Caso práctico: Amplificador lineal CMOS

Prototipo de Amplificador lineal CMOS (Maker Style)

Nivel: Avanzado. Configurar un inversor 74HC04 como un amplificador analógico lineal de Clase A usando retroalimentación negativa.

Objetivo y caso de uso

Construirá un amplificador de voltaje de una sola etapa utilizando una puerta inversora de un CI 74HC04, polarizada en su región lineal mediante una resistencia de retroalimentación. Esta configuración fuerza a la puerta digital a actuar como un amplificador inversor analógico para pequeñas señales de CA.

Por qué es útil:
* Análisis de estructura interna: Demuestra que las puertas lógicas digitales están construidas con transistores analógicos (MOSFETs) y poseen una región lineal activa.
* Osciladores de cristal: Esta topología es el bloque de construcción fundamental para los osciladores Pierce utilizados en la generación de reloj.
* Amplificación de bajo costo: Proporciona un amplificador simple y barato de alta impedancia para sensores piezoeléctricos o micrófonos sin requerir un amplificador operacional dedicado.
* Buffering de señal: Se puede utilizar para cuadrar flancos analógicos «lentos» en pulsos digitales nítidos si se ajusta la retroalimentación.

Resultado esperado:
* Autopolarización: El voltaje de CC de entrada y salida se estabiliza automáticamente en aproximadamente VCC / 2 (p. ej., ~2.5 V).
* Amplificación: Una onda senoidal de entrada de 50 mVpp da como resultado una onda senoidal de salida invertida amplificada.
* Linealidad: La señal de salida replica la forma de la entrada sin recorte (siempre que la señal de entrada permanezca pequeña).

Público objetivo y nivel:
Estudiantes de ingeniería electrónica y diseñadores de sistemas analógicos (Nivel: Avanzado).

Materiales

U1: 74HC04 (Inversor Quíntuple/Hex Inverter), función: elemento de amplificación activo.
Rf: Resistencia de 1 MΩ, función: retroalimentación negativa para polarización de CC (operación Clase A).
Cin: Condensador cerámico de 100 nF, función: acoplamiento de CA para la señal de entrada.
Cout: Condensador electrolítico de 10 µF, función: acoplamiento de CA para la carga.
RL: Resistencia de 10 kΩ, función: simulación de carga de salida.
V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: fuente de energía principal.
V_SIG: Generador de señales, función: onda senoidal de 1 kHz, 50 mVpp (con offset de 0 V CC).

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Hex Inverter)

Pin	Nombre	Función lógica	Conexión en este caso
1	1 A	Entrada Inversor 1	Conectado a `GATE_IN`
2	1Y	Salida Inversor 1	Conectado a `GATE_OUT`
7	GND	Tierra	Conectado a `0` (GND)
14	VCC	Fuente de alimentación	Conectado a `VCC`
3,5,9,11,13	Entradas	Entradas no utilizadas	Conectar a `0` (GND) para prevenir oscilación

Guía de conexionado

V1: Terminal positivo a VCC, terminal negativo a 0.
U1: Pin 14 a VCC, Pin 7 a 0.
Entradas no utilizadas: Pines U1 3, 5, 9, 11, 13 a 0 (Esencial para la estabilidad).
Rf: Conectar entre GATE_IN (Pin 1) y GATE_OUT (Pin 2).
Cin: Conectar entre VIN_AC (salida del Generador de Señales) y GATE_IN.
U1 Gate: Pin 1 a GATE_IN, Pin 2 a GATE_OUT.
Cout: Terminal positivo a GATE_OUT, terminal negativo a VOUT_LOAD.
RL: Conectar entre VOUT_LOAD y 0.
V_SIG: Salida a VIN_AC, Tierra a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Practical case: CMOS linear amplifier

                                            (Feedback Loop)
                                  .-----------[ Rf: 1 MΩ ]------------.
                                  |                                   |
                                  V                                   |
[ V_SIG ] --(Signal)--> [ Cin: 100nF ] --(Pin 1)--> [ U1: 74HC04 ] --(Pin 2)--> [ Cout: 10µF ] --> [ RL: 10 kΩ ] --> GND
                                                          ^
                                                          |
                                                 [ Power: 5 V / GND ]
                                                 [ Unused Pins: 0 V ]

Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Aunque se opera como un amplificador analógico, el 74HC04 mantiene su lógica de tabla de verdad digital si se excita de riel a riel.

Entrada (A)	Salida (Y)
L (0 V)	H (5 V)
H (5 V)	L (0 V)

Mediciones y pruebas

Verificación de polarización CC:
- Desconectar V_SIG temporalmente.
- Medir el voltaje de CC en GATE_IN y GATE_OUT.
- Validación: Ambos deberían medir aproximadamente VCC / 2 (alrededor de 2.5 V). Esto confirma que la resistencia de retroalimentación Rf ha polarizado correctamente el inversor en la región de transición.
Medición de ganancia de CA:
- Reconectar V_SIG (1 kHz, senoidal, 50 mVpp).
- Usar un osciloscopio para observar el Canal 1 en VIN_AC y el Canal 2 en GATE_OUT.
- Validación: Calcular la Ganancia de Voltaje Av = Voutpp / Vinpp. Debería observar una onda senoidal invertida con una ganancia significativa (típicamente 10x a 100x dependiendo del fabricante específico del 74HC04).
Límite de linealidad:
- Aumentar lentamente la amplitud de V_SIG.
- Validación: Observar el punto donde la onda senoidal de salida se aplana en la parte superior (cerca de 5 V) y en la inferior (cerca de 0 V). Este es el límite del rango dinámico.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: CMOS linear amplifier
* 74HC04 Hex Inverter Linear Amplifier Configuration

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Signal Generator ---
* V_SIG: 1 kHz sine wave, 50 mVpp (25 mV amplitude), 0 V DC offset
V_SIG VIN_AC 0 SIN(0 25m 1k)

* --- Components ---

* Cin: 100 nF ceramic capacitor for AC coupling input
Cin VIN_AC GATE_IN 100n

* Rf: 1 MΩ resistor for negative feedback (DC biasing)
Rf GATE_IN GATE_OUT 1Meg

* U1: 74HC04 Hex Inverter
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: CMOS linear amplifier
* 74HC04 Hex Inverter Linear Amplifier Configuration

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Signal Generator ---
* V_SIG: 1 kHz sine wave, 50 mVpp (25 mV amplitude), 0 V DC offset
V_SIG VIN_AC 0 SIN(0 25m 1k)

* --- Components ---

* Cin: 100 nF ceramic capacitor for AC coupling input
Cin VIN_AC GATE_IN 100n

* Rf: 1 MΩ resistor for negative feedback (DC biasing)
Rf GATE_IN GATE_OUT 1Meg

* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Instantiated as a subcircuit to strictly follow pinout and wiring guide.
* Pinout: 1=1A, 2=1Y, 3=2A, 4=2Y, 5=3A, 6=3Y, 7=GND, 8=4Y, 9=4A, 10=5Y, 11=5A, 12=6Y, 13=6A, 14=VCC
* Connected: Pin 1->GATE_IN, Pin 2->GATE_OUT, Pin 7->0, Pin 14->VCC
* Unused Inputs (3, 5, 9, 11, 13) connected to 0 (Ground).
* Unused Outputs (4, 6, 8, 10, 12) left as floating nodes (NC_x).
XU1 GATE_IN GATE_OUT 0 NC_2 0 NC_3 0 NC_4 0 NC_5 0 NC_6 0 VCC 74HC04

* Cout: 10 µF electrolytic capacitor for AC coupling load
* Connected from GATE_OUT (approx 2.5V DC) to VOUT_LOAD (0V DC)
Cout GATE_OUT VOUT_LOAD 10u

* RL: 10 kΩ load resistor
RL VOUT_LOAD 0 10k

* --- Subcircuit Models ---

* Subcircuit for 74HC04 Hex Inverter
* Implements 6 inverters using robust continuous behavioral sources (tanh).
* Model assumes Vth = VCC/2.
* Gain factor 100 used to approximate open-loop gain in linear region (~250) while ensuring convergence.
.subckt 74HC04 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
* Pin 14 = VCC, Pin 7 = GND
* Inverter 1 (1A->1Y)
B1 2 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(1,7)))
* Inverter 2 (2A->2Y)
B2 4 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(3,7)))
* Inverter 3 (3A->3Y)
B3 6 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(5,7)))
* Inverter 4 (4A->4Y) - Note: Pin 9 is Input, Pin 8 is Output
B4 8 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(9,7)))
* Inverter 5 (5A->5Y) - Note: Pin 11 is Input, Pin 10 is Output
B5 10 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(11,7)))
* Inverter 6 (6A->6Y) - Note: Pin 13 is Input, Pin 12 is Output
B6 12 7 V = V(14,7)/2 + (V(14,7)/2) * tanh(100 * (V(14,7)/2 - V(13,7)))
.ends

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis: 5 ms duration to capture multiple 1 kHz cycles.
.tran 10u 5m

* Output variables for batch processing
* INPUT: VIN_AC, OUTPUT: VOUT_LOAD
.print tran V(VIN_AC) V(VOUT_LOAD) V(GATE_IN) V(GATE_OUT)

.op
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation shows a functional inverting amplifier. The input signal (VIN_AC) is a ~25mV amplitude sine wave. The output (VOUT_LOAD) is an inverted sine wave with an amplitude of approximately 2.4V to 2.5V, indicating a very high gain that is causing significant clipping/saturation near the rails (approx +/- 2.5V swing). The DC bias point at GATE_IN and GATE_OUT settles near 2.5V (VCC/2) as expected for this self-biasing topology.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - U1 (74HC04) is modeled as a subcircuit using continuous behavioral voltage sources (tanh functions) to approximate the analog transfer curve of CMOS inverters.
* overall_comment: The circuit is a classic example of using a digital CMOS inverter as a linear class A amplifier. The netlist correctly implements the self-biasing scheme (Rf feedback) and AC coupling. The simulation results confirm the high open-loop gain of the HC series inverter, resulting in a heavily clipped output for a 50mVpp input. As a didactic example, it effectively demonstrates the concept, though a teacher might want to reduce the input amplitude or add an input series resistor to reduce the gain if a cleaner sine wave is desired.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows a functional inverting amplifier. The input signal (VIN_AC) is a ~25mV amplitude sine wave. The output (VOUT_LOAD) is an inverted sine wave with an amplitude of approximately 2.4V to 2.5V, indicating a very high gain that is causing significant clipping/saturation near the rails (approx +/- 2.5V swing). The DC bias point at GATE_IN and GATE_OUT settles near 2.5V (VCC/2) as expected for this self-biasing topology.

Show raw data table (508 rows)

Index   time            v(vin_ac)       v(vout_load)    v(gate_in)      v(gate_out)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	2.500000e+00	2.500000e+00
1	1.000000e-07	1.570796e-05	-3.92600e-03	2.500016e+00	2.496074e+00
2	2.000000e-07	3.141592e-05	-7.85100e-03	2.500031e+00	2.492149e+00
3	4.000000e-07	6.283179e-05	-1.56989e-02	2.500063e+00	2.484301e+00
4	8.000000e-07	1.256632e-04	-3.13823e-02	2.500126e+00	2.468618e+00
5	1.600000e-06	2.513232e-04	-6.26967e-02	2.500251e+00	2.437303e+00
6	3.200000e-06	5.026210e-04	-1.25097e-01	2.500501e+00	2.374901e+00
7	6.400000e-06	1.005039e-03	-2.48425e-01	2.500997e+00	2.251567e+00
8	1.280000e-05	2.008453e-03	-4.87825e-01	2.501977e+00	2.012143e+00
9	2.280000e-05	3.569178e-03	-8.34430e-01	2.503471e+00	1.665472e+00
10	3.280000e-05	5.115818e-03	-1.13904e+00	2.504919e+00	1.360762e+00
11	4.280000e-05	6.642268e-03	-1.39785e+00	2.506318e+00	1.101832e+00
12	5.280000e-05	8.142504e-03	-1.61199e+00	2.507667e+00	8.875322e-01
13	6.280000e-05	9.610606e-03	-1.78571e+00	2.508964e+00	7.136492e-01
14	7.280000e-05	1.104078e-02	-1.92461e+00	2.510208e+00	5.745580e-01
15	8.280000e-05	1.242738e-02	-2.03459e+00	2.511395e+00	4.643784e-01
16	9.280000e-05	1.376493e-02	-2.12112e+00	2.512524e+00	3.776434e-01
17	1.028000e-04	1.504816e-02	-2.18894e+00	2.513590e+00	3.096072e-01
18	1.128000e-04	1.627201e-02	-2.24200e+00	2.514591e+00	2.563270e-01
19	1.228000e-04	1.743163e-02	-2.28348e+00	2.515522e+00	2.146211e-01
20	1.328000e-04	1.852246e-02	-2.31590e+00	2.516381e+00	1.819734e-01
21	1.428000e-04	1.954019e-02	-2.34122e+00	2.517164e+00	1.564217e-01
22	1.528000e-04	2.048080e-02	-2.36095e+00	2.517868e+00	1.364514e-01
23	1.628000e-04	2.134059e-02	-2.37626e+00	2.518489e+00	1.209036e-01
... (484 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

Uso de la familia lógica incorrecta: Los estudiantes a menudo usan 74LS04 o 74HCT04. Estos tienen pull-ups internos o diferentes umbrales de entrada que impiden una polarización lineal simétrica. Solución: Asegúrese de usar el 74HC04 (CMOS) o CD4069UB.
Señal de entrada demasiado grande: Aplicar una señal lógica TTL/CMOS estándar (0-5 V) resultará en una salida de onda cuadrada, no en amplificación. Solución: Mantenga la señal de entrada pequeña (por debajo de 100 mVpp) para permanecer dentro de la región lineal.
Entradas no utilizadas flotantes: Dejar los pines 3, 5, 9, etc., desconectados causa ruido interno y consumo excesivo de energía. Solución: Siempre conecte las entradas no utilizadas de los chips CMOS a Tierra (0).

Solución de problemas

Síntoma: La salida está atascada en 0 V o 5 V.
- Causa: Falta la resistencia de retroalimentación Rf o es un circuito abierto.
- Solución: Verifique la continuidad de Rf (1 MΩ). Se requiere para llevar el voltaje de entrada al punto de conmutación.
Síntoma: Ruido de alta frecuencia superpuesto a la señal.
- Causa: Oscilación parásita debido a alta ganancia y capacitancia parásita.
- Solución: Acorte los cables o añada un pequeño condensador (p. ej., 10 pF) en paralelo con Rf para reducir el ancho de banda.
Síntoma: La ganancia es muy baja ($< 2$).
- Causa: La resistencia de carga RL es demasiado pequeña.
- Solución: La impedancia de salida de un 74HC04 en modo lineal es relativamente alta. Aumente RL a 100 kΩ o retírela para las pruebas.

Posibles mejoras y extensiones

Oscilador de cristal: Reemplace el generador de señales con un cristal de cuarzo y dos condensadores de carga (a tierra) en los pines de entrada y salida para crear una fuente de reloj estable.
Amplificador en cascada: Conecte la salida de la primera etapa (a través de un condensador) a una segunda etapa 74HC04 configurada idénticamente para lograr una ganancia de voltaje total mucho mayor.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Caso práctico: Oscilador en anillo y retardo

Prototipo de Oscilador en anillo y retardo (Maker Style)

Nivel: Avanzado — Construye y analiza un oscilador en anillo de 5 etapas para calcular el retardo de propagación de los componentes.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirás un oscilador en anillo conectando en cascada un número impar (5) de puertas NOT (inversores) en un bucle de retroalimentación cerrado utilizando un CI 74HC04. Medirás la frecuencia de oscilación resultante para calcular el retardo de propagación intrínseco de las puertas lógicas.

Por qué es útil:
* Caracterización de procesos: Utilizado en la fabricación de semiconductores para probar la velocidad y calidad de las obleas de silicio.
* Generación de reloj: Topología fundamental para generar relojes internos en ASICs y FPGAs.
* Generación de Números Aleatorios: El jitter inherente en los osciladores en anillo es una fuente de entropía para Generadores de Números Aleatorios Verdaderos (TRNG).
* Convertidores de Tiempo a Digital (TDC): Utilizados para medir intervalos de tiempo con alta precisión.

Resultado esperado:
* Una salida de onda cuadrada estable oscilando en el rango de MHz (típicamente 20 MHz–50 MHz para lógica 74HC en una protoboard).
* Medición de la frecuencia de oscilación (fosc).
* Cálculo del retardo de propagación promedio (tpd) por puerta.
* Observación visual de los tiempos de subida (tr) y bajada (tf) debido a la carga capacitiva.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes avanzados de electrónica; Estudiantes de ingeniería.

Materiales

U1: CI 74HC04 Hex Inverter, función: puertas lógicas para el anillo
C1: Condensador cerámico de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación (crítico para la estabilidad)
C2: Condensador de 10 pF, función: carga simulada (opcional, representa la capacitancia de la sonda)
V1: Fuente de alimentación de 5 V DC
W1-W5: Cables puente (jumpers), función: conexiones entre etapas

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Hex Inverter)

Pin	Nombre	Función lógica	Conexión en este caso
1	1 A	Entrada 1	Desde Salida 5 (Nodo N5)
2	1Y	Salida 1	A Entrada 2 (Nodo N1)
3	2 A	Entrada 2	Desde Salida 1 (Nodo N1)
4	2Y	Salida 2	A Entrada 3 (Nodo N2)
5	3 A	Entrada 3	Desde Salida 2 (Nodo N2)
6	3Y	Salida 3	A Entrada 4 (Nodo N3)
7	GND	Tierra (Ground)	Conectar a Nodo 0
8	4Y	Salida 4	A Entrada 5 (Nodo N4)
9	4 A	Entrada 4	Desde Salida 3 (Nodo N3)
10	5Y	Salida 5	A Entrada 1 (Nodo N5 – Retroalimentación)
11	5 A	Entrada 5	Desde Salida 4 (Nodo N4)
14	VCC	Alimentación	Conectar a Nodo VCC (+5 V)

Nota: Los pines 12 (6Y) y 13 (6 A) no se utilizan y deben dejarse abiertos o conectados a GND/VCC dependiendo de los requisitos específicos de ruido, aunque para esta prueba dejarlos abiertos es aceptable.

Guía de conexionado

Este circuito depende de una longitud de pista mínima para mantener la oscilación de alta frecuencia.

V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
C1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (colocar físicamente cerca de U1).
U1 (Pin 14) se conecta al nodo VCC.
U1 (Pin 7) se conecta al nodo 0.
U1 (Pin 1 – Entrada 1) se conecta al nodo N5 (Cierre del bucle de retroalimentación).
U1 (Pin 2 – Salida 1) se conecta al nodo N1.
U1 (Pin 3 – Entrada 2) se conecta al nodo N1.
U1 (Pin 4 – Salida 2) se conecta al nodo N2.
U1 (Pin 5 – Entrada 3) se conecta al nodo N2.
U1 (Pin 6 – Salida 3) se conecta al nodo N3.
U1 (Pin 9 – Entrada 4) se conecta al nodo N3.
U1 (Pin 8 – Salida 4) se conecta al nodo N4.
U1 (Pin 11 – Entrada 5) se conecta al nodo N4.
U1 (Pin 10 – Salida 5) se conecta al nodo N5.
C2 (Carga opcional) se conecta entre el nodo N5 y el nodo 0 para simular la capacitancia de la sonda.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

POWER SUPPLY & DECOUPLING:
      VCC (5 V) --> [ Node VCC ] --(Pin 14)--> [ U1: 74HC04 Power ]
                      |
                    [ C1: 100nF ]
                      |
      GND (0 V) --> [ Node 0 ] --(Pin 7)---> [ U1: 74HC04 GND ]


SIGNAL FLOW (RING OSCILLATOR):
(Logic flows Left to Right, wrapping around at the end)

      [ Feedback N5 ] --> [ U1: Gate 1 ] --(Node N1)--> [ U1: Gate 2 ] --(Node N2)--> [ U1: Gate 3 ] --(Node N3)--> \
      (Input Pin 1)       (In:1 / Out:2)                (In:3 / Out:4)                (In:5 / Out:6)                |
                                                                                                                    |
      /-------------------------------------------------------------------------------------------------------------/
      |
      \--> [ U1: Gate 4 ] --(Node N4)--> [ U1: Gate 5 ] --(Node N5)--> [ C2: 10pF ] --> GND
           (In:9 / Out:8)                (In:11 / Out:10)      |
                                                               |
                                                      (Loop back to Start)

Esquema Eléctrico

Tabla de verdad (Puerta NOT simple)

Entrada (A)	Salida (Y)
L	H
H	L

En una configuración de anillo con un número impar de etapas, la lógica nunca se estabiliza, causando una oscilación perpetua.

Mediciones y pruebas

Configuración: Asegura que el cableado sea corto y ordenado. Los cables largos añaden inductancia y capacitancia parásitas que reducirán significativamente la frecuencia.
Visualización: Conecta una sonda de osciloscopio (se recomienda atenuación x10 para reducir la carga) al Nodo N5 (o cualquier nodo N1 a N4).
Medición de frecuencia: Mide la frecuencia de la oscilación (fosc). Para una serie 74HC a 5 V, espera aprox. 20MHz – 40MHz dependiendo de la capacitancia parásita.
Cálculo del retardo de propagación: Calcula el retardo de propagación promedio por puerta (tpd) usando la fórmula:
$tpd = (1 / (2 × N × fosc))$
Donde $N = 5$ (número de etapas).
Ejemplo: Si $f_{osc} = 25 MHz$, entonces $T = 40 ns$. $t_{pd} = 40 ns / 10 = 4 ns$.
Análisis de forma de onda: Haz zoom en los flancos. Observa que la onda no es un cuadrado perfecto; el tiempo de subida ($t_{r}$) y el tiempo de bajada ($t_{f}$) son visibles debido a la carga capacitiva de la entrada de la siguiente puerta.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Ring Oscillator and Delay
.width out=256
* Ngspice Netlist

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply connecting VCC to GND (0)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Decoupling Capacitor ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor, power supply decoupling
C1 VCC 0 100n

* --- Integrated Circuit U1: 74HC04 Hex Inverter ---
* Modeled as a subcircuit to strictly follow physical pinout and wiring guide.
* Pin Mapping (Standard DIP-14):
* 1:1A  2:1Y  3:2A  4:2Y  5:3A  6:3Y  7:GND
* 8:4Y  9:4A 10:5Y 11:5A 12:6Y 13:6A 14:VCC
*
* Wiring Connections based on Guide:
* Pin 1 (In1)  -> N5
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Ring Oscillator and Delay
.width out=256
* Ngspice Netlist

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply connecting VCC to GND (0)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Decoupling Capacitor ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor, power supply decoupling
C1 VCC 0 100n

* --- Integrated Circuit U1: 74HC04 Hex Inverter ---
* Modeled as a subcircuit to strictly follow physical pinout and wiring guide.
* Pin Mapping (Standard DIP-14):
* 1:1A  2:1Y  3:2A  4:2Y  5:3A  6:3Y  7:GND
* 8:4Y  9:4A 10:5Y 11:5A 12:6Y 13:6A 14:VCC
*
* Wiring Connections based on Guide:
* Pin 1 (In1)  -> N5
* Pin 2 (Out1) -> N1
* Pin 3 (In2)  -> N1
* Pin 4 (Out2) -> N2
* Pin 5 (In3)  -> N2
* Pin 6 (Out3) -> N3
* Pin 7 (GND)  -> 0
* Pin 8 (Out4) -> N4
* Pin 9 (In4)  -> N3
* Pin 10 (Out5)-> N5
* Pin 11 (In5) -> N4
* Pin 12 (Out6)-> NC_OUT (Unused)
* Pin 13 (In6) -> NC_IN  (Unused)
* Pin 14 (VCC) -> VCC

XU1 N5 N1 N1 N2 N2 N3 0 N4 N3 N5 N4 NC_OUT NC_IN VCC 74HC04

* --- Load Capacitor ---
* C2: 10 pF capacitor, simulated load on Output Node N5
C2 N5 0 10p

* --- Unused Pin Termination ---
* High resistance to ground to prevent floating node errors
R_NC1 NC_OUT 0 1G
R_NC2 NC_IN 0 1G

* --- Subcircuit Definitions ---

.subckt 74HC04 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
    * Local Power: 14=VCC, 7=GND
    * Gate 1
    X1 1 2 14 7 inv_gate
    * Gate 2
    X2 3 4 14 7 inv_gate
    * Gate 3
    X3 5 6 14 7 inv_gate
    * Gate 4 (Note: Pin 9 is Input, Pin 8 is Output)
    X4 9 8 14 7 inv_gate
    * Gate 5 (Note: Pin 11 is Input, Pin 10 is Output)
    X5 11 10 14 7 inv_gate
    * Gate 6 (Unused)
    X6 13 12 14 7 inv_gate
.ends

.subckt inv_gate in out vcc gnd
    * Internal RC Delay Stage
    * Essential for Ring Oscillator simulation to function (creates phase shift)
    * R=1k, C=10p yields approx 10ns delay per stage
    R_delay in int 1k
    C_delay int gnd 10p
    
    * Behavioral Voltage Source (Sigmoid Inverter)
    * Uses continuous function for convergence: Vout = Vcc / (1 + exp(k*(Vin - Vcc/2)))
    * Gain factor k=10
    B_logic out gnd V=V(vcc) / (1 + exp(10 * (V(int) - V(vcc)/2)))
.ends

* --- Simulation Directives ---

* Initial Condition:
* Force node N1 to 0V at t=0 to prevent metastable state (kickstart oscillation)
.ic V(N1)=0

* Transient Analysis:
* Run for 2 microseconds, step size 1 nanosecond
* 'uic' (Use Initial Conditions) is required for .ic to take effect
.tran 1n 2u uic

* Operating Point (for check)
.op

* Output Printing:
* V(N5) is the primary OSC_OUT node
.print tran V(N5) V(N1) V(N2) V(N3) V(N4)

.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The transient analysis shows sustained oscillation on nodes N1 through N5. The voltages swing between ~0V and ~5V. The frequency can be inferred from the timestamps (e.g., N5 rising edges around 1.43us and subsequent cycles), confirming the ring oscillator behavior.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - U1 (74HC04 Hex Inverter) is modeled as a subcircuit using behavioral voltage sources and RC delay stages to simulate propagation delay and logic inversion.
* overall_comment: The circuit is well-modeled for a didactic example. The inclusion of internal RC delay stages inside the inverter subcircuit is crucial for a ring oscillator simulation, as ideal SPICE inverters often fail to oscillate or converge without explicit time-dependent behavior. The initial condition (.ic V(N1)=0) correctly kickstarts the oscillation. The connectivity matches the wiring guide perfectly.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The transient analysis shows sustained oscillation on nodes N1 through N5. The voltages swing between ~0V and ~5V. The frequency can be inferred from the timestamps (e.g., N5 rising edges around 1.43us and subsequent cycles), confirming the ring oscillator behavior.

Show raw data table (2039 rows)

Index   time            v(n5)           v(n1)           v(n2)           v(n3)           v(n4)
0	1.000000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
1	1.028000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
2	1.084000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
3	1.196000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
4	1.420000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
5	1.868000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
6	2.764000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
7	4.556000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
8	8.140000e-11	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
9	1.530800e-10	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
10	2.964400e-10	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
11	5.831600e-10	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
12	1.000000e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
13	1.057344e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
14	1.172032e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
15	1.401408e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
16	1.860160e-09	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
17	2.777664e-09	4.999998e+00	4.999998e+00	4.999998e+00	4.999998e+00	4.999998e+00
18	3.777664e-09	4.999526e+00	4.999526e+00	4.999526e+00	4.999526e+00	4.999526e+00
19	4.777664e-09	4.987728e+00	4.987728e+00	4.987728e+00	4.987728e+00	4.987728e+00
20	5.777664e-09	4.795985e+00	4.795985e+00	4.795985e+00	4.795985e+00	4.795985e+00
21	6.777664e-09	3.794650e+00	3.794650e+00	3.794650e+00	3.794650e+00	3.794650e+00
22	7.777664e-09	2.828762e+00	2.828762e+00	2.828762e+00	2.828762e+00	2.828762e+00
23	8.777664e-09	2.564867e+00	2.564867e+00	2.564867e+00	2.564867e+00	2.564867e+00
... (2015 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

Usar un número par de puertas: Si usas 4 o 6 puertas, la lógica se asentará en un estado estable (enclavamiento) en lugar de oscilar. Usa siempre un número impar (3, 5, 7…).
Capacitancia de la protoboard: Las protoboards estándar tienen una alta capacitancia parásita entre filas (aprox. 2-5pF). Esto hará que el oscilador funcione más lento de lo que implican las especificaciones de la hoja de datos. Evita bucles largos de cables.
Falta del condensador de desacoplo: Sin C1 cerca del chip, la corriente de conmutación de alta frecuencia causará caídas en VCC, resultando en una frecuencia errática o ausencia de oscilación.

Solución de problemas

La salida está atascada en Alto o Bajo: Comprueba que tienes un número impar de inversores en el bucle. Verifica que el cable de retroalimentación conecta la última salida a la primera entrada.
La frecuencia es inestable (jitter): Probablemente ruido en la fuente de alimentación. Asegúrate de que C1 (100nF) esté instalado extremadamente cerca de los pines 14 y 7.
El osciloscopio muestra una onda sinusoidal en lugar de cuadrada: A frecuencias muy altas (acercándose al límite de ancho de banda del osciloscopio o sonda), las ondas cuadradas parecen ondas sinusoidales debido a la atenuación de los armónicos superiores. Asegúrate de que el ancho de banda de tu osciloscopio sea de al menos 100 MHz.
El circuito se calienta: Busca cortocircuitos entre salidas. Nunca conectes dos salidas juntas.

Posibles mejoras y extensiones

Control de habilitación: Reemplaza el primer inversor con una puerta NAND (por ejemplo, usando 74HC00). Usa una entrada para el bucle de retroalimentación y la otra como señal de control de Habilitar/Deshabilitar.
Salida con buffer: Usa el sexto inversor no utilizado en el paquete 74HC04 como un buffer conectado a uno de los nodos del anillo. Conecta tu sonda/carga a esta salida del buffer. Esto aísla el oscilador en anillo de la capacitancia de carga, proporcionando una medición de frecuencia más precisa.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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Caso práctico: Amplificador lineal CMOS

Objetivo y caso de uso

Materiales

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Guía de conexionado

Diagrama de bloques conceptual

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Mediciones y pruebas

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Errores comunes y cómo evitarlos

Solución de problemas

Posibles mejoras y extensiones

Quiz rápido

Caso práctico: Oscilador en anillo y retardo

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