CIRCUITOS ELECTRÓNICOS II INFORME DE LABORATORIO CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS Y POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES JFET
INTRODUCCIÓN En el presente informe presentamos algunos análisis sobre el funcionamiento de los JFET’S, al formar diferentes tipos de circuitos que funcionan permitiendo conocer las características de estos importantes dispositivos. Los transistores JFET son utilizados principalmente en circuitos integrados como amplificadores, osciladores, resistores variables, u otros, y funcionan mejor que los BJT a altas frecuencias. En cuanto a los puntos que trataremos a continuación veremos primeramente el comportamiento de la corriente de drenaje a fuente ; es decir, su variación con respecto al voltaje drenaje-fuente al mantener un voltaje constante en la compuerta. Luego veremos el comportamiento que se da en la corriente de drenaje a fuente cuando cuando se mantiene un voltaje drenaje-fuente constante y se varía el voltaje de la compuerta. Estos análisis permiten saber mediante las curvas características, las especificaciones de un transistor y así las condiciones correctas en las que se puede utilizar el circuito que lo contiene. Finalmente veremos algunos circuitos básicos de polarización para transistores JFET, con los cuales podremos obtener características como voltaje de estrechamiento y corriente máxima del transistor dependiendo de la forma como varían el voltaje y la corriente drenaje-fuente .
MARCO TEÓRICO El JFET (transistor de efecto de campo de juntura o unión ) es un dispositivo electrónico, que según unos valores eléctricos de entrada, reacciona dando unos valores de salida. Estos al ser transistores de efecto de campo eléctrico, sus valores de entrada son las tensiones eléctricas, en concreto la tensión entre los terminales S (fuente) y G (compuerta), V GS. Según este valor, la salida del transistor presentará una curva característica que se simplifica definiendo en ella tres zonas con ecuaciones definidas: corte, óhmica y saturación. 1-
Zona óhmica o lineal: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de V GS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de V GS.
2-
Zona de saturación: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por V GS.
3-
Zona de corte: La intensidad de drenaje es nula (I D=0).
A diferencia del transistor BJT, los terminales drenaje y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).
Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:
APLICACIÓN
PRINCIPAL VENTAJA
USOS
Aislador o separador Impedancia de entrada alta Uso general, equipo de medida, y de salida baja. receptores. (buffer) Bajo ruido. Sintonizadores de FM, equipo para Amplificador de RF comunicaciones. Baja distorsión de Receptores de FM y TV, equipos para Mezclador intermodulación. comunicaciones. Amplificador con CAG Facilidad para controlar Receptores, generadores de señales. ganancia. Amplificador cascode Baja capacidad de entrada. Instrumentos de medición, equipos de prueba. Ausencia de deriva. Amplificadores de cc, sistemas de Troceador control de dirección. Amplificadores operacionales, órganos Resistor variable por Se controla por voltaje. electrónicos, controlas de tono. voltaje
Amplificador de baja frecuencia Oscilador Circuito MOS digital
Capacidad pequeña acoplamiento. Mínima variación frecuencia. Pequeño tamaño.
de Audífonos para sordera, transductores inductivos. de Generadores de frecuencia patrón, receptores. Integración en gran escala, computadores, memorias.
GUÍA GENERAL Laboratorio #1 Materiales: Transistor ECG312 (JFET), Protoboard, Cables, Fuente de alimentación, Multímetro. Procedimiento: 1. Utilizando el programa de simulación de circuitos Multisim siguiente circuito.
arme el
2. Mantenga VGS en 0V y regule el valor de V DS según la tabla y obtenga los valores de I D. 3. Repita la misma tabla para V GS=-1,-2 Y -3V. 4. Dibuje las curvas características del JFET, graficando las tablas anteriores. 5. Fije el valor de V DS a 5V y varié el valor de V GS según la tabla para obtener los valores de I D. 6. Haga una gráfica de la tabla de I D vs VGS.
Laboratorio #2 Circuitos Básicos de Polarización para Transistores JFET y MOSFET Objetivos: 1. Conocer y analizar circuitos básicos, para la determinación de las características eléctricas de transistores JFET y MOSFET discretos de propósito general.
2. Utilizar los manuales de fabricantes y realizar comparaciones con los valores medidos. 3. Observar la respuesta de funcionamiento de los transistores, a través de la obtención de las correspondientes curvas características. 4. Medir tensiones y corrientes en circuitos básicos de polarización y comparar con los resultados teóricos y de simulación
ACTIVIDADES DE PRE-LABORATORIO 1- Investigue las características de funcionamientos y parámetro de los siguientes dispositivos: 2N5486, 2N7000, ECG312 o equivalente existentes en el mercado. Revisar correspondientes hojas de datos de fabricantes, obtener V p, e IDSS para el JFET y Kn para el MOSFET.
Características de funcionamiento y parámetros de los transistores: 2N5486 (JFET canal n) 2N7000 (MOSFET canal n) Vp=-2V a -6V IDSS=8mA a 20mA VDSmax=15V Pmax=350mW
VTo=0.8V a 3V IDmax=75mA a 600mA VDSmax=60V Pmax=400mW Kn=6.12
ECG312 (JFET canal n) Vp=-6V IDSS=5mA a 15mA VDSmax=25V Pmax=360mW
2- Partiendo de los parámetros de los dispositivos obtenidos de la hoja de fabricantes, analice teóricamente los circuitos de la figura 1 y 2, calcule los valores de tensión, corriente y potencia. Fije el rango de valores de los potenciómetros para asegurar zona de corriente constante en los transistores. Análisis teórico del circuito #1: Tomando Vp=-4V, IDSS=14mA, V1=6V, R1=150Ω. ID= IDSS (1-(VGS/Vp))2 como VGS=0V,
ID= IDSS=14mA VDS=6V- ID (150 Ω) =6V-(14mA) (150 Ω)
VDS=3.9 V
P= (3.9 V) (14mA) =54.6mW
Análisis teórico del circuito #2: Tomando Vp=-4V, IDSS=14mA, R3=1kΩ. VGS= VR3 VGS=-20V (1kΩ)/ (20kΩ+1kΩ)
VGS=-0.952V ID= IDSS (1-(VGS/Vp))2
ID=14mA (1-(0.952/4))2
ID=8.13mA VDS=20V- ID (1kΩ) =20V-(8.13mA) ( 1kΩ)
VDS=11.87V P= (11.87V) (8.13mA)
P=96.5mW
3- Realice las simulaciones correspondientes: a) considere un punto de funcionamiento en la zona de corriente constante por cada montaje, b) obtener dinámicamente las curvas características (I D vs VDS), (ID vs VGS) para cada dispositivo. (VER SECCIÓN DE RESULTADOS).
DESARROLLO Y RESULTADOS Laboratorio #1a: 1- Circuito:
2- Al mantener V GS en 0V y regular V DS se obtuvieron los siguientes valores de ID: VDS (V) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ID (mA) 0 0.3 0.4 0.401 0.401 0.401 0.401 0.401 0.401 0.401
Valores simulados Valores ID (mA) medidos
0
1.8
2.08
2.14
Curva caracteristica para VGS=0V
2.17
2.19
2.20
2.22
2.22
2.22
3- Al repetir el procedimiento para V GS=-1,-2,-3V se obtuvo lo siguiente: a- VGS=-1V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 VDS (V) ID (mA) 0 0.1 0.1 0.1 0.1 0.101 0.101 0.101 0.101 0.101
Valores simulados Valores ID (mA) medidos
0
0.04
0.04
0.04
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
Curva caracteristica para VGS=-1V
VGS=-2 V 2 3 4 5 6 7 8 9 VDS (V) 0 1 ID (uA) 0 0.111 0.222 0.444 0.444 0.888 0.888 0.888 0.888 1.776 b-
Valores simulados Valores ID (uA) 0 medidos
12
22
43
48
Curva caracteristica para VGS=-2 V
60
81
81
81
100
VGS=-3 V VDS (V) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ID (uA) 0 0.111 0.220 0.442 0.442 0.882 0.882 0.882 0.882 1.78 c-
Valores simulados Valores ID (uA) 0 medidos
9
18
40
45
56
78
78
78
Curva caracteristica para VGS=-3 V
4- Al fijar VDS=5 V y variar VGS se obtuvieron los siguientes valores de I D: -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 VGS (V) Valores ID (uA) 0.888 0.888 0.888 26 101 226 401
simulados Valores ID (uA) medidos 5- Gráfica ID vs VGS:
1.2
1.2
1.2
24
92
212
382
82
Laboratorio #1b: Desarrollo experimental del Laboratorio #1a:
Gráfica de valores medidos para V GS=0V ID vs VDS 2.5
2
) 1.5 A m (
D I 1 0.5
0 0
2
4
6
8
10
VDS(V)
Gráfica de valores medidos para V GS=-1V ID vs VDS 0.06
0.05
0.04
) A m0.03 ( D I
0.02
0.01
0 0
2
4
6
VDS (V)
8
10
Gráfica de valores medidos para V GS=-2V ID vs VDS 120 100 80
) A m 60 ( D I 40 20 0 0
2
4
6
8
10
8
10
VDS (V)
Gráfica de valores medidos para V GS=-3V ID vs VDS 90 80 70 60
) A50 m ( 40 D I 30 20 10 0 0
2
4
6
VDS (V)
Existe una variación en las curvas experimentales con respecto a las obtenidas virtualmente. Debemos recordar que al hacer mediciones en tiempo real existen muchos factores que pueden influir en el valor final y no coincidir estos con los obtenidos en un simulador, por ejemplo los equipos de medición utilizados, los mismos dispositivos electrónicos o incluso las propias condiciones en las cuales se llevaron a cabo dichas mediciones.
Laboratorio #2: Circuito #1:
Al variar V1 desde 0V hasta 10V en pasos de 1V, se obtuvieron los siguientes resultados: VGS=0
V1 (V)
VDS (V)
ID (mA)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 0.145 0.295 0.449 0.608 0.772 0.942 1.12 1.306 1.502 1.709
0 0.855 1.705 2.551 3.393 4.228 5.057 5.88 6.694 7.498 8.291
En función de los valores experimentales, el voltaje de estrechamiento es Vp≈1V (o V p≈-1V ya que es un JFET canal n), ya que a este voltaje el transistor ya empieza a conducir. La corriente máxima es I DSS≈8.29 mA.
Curva característica de experimentalmente:
ID vs VDS del circuito #1 según valores obtenidos
ID vs VDS 9 8 7 6
) A5 m ( 4 D I 3 2 1 0 0
0.5
1
1.5
2
VDS (V)
Circuito #2:
a- Al variar R3 para llegar a un valor de V GS, se obtuvieron los siguientes resultados de I D:
VDD fijo
VGS (V)
ID (mA)
0 -1 -1.5 -2.0 -2.5
13 7.8 5.69 3.62 1.99
b- En función de los valores obtenidos, el voltaje de estrechamiento es de aproximadamente Vp≈-3V, ya que al acercarse a este valor es que se observa que la corriente tiende a disminuir hasta acercarse a cero. La corriente máxima seria I DSS≈13 mA. Curva característica de ID experimentalmente:
vs VGS del circuito #2 según valores obtenidos
ID vs VGS 14 12
) A m (
10 8
D I
6 4 2 0 -3
-2.5
-2
-1.5
VGS (V)
-1
-0.5
0
CONCLUSIONES
Al término de este informe podemos decir que los transistores JFET tienen una importancia relevante en la aplicación de circuitos integrados utilizados con mucha frecuencia para la construcción de dispositivos cuya función principal es amplificar. Estos tienen ventajas y desventajas en cuanto a otros tipos de transistores como los BJT.
Pudimos observar mediante Multisim el comportamiento que tiene la corriente de drenaje con respecto a la variación del voltaje drenaje- fuente con un voltaje específico de compuerta-fuente. Vimos por ejemplo que esta corriente primero aumenta en forma lineal hasta que presenta un efecto de transición hacia una zona en la que se mantiene constante.
También observamos la variación que tiene esta corriente de drenaje con una variación en el voltaje de compuerta-fuente , la cual va desde un valor máximo cuando el voltaje V GS es cero hasta un valor de cero cuando VGS alcanza el voltaje de estrechamiento.
Podemos mencionar también que es importante saber las características de funcionamiento y parámetros de estos transistores para poder calcular y saber cuál es el punto correcto de operación y así poder ver si es el transistor indicado dependiendo de la función que queremos.
Por ultimo podemos decir que al terminar este informe hemos afianzado los conocimientos sobre lo que son los JFET. El mundo de estos dispositivos es bastante amplio y esta es la base para empezar a crearnos una mente preparada para el futuro desarrollo de diferentes proyectos en diversas áreas de aplicación, principalmente en nuestro rol de futuros ingenieros.
BIBLIOGRAFÍA
http://es.wikipedia.org/wiki/JFET
http://pendientedemigracion.ucm.es/info/electron/laboratorio/compone ntes/codigos/pag07-03.htm
