la
implementación de transistores de efecto de campo MOS,
En el siguiente esquema se muestra un par diferencial a pero lamentablemente por las diferencias en el área de los
base de MOSFET, en este caso se tuvieron muy en cuenta el transistores los voltajes observados y las corrientes halladas,
acople de resistencias y los transistores usados.. no concordaron con lo que se esperaba, los valores de cor-
rientes se pueden calcular por medio de los voltajes, es

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equívoco calcular las corrientes con el multímetro, ya que estas
corrientes circulan en el orden de los A por lo que es factible Se ajustó entonces el voltaje DC igual al que se conecta la
calcular las corrientes de Drain y de Source con la ayuda de los fuente de corriente al unirlo con el ampli cador diferencial
voltajes en las resistencias Rd1 y Rd2 y como se sabe que pero esta vez con resistencias en la fuente, para esto se
las corrientes de Drain y Source son iguales, entonces con debe tener en cuenta el voltaje del nodo Vx cuando ambas
hallar la corriente de Drain estaríamos hallando la de Source entradas se encuentran conectadas a tierra en la Figura 3,el
también. diagrama esquemático resultante se puede ver en la Figura 5
a continuación.
Aun cuando los voltajes se realizaron numerosas veces, los
resultados fueron siempre diferentes, y así mismo ocurrió en Se ajusta entonces con un potenciómetro la resistencia
las tablas siguientes, en donde se evidencio la di cultad de R1, pero se produce un desajuste de corriente debido a los
la implementación del par diferencial, idea que ya se había voltajes y corrientes de offset, para esto se ajusta entonces la
manejado en clase, pero que se con rmo en el laboratorio, resistencia de potenciómetro hasta obtener el valor requerido
en donde la paciencia y el análisis fueron claves para obtener de la corriente de polarización igual a la del ejercicio anterior.
conclusiones de la prueba realizada.
C. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CON MOSFET UTI-
Luego de esto se ajustó una señal senoidal de 20mV LIZANDO FUENTE DE CORRIENTE
pico pico de amplitud con un nivel de offset nulo y una
frecuencia de 500Hz, haciendo uso de un divisor de tensión Como ya se ha mencionado anteriormente, el circuito
con resistencias de 100 y 10k . mostrado a continuación no es más que la unión de los
ejercicios anteriores, añadiendole a las fuentes en este caso
Esta señal fue aplicada a cada uno de las entradas de
resistencias con el n de ampliar el rango de operación lineal
los dispositivos mientras que el otro era conectado a tierra
de esta con guración.
simultáneamente , luego se realizaron las mediciones en las
Se debe veri car primero que las condiciones de polar-
salidas.
ización mencionadas anteriormente se mantengan como deben
Como bien sabemos este tipo de diseño produce que uno
estar, posteriormente se ajusta al igual que en el primer
de los transistores esté en modo de saturación mientras que el
ejercicio una señal senoidal de 20mV pico pico, pero debido
otro se encuentra apagado.
a las resistencias en las fuentes se requiere aumentar de forma
Finalmente se aplican las señales en ambas entradas si-
considerable la amplitud de esta señal.
multáneamente lo que como es de saberse produce que ambos
transistores trabajen en modo de saturación.
B. ESTUDIO DE UN ESPEJO DE CORRIENTE CON MOS-
FET
El diagrama esquemático que aparece a continuación es el
llamado Espejo de Corriente con MOSFET, para su análisis
se hicieron los siguientes pasos:
Se polarizó el circuito tal cual como se hizo con el par
diferencial del diseño anterior, la idea de este circuito es que
induzca más adelante la misma corriente de polarización en
el circuito de par diferencial con resistencia de polarización,
cuando ambas entradas del ampli cador se encuentran conec-
tadas a tierra.
Figura 5: Ampli cador diferencial con MOSFET utilizando
fuente de corriente
Esta con guración es bastante interesante ya que propor-
ciona una gran ventaja al implementarse en circuitos integra-
dos, ya que colocar una resistencia Rx como la que teníamos
en el ejercicio uno es muy indeseable por que estas tienen
un área bastante grande comparada con los CI, además al
Figura 4: Espejo de corriente con MOSFET implementar una fuente de corriente como la que se muestra

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en la gura 5 el diseño se vuelve menos suceptible a cambios
de temperatura y voltajes. In this case, we're working with MOS pair, then there are
3 main sources for VOS:
Se implementó un par diferencial con una fuente de espejo,
pero lamentablemente los resultados no fueron los esperados, VOV RD
ya que con respecto a la entrada de modo común resultaron RD =) VOS =
2 RD
voltajes y condiciones inesperadas, con voltajes promedio de
7.7V y 8.3V, y no se vió un desfase en la onda seno de salida, VOV (W=L)
(W=L) =) VOS =
esto pudo darse por fallas en la fuente de corriente espejo, 2 (W=L)
la cual no se comportó de la manera esperada, ya que esta
mostraba corrientes diferentes en la corriente de referencia y Vt =) VOS = Vt
en la corriente de espejo, lo cual se le atribuye principalmente
a el problema de las áreas de los transistores, que no se The construction of the devices is not totally perfect, this
encuentran acoplados. siguiente gura se puede observar la originates a ight current that makes the current is not divided
grá ca de los voltajes de colector confrontados. in a same way among the two MOSFET's, also de resistances
doesn't have the same value, this cause imperfections at the
moment of medition.
It is very important to know why the resistance of the
sources were placed in the differential ampli er when the
mirror was implemented: the reason is that these resistance
extend the linear range of operation and makes the circuit less
susceptible because is not probable that one of the transistors
fall in the court region.
To work with mirror currents is very dif cult in fact, that's
why is easier work with IC, because with this con guration
the beta and the size of the transistor relationship can be easily
controlled.
V. BIBLIOGRAFIA
[1]SEDRA, Adel; SMITH, Kenneth. Microelectronic Cir-
cuits. 4a Ed. Oxford Unversity Press. New York, 1998. 1359
p.
IV. CONCLUSIONES [2]RASHID, Muhammad. Microelectronic Circuits: Analy-
sis and Design. PWS Publishing Company. Boston, 1999. 990
The differential-pair or differential-ampli er con guration p.
is the most widely con guration used as a building block
in analog IC desing. The input stage of any op amp is
a differential ampli er, this con guration is prefer for two
reasons in fact: The differential ampli ers are insensitive to
interference and they also don't need bypass and coupling
capacitors.
With the two input terminals connected to a suitable dc volt-
age VCM the bias current of a perfectly symetrical diferential
pair is divides in a equal way between the two transistors of
the pair, resulting in a zero voltage difference between the two
drains, in the other hand if you want to control completely the
current to one side of the pair, a difference input voltage vid
p
of at least 2VOV is needed.
When there is no coincedence between the sides of a
differential pair VO results, this is a output differential voltage
, even if the two input terminals are together and connected
to a dc voltage VCM . This gives as a result an offset voltage
VO
in the input VOS = .
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