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Capítulo 4 – Placa 1

Capítulo 4: Placa 1

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1. Introducción

En este capítulo se expondrá el proceso de diseño e implementación de la

primera placa realizada en el proyecto de fin de carrera, así como la labor llevada a

cabo en cuanto a la obtención de medidas experimentales. La placa que se diseñe debe

permitir introducir y extraer señales de un montaje completamente diferencial al

objeto de verificar experimentalmente, entre otras características, la disminución de la

distorsión armónica respecto a la configuración unipolar. Conviene mencionar que se

dispone de antemano de los datos de la comprobación experimental del montaje

unipolar.

El montaje está basado en dos amplificadores operacionales de

transconductancia desarrollados, como ya se dijo en el primer capítulo de esta

memoria, en el seno del grupo de investigación GIE. Un amplificador de este tipo

suele conocerse por su acrónimo, OTA, o por el nombre de transconductor.

A la hora de realizar el PCB de nuestro circuito nos encontramos con un

problema fundamental debido a la elección de un montaje diferencial ya que, para que

este tipo de montaje genere resultados lo más correctos posibles a altas frecuencias, es

necesario una simetría perfecta. Todos los elementos del sistema, véase

transconductores, rutado y el resto de los componentes, debían estar simétricamente

distribuidos además de conservar las características de un buen diseño expuestas en

apartados anteriores.

La solución al problema de la simetría puede resumirse en los siguientes puntos

fundamentales:

• Implementación de una placa de doble cara para poder realizar el rutado de

todas las pistas de forma simétrica, a pesar del consiguiente gasto

monetario, y complicación en la implementación.

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• Utilización de un espacio en la placa superior al que se hubiera utilizado sin

la simetría, para lograr el correcto posicionamiento y rutado de los

componentes.

Figura 4.1. Placa 1.

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2. Bloques

2.1. Transconductores

Como se ha comentado anteriormente, el transconductor usado forma parte de las investigaciones del GIE y está basado en una batería dinámica que convierte tensión en corriente.

La estructura de caja negra de dicho transconductor puede verse a continuación:

Figura 4.2. OTA.

Es importante aclarar que, aunque del transconductor salen las intensidades Iout, éstas son transformadas en tensiones en el propio integrado mediante el uso de un buffer en cada pin de salida.

La siguiente tabla muestra los valores que deben tener las magnitudes referidas en la anterior figura:

Magnitud Valor

Ib 25 µA

Ibuff 300 µA

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VDD 1,5 V

VSS 0 V

VDDA 5 V

Vref 0,15 V

Vnmos 1,475 V

Vpmos 0 V

El transconductor usado está implementado en un encapsulado de 48 pines, cuyo esquemático se muestra continuación:

Figura 4.3. Esquemático del OTA.

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Del esquemático anterior debemos resaltar que los pines NC, Iout1_b, Iout2_b, Iout1_c e Iout2_c permanecerán en circuito abierto mientras que el resto de los pines tendrán a su entrada el valor descrito en la tabla anterior.

Como podemos observar, el transconductor recibe la señal de entrada en el pin Vin_a (3) y sus salidas pueden obtenerse en los pines Iout-_a (45) y Iout+_a (46). Debido al diseño del transconductor, la señal que se recibe por Iout-_a presenta peores características que las del pin Iout+_a (45).

Por ultimo, resaltaremos que se han tomado una serie de medidas para proteger al transconductor frente a variaciones instantáneas de tensiones o corrientes y frente al retorno de señales. Se ha establecido entre el resto del circuito y los pines del transconductor una serie de bobinas de filtrado, choques y capacidades como medida de protección, como se puede apreciar a continuación:

Figura 4.4. Protección de los pines del transconductor

Los condensadores son necesarios para la estabilización de la tensión. Las bobinas se utilizan para evitar el retorno de señales y las interferencias electromagnéticas. El montaje anterior se coloca precediendo los pines en tensión, mientras que si lo que necesitamos es la introducción de una intensidad determinada, realizaremos un montaje similar al anterior siendo la única diferencia que el condensador se colocaría entre el pin de entrada y la bobina.

2.2. Polarización

La polarización es parte vital de cualquier circuito que se diseñe ya que la incorrecta aplicación de las tensiones y corrientes de continua a los componentes del circuito puede derivar en comportamientos anómalos y medidas erróneas.

El circuito que hemos diseñado consta de dos fuentes de polarización completamente diferenciadas, realizándose parte de éstas desde módulos de la propia placa y el resto, a través de una placa de polarización externa.

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Como se ha comentado anteriormente, nuestro diseño consta de dos transconductores iguales en principio (cada uno está integrado en un chip distinto) que deben estar polarizados de igual forma para conseguir los mejores resultados en el montaje diferencial. Para lograr esta simetría de polarización se ha utilizado un bloque de polarización independiente por cada pin de alimentación del transconductor, pudiéndose ajustar de forma independiente cada uno de ellos. Esta duplicidad puede parecer innecesaria pero debido a que en cualquier proceso de fabricación existe una tolerancia de los componentes, es necesario un ajuste posterior para conseguir iguales resultados.

2.2.1. Polarización en la propia placa

En la placa donde residen ambos transconductores se generarán las corrientes de 300µA (Ibuff), 25µA (Ib) y la tensión de 1,5V (Vdd). Cada una de las polarizaciones anteriores se generará en un módulo diseñado a tal efecto, que será independiente de cada transconductor. Por ello, los módulos que se presentan a continuación podrán encontrarse de forma duplicada en la placa. Por último debemos añadir que hemos insertado un par de pines adicionales en cada módulo de polarización para comprobar que se está generando la tensión y la corriente correcta en cada momento.

1. Generación de 300µA (Ibuff):

La corriente de polarización de Ibuff ha sido generada usando el integrado LM334. Dicho integrado es una fuente de corriente de tres terminales que permite corrientes en el rango [1µA – 10mA].

El montaje realizado siguiendo las especificaciones del datasheet es el de una fuente de corriente básica.


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Tota

l=22

5.66

ohm

Figura 4.5. Generación de 300µA (Ibuff).

Como nos avisa el fabricante, este montaje es dependiente de la temperatura, aunque para el rango de trabajo y la precisión requerida para Ibuff, esto no supone ningún inconveniente. El montaje anterior puede expresarse mediante la ecuación simplificada (la versión completa se encuentra en el datasheet del componente):

RsetIout µV/K227=

donde Rset es la suma de nuestra resistencia de precisión y el potenciómetro instalado en el circuito. Teniendo en cuenta los valores seleccionados en el diseño, el rango de salida variará entre [222µA – 330µA], lo que nos permitirá obtener los 300µA necesarios para polarizar Ibuff.

2. Generación de 25µA (Ib):

De nuevo utilizaremos el mismo montaje anterior para la generación de la corriente Ib (25µA). Realizando los cálculos para los nuevos valores de resistencias y potenciómetros, obtenemos un rango de salida variable entre [23,73µA - 26,57µA]. Como se puede observar, al montaje se le ha añadido un esquema sencillo para forzar una tensión negativa, lo cual es necesario para conseguir la correcta polarización del LM334. El circuito implementado finalmente ha sido:


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Tota

l=27

08 o

hm

Figura 4.6. Generación de 25µA (Ib).

3. Generación de 1,5V (VDD):

Para la generación de este voltaje se ha utilizado el regulador de corriente LM317. Dicho componente es un regulador de 3 terminales que nos permite obtener un voltaje a su salida dentro del rango [1,2V – 37V], que se configurará mediante el uso de resistores.

El montaje que se presenta a continuación es una adaptación del que podemos encontrar en el datasheet del componente: hemos modificado los valores nominales para adaptarlo a las necesidades de nuestro circuito.

Tota

l en

pol=

48 o

hm

Figura 4.7. Generación de 1,5 V (VDD).


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El anterior circuito puede resumirse con la siguiente ecuación:

)()1(25,1 Re troPotenciomeIVVout ADJsistenciatroPotenciome ×++=

Teniendo en cuenta que presenta un valor de 25.5µA a una

temperatura de 25 ºC, el circuito diseñado generará a la salida tensiones en el rango: [1,25V – 1,78V]. Para obtener los 1,5V que necesitamos procederemos al ajuste del potenciómetro.

ADJI

2.2.2. Polarización mediante una placa de polarización

Como hay un alto número de componentes presentes en la placa, debido sobre todo a la duplicidad de polarizaciones necesarias por la simetría del circuito, se decide utilizar una placa de polarización adicional diseñada por el GIE.

Figura 4.8. Placa de polarización.


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Dicha placa de polarización esta formada por 8 convertidores digital-analógicos DAC0800 de 8 bits, op-amps LM741, resistencias y una serie de microinterruptores. Ajustando estos últimos podemos conseguir programar tensiones en dos rangos diferenciados:

• De 0 V a 5V en saltos de 20mV

• De 0 a 2,5V en saltos de 10mV

La placa se alimenta a partir de una fuente de alimentación que le proporciona una tensión de 9V y de -9V. Veamos a continuación la configuración que hemos establecido en la placa externa y qué componentes de nuestra placa particular polarizaremos:

• -9V: Este voltaje se obtiene directamente de la fuente que alimenta la placa de polarización y nos permitirá alimentar el módulo de generación de la corriente Ib.

• 9V: Se obtienen directamente de la fuente, no siendo utilizados en la placa diseñada.

• 5V: La placa presenta dos pines con 5V siendo cada uno de ellos utilizado para alimentar los pines Vdd de cada uno de los transconductores.

• DAC 1: Se configurará para alimentar con 1,475V el pin Vnmos del transconductor 2.

• DAC 2: Este DAC asegurará que el pin Vpmos del transconductor 2 permanezca a 0V.

• DAC 3: Para establecer la tensión necesaria en Vref este DAC generará 0,15 V.

• DAC 4: No se utiliza.

• DAC 5: Mediante este DAC se fijarán los 0,75V de continua a la entrada del circuito.

• DAC 6: Para establecer la tensión necesaria en Vref este DAC generará 0,15V.

• DAC 7: Este DAC asegurará que el pin Vpmos del transconductor 1 permanezca a 0V.


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• DAC 8: Se configurará para alimentar con 1,475 V el pin Vnmos del transconductor 1.

Para realizar la interconexión de la placa de polarización a la placa diseñada en el presente proyecto se ha utilizado un cable plano unido al siguiente conector:

Figura 4.9. Conector de la placa de polarización.

2.3. Bloque de entrada

La entrada del circuito viene descrita por el esquemático que se presenta a continuación:

4S51 P1

2 P3 3S4

5S6

Figura 4.10. Bloque de entrada.

Para introducir la señal en el circuito utilizaremos un conector BNC seguido de una guía de ondas de 31,5 milésimas de anchura que proveerá la adaptación de 50 Ω. La señal de entrada unipolar pasará a ser diferencial gracias al transformador WB2010. Veamos algunas de las características de este transformador:


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De la lista anterior, los dos transformadores que podríamos haber utilizado para el presente circuito son el WB2010 y el WB2010-1. Se ha elegido el primero de ellos (WB2010) debido a que en el rango de trabajo presenta una respuesta en frecuencia plana.

Figura 4.11. Respuesta en frecuencia WB2010.

El resto del bloque de entrada está compuesto por un par de condensadores

para eliminar el nivel de continua, una resistencia y una tensión de polarización para fijar el nivel de continua y un par de potenciómetros. Como hemos comentado anteriormente, debido al montaje diferencial, es necesario que cada uno de los transconductores reciba exactamente la misma señal de entrada. Por tanto, utilizaremos los potenciómetros para asegurar que esto ocurra así.

Para evitar deformaciones e interferencias en la señal de entrada, minimizaremos la distancia presente entre la entrada del transconductor y la salida del transformador.


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2.4. Bloque de salida

A continuación presentamos el bloque de salida. Como se puede observar, las entradas de este bloque pueden ser tanto Iout+ como Iout-. La idea es introducir en él las señales diferenciales Iout+ o Iout- que, mediante el transformador WB2010 (descrito anteriormente), volverán a convertirse en la señal unipolar.

Tras dicha conversión, la señal pasará de nuevo por una línea de transmisión de 50Ω para ser extraída finalmente a través de un conector BNC.

4 S51P1

2P33 S4

5 S6

Figura 4.12. Bloque de salida.

De nuevo, al igual que en el bloque de entrada, minimizaremos la distancia presente entre la salida del transconductor y la entrada del transformador.

3. Proceso de medida

3.1. Consideraciones iniciales

Lo primero que debemos hacer antes de iniciar el proceso de medida es aislar el circuito de cualquier superficie metálica, situándolo sobre una superficie plástica. Además, debido a la alta sensibilidad que presentan los transistores MOS (de los que están formados los transconductores), procederemos a colocarnos una pulsera antiestática que evite descargas electrostáticas que puedan dañar los integrados.


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A continuación, polarizaremos correctamente cada uno de los elementos del circuito tal y como hemos descrito en los apartados anteriores. Para asegurarnos que estamos introduciendo los valores correctos en los pines del transconductor, realizaremos mediante un multímetro las medidas tanto en tensión como en corriente de los distintos módulos, utilizando los pines de comprobación habilitados a tal efecto.

A partir de ahora, cuando se genere cualquier forma de onda, ésta será comprobada en el osciloscopio antes de ser introducida en el sistema. Tal es el caso, por ejemplo, de las señales senoidales.

3.2. Medida de la característica DC

Antes de realizar la medida de la característica DC, es conveniente mencionar que el ancho de banda del transconductor es de unos 17MHz, siempre que las capacidades parásitas en sus pines de salida sean menores de 10pF. Aunque el transformador usado en el circuito presenta un ancho de banda de [5KHz –100MHz], en la práctica hemos comprobado que el rango de frecuencias en el que podemos medir es [500KHz, 10MHz]. El límite inferior viene impuesto por el comportamiento paso alto que nos encontramos antes de cada pin de entrada al transconductor (debido a los condensadores de desacoplo). El límite superior viene fijado por las capacidades parásitas que realmente encuentra a su salida el transconductor una vez insertado en la placa, y que son superiores a lo esperado. Por tanto, concluimos que el sistema presenta una ganancia aproximadamente constante y algo menor que la unidad en el rango [500KHz –10MHz].

En los siguientes apartados realizaremos una serie de medidas tanto para las salidas positivas como para las negativas aunque, como hemos comentado anteriormente, las salidas positivas presentarán unos mejores resultados debido a la propia naturaleza del transconductor.

3.2.1. Medidas de Iout +

Introduciremos a la entrada del circuito una señal senoidal de amplitud 600mVpp. Veamos qué porcentaje de esta señal alcanza el pin de entrada del transconductor. Al comienzo del bloque de entrada se produce una adaptación a 50Ω y la tensión que cae en la resistencia es de 300mVpp, es decir, la amplitud de la entrada se ha reducido a la mitad. Cuando la señal alcanza los potenciómetros de entrada, la señal vuelve a dividirse por dos debido a que debe llegar a cada transconductor


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exactamente la misma señal. Podemos resumir, por tanto, que acada transconductor llega una señal inicial de 150mVpp.

Si realizamos medidas con el osciloscopio para distintas frecuencias observamos que el circuito presenta un comportamiento mejor a medida que se aumenta la frecuencia:

Frecuencia Salida del circuito

100 KHz 275mVpp

200 KHz 400mVpp

500 KHz 462mVpp

Para la frecuencia de 500 KHz se muestran a continuación la gráfica que relaciona la entrada y la salida.

Figura 4.13. Relación entrada-salida a 500Khz.


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Como podemos observar, la señal que se introduce en el circuito es de 600mVpp mientras que la señal obtenida ha sido de 462mVpp. Es decir, se ha perdido aproximadamente un 25% de la señal. Esta pérdida es debido a que la ganancia de cada buffer del integrado es menor que la unidad (aproximadamente 0,8).

A continuación mostraremos la característica DC del circuito a 500 KHz

Figura 4.14. Característica DC a 500Khz.

Debido al diseño de los transconductores, estos tienen un rango dinámico [0V-1V]. Las medidas realizadas anteriormente se han realizado en un punto intermedio de dicha escala. Veamos ahora qué ocurre cuando nos aproximamos al límite del rango. Para las siguientes medidas se ha conservado como frecuencia 500KHz, pero se ha generado una señal de 4Vpp antes del BNC que, como hemos explicado, se reducirá a 1Vpp.


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Al comparar las dos gráficas, se observa que al aproximarnos al máximo del rango dinámico, en la característica DC se puede apreciar el efecto de saturación de la misma, tal y como se esperaba.

Para finalizar, observemos cómo se comporta la señal al duplicar la frecuencia de trabajo, es decir, las siguientes gráficas han sido tomadas con una señal de entrada de 1.1Vpp y una frecuencia de 1MHz.

Figura 4.16. Relación entrada-salida a 1Mhz.


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Figura 4.17. Función vo-vi a 1Mhz.

3.2.2. Medidas de Iout -

Ahora llevaremos a cabo el mismo proceso pero para las intensidades que emanan de los pines negativos de los transconductores. Para ello realizaremos de nuevo las medidas a 700KHz, pero introduciendo esta vez una señal de 2Vpp antes del BNC, es decir, de 0,5Vpp en cada uno de los pines de entrada de los transconductores. La relación entre la entrada y la salida se muestra a continuación:



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Siendo la característica estática del circuito a dicha frecuencia la que se muestra en la siguiente gráfica:

Figura 4.19. Característica DC tomando los pines de salida negativos.

Por último, introduciremos de nuevo en el sistema una señal de 4Vpp antes del BNC, que representa el máximo del rango dinámico del sistema, y podremos observar, cómo se pierde la linealidad en los extremos de la característica estática.



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3.3. Medida de la distorsión

Una vez implementada la placa, se comprobó en el laboratorio que no generaba la suficiente intensidad como para “cargar” el analizador de espectro. La solución adoptada para poder realizar las medidas fue utilizar una sonda activa. Dicho elemento es capaz de detectar señales pequeñas e introducirlas en el analizador.

3.3.1. HD2 y HD3 (Iout +)

Para realizar el estudio de la distorsión introduciremos en el circuito una señal de 1MHz y 2Vpp (en el generador, es decir, 0,5Vpp en cada transconductor). Primero procederemos a realizar el cálculo de HD2 y HD3 polarizando el circuito con los valores teóricos. Los resultados obtenidos fueron:

Figura 4.21. HD2 y HD3 con la polarización inicial.


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Medidas iniciales

Primer armónico -28,52 dBm

Segundo armónico -86,08 dBm

Tercer armónico -78,90 dBm

HD2 -57,56 dB

HD3 -50,38 dB

Tras realizar las medidas anteriores se procederá a realizar un reajuste de las polarizaciones con el objeto de mejorar los resultados obtenidos. Dicha calibración será necesaria para compensar las posibles desviaciones en el proceso de fabricación tanto de los transconductores como de la placa de medida.

El proceso consistirá en ir realizando pequeñas modificaciones en la tensión generada en los DAC observando en el analizador de espectro las modificaciones en los armónicos. Tras el proceso los DAC afectados por las modificaciones fueron:

DAC 3 DAC 5 DAC 6

VALOR 0.1668 V 0.7101 V 0.1776 V

A continuación se muestran los valores obtenidos de la distorsión:

Medidas finales




HD2 -61,10 dB

HD3 -52,47 dB


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Figura 4.22. HD2 y HD3 con la nueva polarización.

Se puede observar que tras los ajustes se ha obtenido una mejora en HD2 en torno a 3,5dB y HD3 ha mejorado en unos 2dB. Destacaremos que debido al buen diseño de la placa y de los transconductores, no ha sido necesario realizar muchos ajustes de polarización y que los nuevos valores obtenidos difieren poco respecto a los originales.

Ahora procederemos a comparar estos resultados con los del montaje unipolar; según la teoría la utilización de un montaje diferencial supone una mejora sustancial de la distorsión. El montaje unipolar presentaba un THD de -38,57 dB, por tanto como se puede observar en la figura anterior hemos conseguido una mejora de unos 22 dB quedando así comprobada la validez de nuestro montaje diferencial.


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Hasta ahora hemos realizado las medidas en un punto intermedio del rango dinámico del transconductor. A continuación introduciremos una señal de 2Vpp con el objeto de llevar al transconductor al extremo de su región de funcionamiento. Como es de esperar, los resultados obtenidos estarán por debajo de las medidas anteriormente realizadas.

Figura 4.23. HD2 y HD3 (extremo del rango dinámico).

Medidas obtenidas




HD2 -45,29 dB

HD3 -35,20 dB


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Se aprecia como se había comentado anteriormente que las características de distorsión del transconductor sufren un gran deterioro debido a que en los extremos del régimen dinámico los circuitos pierden de forma acusada su linealidad.

3.3.2. HD2 y HD3 (Iout -)

Una vez fijada la polarización de la placa, procederemos a medir la distorsión de Iout-. Para ello, introduciremos de nuevo una señal de 1Vpp y 1MHz y comprobaremos cómo las características son muy distintas a las presentadas por su equivalente positivo Iout+. Esta disminución de la calidad de la señal ya ha sido comentada previamente y responde a las características del transconductor derivadas de su arquitectura interna. Los resultados obtenidos en este caso fueron:

Figura 4.24. HD2 y HD3 (Iout -).


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Medidas obtenidas




HD2 -43 dB

HD3 -46,12 dB

3.3.3. Producto de intermodulación (Iout +)

Para completar el estudio de la distorsión de un circuito, no sólo hallaremos los factores HD2 y HD3 (que son el resultado de distorsión cuando se introduce únicamente un tono puro en la entrada del circuito) sino que hallaremos el producto de intermodulación de tercer orden, que es el resultado de distorsión cuando se introducen dos tonos de igual amplitud y muy cercanos en la frecuencia.

Para realizar la siguiente medida, se introducirán en el sistema dos señales de amplitud igual a 1Vpp (en Rint = 50Ω) y frecuencia de 1MHz y 1,1MHz. Dichas señales serán generadas en el Dual Arbitrary Generador. Para introducir dichas señales en el sistema haremos uso de la cualidad del generador para sumar dos señales y presentarlas a través de un único interfaz, en nuestro caso, el canal 1.

El producto de intermodulación obtenido fue: IM3 = -43,70 dB, como se puede observar en la figura:


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Figura 4.25. IM3 (Iout -).

Si repetimos la misma medida pero para las frecuencias: 700 KHz y 800 Khz obtenemos unos resultados un poco mejores siendo el producto de intermodulación igual a -49.59 dB.

3.3.4. Producto de intermodulación (Iout -)

Una vez tomadas las medidas referidas a Iout +, realizaremos la equivalentes de Iout– para dos señales de 1MHz y 1,1MHz. Comprobaremos que los resultados son algo peores, como se esperaba.


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Figura 4.26. IM3 (Iout -)

El producto de intermodulación obtenido se muestra en la figura anterior: IM3 = -39,59 dB.

3.4. Medida del consumo del transconductor

Para medir el consumo del transconductor se procederá a realizar una medida de la intensidad que circula por la rama de Vdd. Para ello intercalaremos un amperímetro en serie. Los valores obtenidos son:


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CONSUMO

Vdd (T1) 1,5 V

Idd (T1) 154 µA

Potencia (T1) 231 µW

Vdd (T2) 1,5 V

Idd (T2) 156 µA

Potencia (T2) 234 µW

TOTAL 465 µW

El valor teórico de consumo de un transconductor es de 230 µW, lo cual coincide de forma bastante aproximada con el resultado medido.

3.5. Conclusiones

A partir de las medidas realizadas hemos podido comprobar cómo de forma práctica se confirman los resultados teóricos. Dichos resultados engloban:

• Configuración diferencial: Se confirma que en un montaje diferencial se obtienen mejores resultados de distorsión que en un montaje unipolar, como se sabe de teoría.

• Polarización: Se ha puesto de manifiesto la importancia de un correcto ajuste

de la polarización del sistema, ya que al realizar pequeñas modificaciones se obtienen mejoras del orden de unos 3dB respecto a los valores nominales.

• Señal de salida: Tras las medidas realizadas llegamos a la conclusión que los valores teóricos coinciden con los experimentales, aunque ha habido una reducción del ancho de banda teórico del transconductor.

• Consumo: Se ha comprobado asimismo que los valores de consumo se ajustan de forma muy precisa a lo inicialmente previsto.

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