Polarización del Transistor JFET y MOSFET LABORATORIO CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I
1
Informe: “Polarización del Transistor JFET y MOSFET” Cristian Vargas, Martín Bustamante and Sebastián Bedoya
Abstract — In this work were implemented for biasing circuits and MOSFET transistors JFET, in order to find out the characteristic curves (Id vs Vds) and input (Id vs. Vgs). We observed the behavior of transistors operating in some regions.
Key Words — JFET, JFET, CMOS. Voltaje, Id, Vds, Vgs.
NTRODUCCIÓN I. I NTRODUCCIÓN
L
os transistores de efecto efecto de campo o FET ( Field Electric Transistor ) son semiconductores controlados por la tensión entre el dreno ( Drain) y la fuente (Source) VDS, y también por la tensión entre la puerta (Gate) y la fuente (V GS). Los transistores de efecto de campo se comportan de dos maneras dependiendo de su voltaje VDS, cuando este voltaje es menor al voltaje de estrangulamiento (para los JFET es llamado V P, y para los MOSFET es llamado V TH. Este voltaje nos lo da el fabricante del dispositivo), se dice que el transistor se encuentra en una región óhmica donde su corriente es muy pequeña. Cuando su voltaje V DS, es mayor a este voltaje de estrangulamiento estrangulamiento se dice que el transistor se
II.
OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA
1. Analizar el comportamiento del transistor FET en circuitos de polarización. 2. A partir de las mediciones obtenidas, comparar los resultados teóricos con los resultados prácticos. 3. Utilizar herramientas de simulación para analizar el comportamiento de los circuitos implementados.
encuentra en la región de saturación y la corriente I D, solo va a depender del voltaje V GS.
_____________________ ______________________________ _________ Preinforme elaborado para el curso de Laboratorio de Dispositivos Electrónicos I. Febrero-Junio Febrero-Junio de 2012. Cristian A. Vargas. Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Universidad del Valle, Cali, Colombia.; e-mail:
[email protected]. Código: 201040699 Juan Martín Bustamante. Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Universidad del Valle, Cali, Colombia.; e-mail:
[email protected] Código: 200932017 Juan Sebastián Bedoya.Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Universidad del Valle, Cali, Colombia.; e-mail:
[email protected] Código: 200934864
ESULTADOS III. R ESULTADOS
A. Transistor JFET.
Polarización del Transistor JFET y MOSFET LABORATORIO CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I
2 Figura 2. Gráfica para datos Tabla 1. Experimentalmente para el análisis de la práctica se procedió a utilizar el dispositivo JFET con referencia 2sk161, cuyas especificaciones son las siguientes:
Vgs = 0, Idss= 10 [mA], Vp = -4 [V].
Figura 1. Circuito de polarización del JFET. Trace la función característica de salida ID vs VDS con VGS = 0. Mida varios valores ( mínimo 10 pares de datos) y grafíquelos. A1.
De acuerdo a la Fig. 1, se gradúan los voltajes V GS = 0 y un VDS < V P, el V DS será nuestro voltaje a variar para obtener la grafica I D vs VDS.
Al variar el voltaje Vds se obtienen los datos experimentales mostrados en la Tabla 2. TABLA 2. Datos Experimentales para curva característica de salida.
Vgs = 0, Idss= 10 [mA], Vp = -4 [V].
VDS [V]
ID [mA]
0
0
Tomando distintos valores de Vds se calcula el valor correspondiente de Ids. Los datos se muestran en la Tabla 1.
0.51
0.7
0.83
1.17
TABLA 1. Datos para curva característica de salida.
1.29
1.56
1.74
2.12
2.30
2.73
2.61
3.17
2.77
3.73
2.84
4.3
2.9
5.50
VDS [V]
ID [mA]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 2.34 4.37 6.1 7.5 8.6 9.37
3.5
9.84
4
10
5
10
Y la grafica de la característica de salida se muestra en la Fig. 3.
La gráfica para los datos de la Tabla 1 se muestra en la Figura 2.
Figura 3. Gráfica para datos Tabla 2. Obtenga la función característica de entrada ID vs VGS ajustando VDS para operar en la región de saturación A2.
Polarización del Transistor JFET y MOSFET LABORATORIO CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I
3
(corriente constante). Mida varios valores ( mínimo 10 pares de datos) y grafíquelos. Se gradúa el valor de V DS > VP, para que el transistor se encuentre en zona de saturación y solo dependa de V GS: Vds = 8, Idss= 10 [mA], Vp = -4 [V] Tomamos valores de Vgs desde -4 [V] a 0 [V].
-2,5 -2 -1,5 -1
0,23 0,63 1,32 2,163
-0,5
3,054
0
4,23
TABLA 3. Datos para función característica de entrada. VGS [V]
ID [mA]
-4 -3.5 -3.2 -3 -2.5 -2 -1.5 -1
0 1.25 2 2.5 3.75 5 6.25 7.5
-0.5
8.75
0
10
Figura 5. Gráfica para datos Tabla 4.
Obtenga los valores reales de Vp e IDSS para el transistor JFET canal N adquirido. A3.
El valor real de V P y de IDSS, son los valores donde el transistor esta en saturación y se hallan así: Si VGS = 0, entonces I D = IDSS. Si ID = 0, entonces V GS = VP. IDSS = 4,23 [mA] , y V P = -4 [V]. Y de manera experimental en la Tabla 4 tenemos que: IDSS = 10 [mA] , y V P = -3.5 [V].
Figura 4. Gráfica Datos Tabla 3. Al variar el voltaje Vgs desde desde -4 [V] a 0 [V], y con Vgs = 8 [V], se obtienen los datos experimentales mostrados en la Tabla 4. TABLA 4. Datos Experimentales para función característica de entrada. VGS [V]
ID [mA]
-4 -3,5 -3,2 -2,9
0
0,003 0,012 0,084
Polarizando el transistor en la región óhmica, tome valores, calcule rDS y grafique rDS vs. VGS. A4.
Para hallar el valor resistivo del transistor, se debe tener en cuenta que el transistor debe estar polarizado en la región óhmica. Por esta razón fijamos el Vds en 2 [V], y variaremos Vgs de 0 [V] a 8[V]. Vds = 2 [V], Idss= 10 [mA], Vp = -4 [V] Rds = Vds / Id = 2 / Id Teóricamente se obtienen los datos mostrados en la TABLA 5. TABLA 5. Datos Cálculo Rds.
Polarización del Transistor JFET y MOSFET LABORATORIO CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I VGS [V]
ID TEO [mA]
R DSTEO [Ω]
0 1 2 3 4 5 6
7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
266.67 200 160 133.33 114.28 100 88.89
7
25
80
8
27.5
72.72
Al graficar los datos de la Tabla 5 se obtiene la gráfica de la Figura 6.
4
Figura 7. Gráfico para Datos Tabla 6. A5. Haga los cálculos necesarios e implemente el circuito de polarización por división de tensión para obtener un punto de operación lineal con ID = IDSS /2 y VDS = VDD/2. Se implemento el circuito de la Fig. A2 con V DD=12V, R 1=2,134kΩ, R 2=1kΩ, R S=1KΩ, R D=200Ω. VDD
R1
RD
Q1 2SK161
Figura 6. Gráfico para Datos Tabla 5. De manera experimental también se fija Vds = 2[V] y se varia Vgs de 0[V] a 8[V] y Rds = Vds / Id = 2 / Id, los datos producto de estas mediciones se muestran en la TABLA 6. TABLA 6. Datos Experimentales de Rds. R DSTEO [Ω]
R2
Figura A2. Polarización por divisor de voltaje. Al realizar el cálculo con los valores reales de Vp e IDSS se obtuvo: Punto de operación Teórico.
VGS [V]
ID TEO [mA]
0 1 2 3 4 5 6
6,7818
294,91
9,51
210,30
10,144
VDS
197,16
ID
11,412
175,25
11,6022
172,38
15,216
131,44
18,6396
107,30
7
23,458
85,26
8
31,7
63,09
Al graficar los datos de la Tabla 6 se obtiene la gráfica de la Figura 7.
RS
Punto de operación
7,19 4,02
De manera experimental al realizar el montaje de la Figura A2. Se obtuvo el punto Q presentado a continuación: Punto de operación Teórico. Punto de operación VDS
8,23
Polarización del Transistor JFET y MOSFET LABORATORIO CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I ID
5
5,34
B. Transistor MOSFET
Figura 9. Gráfico para datos Tabla 7.
R1 1k
V1
M1
M1(G)
NMOSFET3
18V
Al realizar el montaje de manera experimental con el mismo MOSFET BS170, al aumentar el voltaje VGS la corriente de Dreno media es consignada en la Tabla 8. TABLA 8. Datos Experimentales Función de entrada MOSFET
Figura 8. Polarización para el MOSFET Obtenga la función característica de entrada ID vs. VGS ajustando VDS para operar en la región de saturación (corriente constante). Mida varios valores (mínimo 10 pares de datos) y grafíquelos. B.1.
El transistor usado para el desarrollo de la práctica fue el MOSFET BS170 con VT=2,1V y K=3,1m Se implementa el circuito de la figura 8.V 1 se tomó a un voltaje alto de 18V (zona de saturación), una vez fijado este voltaje se procede a incrementar el valor de V GS y se mide la corriente de dreno, los resultados se pueden observa en la tabla 7.
VGS[V]
ID (Teórico)
0 1 2 2,1 2,2 2,25 2,3 2,4 2,45 2,5 2,6
0 0 0 0,226 0,602 1,529 2,121 2,823 3,743 4,872 6,421
Al graficar los datos de la Tabla 8 se obtiene la figura 11
TABLA 7. Datos Función de entrada MOSFET VGS[V]
ID (Teórico)
0 1,04 2,06 2,14 2,19 2,24 2,27 2,3 2,33 2,36 2,4
0 0 0 0,107 0,545 1,319 1,945 2,693 3,561 4,551 6,059
Al graficar los datos de la Tabla 7 se obtiene la figura 10
Figura 10. Gráfico para datos Tabla 8. B.2. Trace la función característica de salida ID vs. VDS con VGS > VT. Mida varios valores ( mínimo 10 pares de datos) y grafíquelos.
Polarización del Transistor JFET y MOSFET LABORATORIO CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I
6
Se implementó el circuito de la figura 9, para este caso se fija el voltaje V GS>VT, se procede a incrementar el voltaje V1 con el fin de aumentar el V DS y se mide la corriente de dreno, los valores son mostrados en la tabla 9. TABLA 9. Datos Función de entrada MOSFET VDS[V]
ID (Teórico)
0 0,002 0,008 0,014 0,01 0,02 0,04 0,6 1,2 2 3
0 0,242 0,965 1,68 1,20 2,39 4,74 48,47 54,53 54,53 54,53
3,006
3,00428
3,024
3,9731
3,042
4,9312
3,03
4,288
3,06
5,8826
3,12
9,0316
4,8
67,6298
6,6
75,7502
9
75,7502
12
75,7502
Graficando los datos de la tabla 10 se obtiene la función característica de salida:
Graficando los datos de la tabla 9 se obtiene la función característica de salida:
Figura 12. Función característica de salida Experimental Tabla 10. B3.
Obtenga los valores prácticos de VT y la constante K.
El voltaje V GS para el cual el transistor comienza a conducir es el denominado V T. El valor de K es la pendiente de la Grafica C vs Id donde c esta dada por: Figura 11. Función característica de salida.
De manera experimental se fija el voltaje V GS>VT y se procede a incrementar el voltaje V 1 con el fin de aumentar el VDS y se mide la corriente de dreno, estas medidas son consignadas en la tabla 10.
En la tabla 9 se muestra los datos obtenidos de C. TABLA 11. Datos teóricos para hallar K. 2
TABLA 10. Datos Experimentales función de entrada MOSFET VDS[V] 0
ID(mA) (Experimental) 0
C[V ]
Id [mA]
0,0064 0,0169 0,0324 0,0441
2,06 3 4,03 5,12
Polarización del Transistor JFET y MOSFET LABORATORIO CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I 0,0576 0,0729 0,09 0,1156
6,05 7,09 8 9,35
7 Figura 14. Datos linealizados Experimentales para obtener K A partir de la grafica el valor de K es K=67,33. Desarrollar un Circuito Comparador Empleando la característica del MOSFET de no conducir para V GS menores a V GS(Th). B4.
Se implementó un circuito que opera como comparador, de tal forma que si una señal de entrada supera una señal de referencia (fija, pero ajustable), debe producir una salida alta o baja y si es menor entonces genera una respuesta opuesta. El circuito para implementar el comparador, se muestra en la siguiente figura 13. Figura 13. Datos linealizados teoricos para obtener K Se puede obtener el valor de la constante K a partir de la gráfica de la figura 12. K=67,33. Con los datos experimentales también se procedió a Graficar C vs Id, los datos de C vs Id se encuentran en la tabla 12. TABLA 12. Datos experimentares para hallar K. 2
C[V ]
Id [mA]
1,14
3,01
1,15
4,24
1,17
5,59
1,18
7,02
1,20
8,24
1,22
9,61
Figura 15 Comparador con MOSFET. Ahora al realizar la respectiva simulación del circuito se obtiene el montaje de la Figura A14. D1 D1N4004
1,24
10,80
1,27
12,58
V1 R2
R3
1k
12Vdc
1k
V2
M2
4Vdc
M2SK700
R4 1k
Figura A14.: Circuito comparador simulación La gráfica obtenida de la simulación de se muestra en la Figura A15.
Polarización del Transistor JFET y MOSFET LABORATORIO CIRCUITOS ELECTRÓNICOS I
8 En la cual finalmente se logra corroborar que después de 3,46v el valor de la corriente cambia abruptamente, según lo dispuesto con el propósito del circuito comparador, en donde se impuso que para valores mayores a este la salida fuera máxima, y en los casos opuestos la respuesta fuera nula. CONCLUSIONES En los JFET, el valor de la corriente de dreno Id, es proporcional a la diferencia entre Vgs y Vp. Luego, cuanto mayor sea Vgs - Vp, mayor será la la corriente obtenida.
Figura A15.Resultados simulación. En la gráfica anterior se pueden observar que el punto de quiebre: 2,89[V] hace alusión al primer cambio que se genera en el circuito, esto es cuando el voltaje de V2 supera el VG(off) del dispositivo BS170. Según el fabricante este valor debe ser alrededor de 3,5 [V]. Los datos obtenidos en el laboratorio fueron: V (volts) 0 1,1 2,13 3,46 4 5,09 6,03 7,21 8,01 9,07 10,12 11,13
ID (mA) 0 0,2 0,2 0,27 9,85 11,11 11,13 11,13 11,13 11,14 11,14 11,16
Tabla 13: Datos obtenidos para V DS=12V
La grafica resultante en el laboratorio es:
En un JFET canal N la corriente crece proporcionalmente a una tensión VDS. Sin embargo este crecimiento no depende más de V DS cuando se llega a V DSAT. Después, se trabaja en la región de saturación en la que las variaciones de I D sólo dependen de VGS. Los dispositivos JFET y MOSFET son bastante delicados, así que se debe tener mucho cuidado en su manejo. Las curvas características obtenidas experimentalmente presentan el comportamiento esperado con el modelo teórico, las diferencias en los datos se presentan por lo rangos de los parámetros especificados en el datasheet. El valor de la constante K no es proporcionado en el datasheet, lo cual no nos permite comparar el teórico y el simulado con uno real.
R EFERENCIAS. [1] Millman J., Halkias C., (2001). Dispositivos y Circuitos Electrónicos, Madrid: Pirámide. [3] Tocci R., (1987). Dispositivos y Circutos electrónicos, México: INTERAMERICANA. [4] Robert L Boylestad (1992 ) Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, sexta edición, paginas 114-215 [5] Albert Paul Malvino (1989). Principios de electrónica, tercera edición, Páginas 55-131 [6] Guía de prácticas de Laboratorio de Circuitos Electrónicos, Universidad del Valle. http://ccpot.galeon.com/enlaces1737099.html (Abril 11 de 2009) http://www.slideshare.net/mdovale/mosfet-jfet( Abril 13 de 2009)
Figura A16: Circuito comparador con MOSFET
