Circuitos Analógicos Informe de laboratorio 3 Transistores de Efecto de Campo: JFET y MOSFET
Integrantes: Jaime Malpica Gustavo Mendoza Richard Sempertegui
Profesor: Ramiro Moro
Asistente: Jose Avalos
Fecha de Entrega: 01/10/2017
2017-II
El Transistor de Efecto de Campo (JFET) Objetivos 1. Verificar el principio de operación del JFET y MOSFET por medio de la generación de las curvas características del dispositivo. 2. Experimentar y diseñar técnicas de polarización de transistores JFET y MOSFET. 3. Familiarizarse con las hoja de especificaciones (datasheets) del JFET y MOSFET. 4. Explicar, a través de los modelos teóricos del FET MOSFET, así como los conocimientos de circuitos eléctricos, el comportamiento del transistor, para compararlos con la teoría presentada en el curso, y con los valores obtenidos usando el simulador Multisim.
Revisión de Conceptos Teóricos El transistor de efecto de campo (FET) es un dispositivo semiconductor que puede ser polarizado en DC de manera que opere en dos posibles regiones: región óhmica y región de saturación (la 3ª región, de ruptura, es destructiva). Los FET exhiben una alta resistencia de entrada como resultado de la presencia de un diodo o región de semiconductor de tipo opuesto al semiconductor usado para el sustrato y por ende para el canal. En el caso del JFET de canal-n, se aplica un voltaje entre la compuerta ( gate) y la fuente (source), denominado VGS, de polaridad negativa, que causa la formación de una región de agotamiento, lo que reduce la apertura del canal de conducción entre la fuente y el drenador (drain). Conforme se el voltaje VGS se hace más negativo, se llega a un potencial en el que el canal se cierra o estrangula que llamamos voltaje de estrangulamiento V P ( pinch-off voltage). A diferencia de los transistores bipolares, en los FET usamos un voltaje de entrada para controlar la corriente de salida I D del transistor. Además, la función de transferencia de transconductancia (VGS versus ID) es una función cuadrática.
Para todos los FET, incluyendo el JFET:
=0
=
Para los JFET y D-MOSFET: = (1 −
)
2
Ignorando la impedancia de salida del JFET, r d, la ganancia de voltaje del amplificador fuente común con autopolarización, con RS (resistor de fuente). En ambos casos, obsérvese que el signo negativo de la ganancia indica que la señal de salida está desfasada 180° con respecto a la señal de entrada.
El MOSFET (de enriquecimiento) Los MOSFET que se utilizarán en este laboratorio vienen empaquetados en un circuito integrado de 14 terminales llamado CD4007. Estudie el diagrama de este circuito integrado en la Figura 0, que contiene un total de 6 MOSFETs (3 de canal n y 3 de canal p). Aunque internamente algunos de sus terminales están interconectados para facilitar su uso como compuertas lógicas digitales, es posible acceder a cada uno de los terminales de todos los MOSFETs individualmente desde el exterior del circuito. Esto último es lo que haremos en este laboratorio.
Como se estudió en clase, los MOSFETs tienen en realidad 4 terminales: compuerta ( gate, G), drenador (drain, D), surtidor o fuente (source, S) y sustrato (substrate, B). En el CD4007, los sustratos de todos los dispositivos de canal n están conectados al pin 7. Asimismo, los sustratos de todos los dispositivos de canal p están conectados al pin 14. Para el funcionamiento correcto de los MOSFETs, Ud. debe conectar el pin 7 al potencial más bajo de su circuito (usualmente es tierra o GND) y debe conectar el pin 14 al potencial más alto de su circuito (usualmente VDD o VCC).
Preparación
Este laboratorio guiará al estudiante a generar las curvas características de salida y de transconductancia del JFET de canal n. Además, se experimentará su uso como amplificador de pequeña señal, para lo cual será necesario determinar experimentalmente el punto de operación del mismo y verificar su operación en la región de saturación.
Equipos y Materiales Equipamiento: o
IBM PC o compatible
o
Sistema NI ELVIS II+
o
1 multímetro digital
o
2 puntas de prueba para el osciloscopio
Componentes: -
1 Transistor 2SK170 (JFET canal n) 1 Circuito integrado CD4007 1 Resistor de 1 MΩ, ½ Watts 2 Resistor de 10 kΩ, ½ Watts 1 Resistor de 270 Ω, ½ Watts 1 Potenciómetro de 100 kΩ
1 Condensador de 47uF, 50V 1 Condensador de 10uF, 50V 2 Condensadores de 1uF, 50V
Software: -
MultiSim
Seguridad Antes de empezar el experimento, dedique unos minutos a la lectura de las notas sobre seguridad en el laboratorio, incluidas en el documento que acompaña al primer laboratorio de este curso. Haga el trabajo de construcción de los circuitos sin aplicar voltaje y revise todas las conexiones antes de conectar el voltaje al circuito. Si tiene dudas, solicite al profesor o asistente de laboratorio que revise el circuito antes de energizarlo.
Procedimiento: Parte A: determinación de la curva característica de salida del JFET a) Construir el circuito de prueba de la Figura 1 en un breadboard . Preste especial atención a las polaridades de las fuentes DC a usarse (V GG y V DD). Fije ambas
fuentes al voltaje más bajo posible antes de conectarlas al circuito. Notar que VGS=-VGG. b) Instrumente el circuito para medir V GS, VDS e ID.
Circuito 1 armado
c) Fije VGS=0V y varíe VDS desde 0V hasta 15V para llenar la 1ª columna de la Tabla 1.
NOTA: si la fuente V GG no puede llegar a 0V, desconecte dicha fuente y coloque un cortocircuito entre la compuerta (G) y tierra en su lugar.
d) Repita el paso (c) para cada uno de los valores de V GS de las columnas de la Tabla 1 hasta llenarla por completo.
Tabla 1. Mediciones de curvas del JFET de la Figura 1. V DS (V)
0.0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.75 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 10.0 15.0
V GS =0.0V
V GS =-0.1V
V GS =-0.2V
V GS =-0.3V
V GS =-0.4V
V GS =-0.5V
I D (mA)
I D (mA)
I D (mA)
I D (mA)
I D (mA)
I D (mA)
0.46
0.44
0.43
0.37
0.15
0.08
1.92
1.41
0.85
0.37
0.16
0.09
3.52
2.48
1.32
0.47
0.18
0.10
4.75
3.13
1.55
0.54
0.18
0.10
5.44
3.43
1.66
0.58
0.18
0.10
5.88
3.58
1.72
0.63
0.20
0.11
6.30
3.80
1.82
0.67
0.21
0.12
6.70
4.05
1.92
0.73
0.22
0.12
7.01
4.25
2.01
0.75
0.24
0.13
7.15
4.35
2.11
0.82
0.24
0.13
7.19
4.37
2.13
0.84
0.25
0.14
7.25
4.42
2.16
0.71
0.25
0.14
7.45
4.70
2.35
0.87
0.25
0.14
7.65
4.82
2.46
0.90
0.25
0.15
e) Para el informe de laboratorio, dibuje, correctamente etiquetadas, las 6 curvas de salida ID vs. VDS cuyos puntos aparecen en cada una de las columnas de la Tabla 1. Explique y compare con la teoría vista en clase.
Gráfico 1. curvas de salida vs.
Explicación: Según la teoría vista en clase cuando al JFET se le va aumentando el voltaje drain-source para un determinado voltaje de gate en cierto punto el transistor comienza a conducir corriente. Pasado el punto de pinch-off se comporta como un amplificador y la corriente que conduce se mantendrá estable. Como se puede observar en la gráfica generada a partir de las mediciones hechas en el laboratorio, las curvas no son continuas luego del punto de pinch-off e incluso la corriente aumenta demasiado para un valor de voltaje drain-source pequeño. Además de que las curvas no se asemejan entre sí, siendo las dos primeras totalmente planas.
Parte B: El Amplificador de Fuente Común (FC) a) Construya el amplificador FC de la Figura 2 en un breadboard .
Circuito 2 armado
b) Sin conectar el generador de funciones, mida el punto de operación del amplificador (ID, VGS, y VDS) usando los voltímetros y el amperímetro. Desconecte estos instrumentos cuando termine de medir el punto de operación. Llene la Tabla 2 con sus mediciones. c) Ahora conecte el canal 1 del osciloscopio al punto marcado vi en el circuito. Conecte el canal 2 del osciloscopio a la salida vo. Conecte el generador de funciones al circuito y genera una señal sinusoidal de 1kHz y 25 V.
d) Usando el osciloscopio, mida y registre las amplitudes de la señal de salida vo, de la señal de entrada vi y calcule la ganancia de voltaje A vNL del amplificador. Registre sus resultados en la primera línea de la Tabla 3. e) Usando una resistencia de carga RL=10kW, mida las ganancias AvL y AvS. Complete la primera línea de la Tabla 3 con sus mediciones. f) Ahora retire el condensador de desacoplo CS del circuito y repita los pasos (b) a (f). Complete la segunda línea de la Tabla 3.
Tabla 2. Punto de operación del amplificador con JFET de la Figura 2. ID(mA)
Vgs(V)
Vds(V)
Con(Cs)
0.44
0.4
8.32
Sin(Cs)
0.42
0.36
7.35
Tabla 3. Mediciones conducentes a determinar la ganancia del amplificador con JFET de la Figura 2. Frec
Vs
Vi
Vo
AvNL
AvL
AvS
Con(Cs)
1 kHz
52.67mV
38.16 mV
1.467 V
31.8 dB
25.2 dB
2.8 dB
Sin(Cs)
1 kHz
201.2mV
46.63 mV
239.7 mV
13.7 dB
9.16 dB
12.7 dB
g) Compare los resultados con y sin CS. ¿Qué diferencia observa en el punto de operación? ¿Qué diferencia observa en la ganancia? Explique.
RPTA: La diferencia más notoria está en los valores de los voltajes obtenidos. Se estima que se debe a que una simulación brinda valores bajo circunstancias ideales (sin ruido, sin fallos e los valores de las resistencias, etc) . La ganancia sin embargo, resultó diferente en ambos casos, mas no por una diferencia abismal.
Explicación: La función del condensador de acoplamiento es la de cortocircuitar la resistencia de source (se observa esto cuando se realiza el análisis AC), permitiendo que la impedancia de entrada sea menor y la ganancia del final del circuito sea mayor. Por los datos obtenidos la corriente de drain y el voltaje gate-source son similares (punto de operación); mientras que los valores de la ganancias son menores cuando no se acopla el condensador.
Parte C: Simulación
a)Simule el circuito de la Figura 2 usando Multisim usando RL=10kW y registre los valores del punto de operación y de la ganancia de voltaje obtenidos por el simulador para ambos casos (con y sin CS). Registre sus resultados en las Tablas 4 y 5.
b) Compare lo obtenido en la parte (a) con los valores medidos en la Parte B. Explique.
Tabla 4. Punto de operación del amplificador con JFET usando Multisim. ID(mA)
Vgs(V)
Vds(V)
Con(Cs)
0.42
0.41
7.397
Sin(Cs)
0.42
0.41
7.397
Tabla 5. Mediciones conducentes a determinar la ganancia del amplificador usando Multisim. Frec
Vs
Vi
Vo
AvNL
AvL
AvS
Con(Cs)
1KHz
269uV
175uV
44 mV
48dB
44dB
3.73dB
Sin(Cs)
1KHz
1.27mV
216uV
16mV
37.4dB
35dB
15.39dB
Explicación: Al ser esta una simulación usando Software se puede observar de acuerdo a los datos una mayor ganancia con respecto a las mediciones obtenidas en el circuito real (armado en el laboratorio). Esto se debe principalmente a distintas pérdidas y valores no exactos de los cuales se hizo uso en el armado del circuito (resistencias con margen de error, capacitores con los valores de capacitancia no exactas, fuentes de voltaje AC y DC con pequeños incrementos o decrecimientos y por el mismo comportamiento del transistor).
Parte D :El Amplificador con MOSFET Antes de poder usar el MOSFET como amplificador, debemos determinar su curva de transferencia, es decir, la relación entre el voltaje de entrada (VGS) y el de salida (VD). Esto nos permitirá colocar el punto de operación del MOSFET en el lugar lineal adecuado usando un circuito de polarización. Ensamble el inversor con MOSFET de la Figura 3. Puede usar cualquiera de los 3 MOSFET de canal n del CD4007, pero recuerde conectar los pines 7 y 14 como se
describió al inicio de la guía.
Circuito 3 armado
a) Mida el voltaje VDS variando el voltaje de entrada VGS (lo cual conseguirá variando el potenciómetro RG). Use la Tabla 6 para registrar sus mediciones, y tome nota que deberá obtener los valores de voltaje indicados. Luego esboce una gráfica usando VGS en el eje horizontal y VDS en el eje vertical.
Tabla 6. Resultados de la medición de la curva de transferencia de MOSFET. Vgs (V)
Vds(V)
Id(mA,calculada)
11
1.7
0.1
10
1.97
0.2
9
2.14
0.3
8
2.29
0.4
7
2.42
0.5
6
2.53
0.6
5
2.64
0.7
4
2.74
0.8
3
2.84
0.9
2
2.94
1
1
3.08
1.1
0.5
3.73
1.15
Figura
4. Curva de Transferencia del MOSFET (V DS vs VGS).Curva roja es Id y curva azul es Vgs.
b) Basado en la Tabla 6 y Figura 4, ¿cuál es el voltaje umbral VT (también conocido como VGS,Th) del MOSFET, es decir, el voltaje aproximado en el cual el MOSFET empieza a conducir corriente?
VT = 1.7 voltios. La ganancia de voltaje en pequeña señal, en general, se define como DVout /DVin, es decir, está relacionada a la pendiente de la curva de transferencia. c) Encuentre el punto de operación (V GS, VDS) donde la ganancia de voltaje del MOSFET es máxima.
VGS,Q = 3.08 voltios.
VDS,Q = 1 voltio.
d) Gráficamente determine la ganancia de voltaje en pequeña señal en ese punto (¡cuidado con el signo!).
Av = 1.2 = 1.58 dB El circuito de la Figura 3 puede usarse como amplificador, para lo cual hay que agregarle un circuito de polarización que otorgue el V GS,Q necesario. Una forma es como se muestra en la Figura 5.
e) Encuentre los valores de RG1 y RG2 para polarizar el MOSFET según lo que obtuvo en la parte (c). Note que no hay solución única. Use su criterio para escoger una solución. Como referencia, usar valores altos para esas resistencias produce una alta impedancia de entrada, lo cual es usualmente algo bueno, pero aumenta la sensibilidad al ruido, lo cual es siempre malo. Construya el circuito y mida los valores del punto de operación obtenido (cuando la fuente de señal es cero). Nota: tome en cuenta que debe usar valores estándar de resistencias, es decir, sólo aquellos que estén disponibles y/o combinaciones de ellos.
RG1 = 1 kΩ
RG2 =
2 kΩ.
VGS,Q (medido) = 8 voltios. VDS,Q (medido) = 0.2 voltios. f) Tal como hizo en el caso del JFET, use el osciloscopio para medir la ganancia de voltaje del amplificador con MOSFET. Use una señal de entrada de 10mVp-p. Compare esta ganancia con la obtenida en la parte (d). recuerde que la señal a la salida no debe estar distorsionada para que su medición sea válida. Compare esta ganancia con aquella típicamente obtenida de BJTs en emisor común.
Av (medida) = 1.71 = 4.66 dB. Explicación: Debido al mismo comportamiento real del transistor MOSFET y a las curvas que se pueden obtener al variar el voltaje de gate-source y voltaje de drainsource; la ganancia para lo que tendría que ser una mismo valor de corriente drainsource debería ser el mismo; caso contrario debido a que las curvas no son continuas después del punto de pinch-off se puede observar un incremento en la corriente, lo que conlleva a un incremento en la ganancia.
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES Observaciones: 1. En el segundo experimento al generador de funciones se le tuvo que colocar un voltaje pico-pico de 30v y no de 25v como se mandaba en las especificaciones del experimento debido a que el ELVIS no permitía valores menores a 30.
Conclusiones: 1. Se comprobó que cuando se le aumenta un Voltaje drain source en un JFET la corriente drain aumenta de forma curva y no recta respecto al voltaje gain source como se ve en la teoría. 2. El condensador Cs permite al JFET tener una mejor ganancia de amplificación. 3. En el MOSFET se comprobó que la corriente circula únicamente entre el drain y la fuente y esta varía dependiendo del voltaje gain source.
Rúbrica
Competencia:
Caracterizar y experimentar el uso del JFET y MO SFET como amplificadores.
Curso:
Circuitos Analógicos
Actividad: Nombre y apellido del alumno:
Ciclo:
4
Semana:
6
Laboratorio 3: Transistores de Efecto de Campo: JFET y MOSFET Richard Sempertegui, Gustavo Mendoza Jaime Malpica
Sección:
Única
Fecha:
Período:
29 de Sept. del 2017
2017-II
José Avalos
TA:
Documentos de Evaluación Laboratorio:
X
Taller:
CRITERIOS DE EVALUACIÓN
Proyecto:
Trabajo:
Excelente
Otros:
Requiere Mejora
Bueno
No aceptable
LABORATORIO Prueba de entrada Ejecuta conexiones de equipos e instrumentos de acuerdo a los circuitos indicados, sigue indicaciones y reglas del laboratorio y culmina las tareas en el tiempo previsto Ejecuta satisfactoriamente la tarea adicional asignada
6
4
2
0
4
3
2
1,0
4
3
2
1,0
4
3
2
1,0
INFORME O TEST Presenta análisis crítico (cuadros, respuestas escritas y orales, y conclusiones analíticas) basado en mediciones y cálculos precisos ACTITUDES Participa con entusiasmo y seguridad (puntualidad, intervenciones, orden, limpieza y redacción).
2
1
0
0
Puntaje Total
Comentario al alumno:
DESCRIPCIÓN DE LA EVALUACIÓN Excelente
Completo entendimiento y realización de la actividad, cumpliendo todos los requerimientos
Bueno
Entiende y realiza la actividad cumpliendo la mayoría de los requerimientos
Requiere mejora
Bajo entendimiento de la actividad cumpliendo pocos de los requerimientos
No Aceptable
No demuestra entendimiento de la actividad
EL-4001
Prof. Ramiro Moro TA José Avalo
Basado en material didáctico del Prof. Ricardo López
