Escuela Tecnología Industrial
1
Amplificador con JFET Resumen— —Diodo, Rectificació Rectificación, n, Señal, Filtro, Filtro, Palabr Palabras as claves claves —Diodo, Condensador, Onda.
I. INTRODUCCIÓN os disposi dispositiv tivos os electr electróni ónicos cos son amplia ampliamen mente te utiliz utilizado adoss en el desarr desarrollo ollo de divers diversos os equipo equiposs electrónicos. Por ejemplo los diodos semiconduct semiconductores ores son elementos elementos !"sicos !"sicos que pueden pueden ser utilizados en la construcción de equipos conversores de ener#$a como los recti%icadores o !ien %uentes de poder DC. Otros dispositivos como el transistor de unión !ipolar !ipolar o &'T son implement implementado adoss como como driv drive e o !ien como ampli%icadores siendo estos controlados por una se(a se(all de corr corrie ient nte. e. )n part partic icul ular ar esto estoss *lti *ltimo moss dispositivos dispositivos pueden variar en la se(al de control o !ien el tipo de entrada que ampli%icar" puede ser modi%icada a una una se(a se(all de volt voltaj aje e a esto estoss se les les deno denomi mina na +Transistores de )%ectos de Campo,. Por lo cual e-isten mucas similitudes e importantes di%erencias entre los distintos tipos de transistores / sus con%i#uraciones. 0as si#uientes e-periencias permitir"n estudiar analizar / comprender el %uncionamiento de los transistores de e%ecto e%ecto de campo campo en una con%i# con%i#ura uració ción n que permit permita a ampli%icar una se(al alterna.
De la misma manera que los &'T npn / pnp a/ 4)T de canal = n / canal > p. 2in em!ar#o es importante considerar que el &'T es un dispositivo !ipolar el pre%ijo !i indica que el nivel de conducción es una %unción de los portadores de car#a los electrones / los uecos. )l 4)T es un dispositivo unipolar que depende *nicamente de la conducción o !ien de electrones 9canal=n: o de uecos 9canal=p:. (Ver Fig.)
0
4i#.? Canales del transistor JFET. J FET.
0a %i#ura muestra una sección de semiconductor tipo n. )l e-tremo in%erior se llama %uente 9source: / el superior drenador 9drain:. 0a %uente de alimentación @DD o!li #a a los electrones li!res a circular desde la %uente acia el drenador. Para producir un '4)T el %a!ricante di%unde dos "reas de semiconductor tipo p en el semiconductor tipo n como se muestra en la %i#ura. )stas dos "reas p est"n conectadas internamente para tener un solo terminal de cone-ión e-terno llamado puerta 9#ate:.
II. II. C1R1C C1R1CT)R T)RI2 I2TI TIC1 C12 2 3)N)R 3)N)R10 10)2 )2 Transistor '4)T 56u7 es8 )l transistor de e%ecto de campo 94)T: 9por sus si#las en in#l7s de 4ield )%%ect Transistor: es un dispositivo de ; terminales que se utiliza para aplicaciones diversas que se asemejan en una #ran proporción a las de &'T. 0a di%erencia !"sica entre los dos tipos de transistores es el eco de que el &'T es un dispositivo controlado por corriente, mientras que mientras que el '4)T es un dispositivo controlado por voltaje. ( Ver Ver Fig.1).
4i#. < Transistor BJT y JFET.
Efecto de Campo 0a %i#ura muestra la manera normal de polarizar un '4)T '4)T.. 0a tens tensió ión n de alim alimen enta taci ción ón del del dren drenad ador or es positiva positiva / la de la puerta ne#ativa. ne#ativa. )l t7rmino t7rmino e%ecto de campo se relaciona con las zonas de deple-ión que rodean a cada zona p. 0as uniones entre cada zona p / las zonas n tienen capas de deple-ión de!ido a que los electrones li!res se di%unden desde las zonas n en las zonas p. 0a recom!inación de los electrones li!res / los uecos crea las zonas de deple-ión mostradas por las "reas som!readas.
Escuela Tecnología Industrial
2
En la figura a vemos un transistor JFET y en la figura b vemos un BJT.
Corriente de Puerta )n la %i#ura la puerta tipo p / la %uente tipo n %orman el diodo puerta=%uente. )n un '4)T siempre polarizamos en inversa el diodo puerta=%uente. De!ido a la polarización inversa la corriente de puerta I3 es apro-imadamente cero o lo que es equivalente un '4)T tiene una resistencia de entrada casi in%inita.
Ecuaciones importantes para BJT y JFET .
Polarizacin del JFET )n el transistor de e%ecto de campo la relación entre las cantidades de entrada / de salida es no lineal de!ido al t7rmino cuadr"tico en la ecuación de 2ocAle/. 0as relaciones lineales resultan en l$neas rectas cuando se di!ujan en una #r"%ica de una varia!le en %unción de la otra mientras que las relaciones no lineales dan por resultado curvas como las que se o!tuvieron para las caracter$sticas de trans%erencia de un '4)T. 0as relaciones #enerales que pueden aplicarse al an"lisis en dc de todos los ampli%icadores a 4)T son los que mostraremos a continuación. (Ver Fig.1).
Relaciones Importantes Tanto este cap$tulo como el anterior se presentaron las caracter$sticas de operación / ecuaciones importantes para los &'T / '4)T. )s particularmente importante o!servar que todas las ecuaciones anteriores son solo para el dispositivo. !stas no cam"ian con cada configuración de red, siem#re $ cuando el dis#ositi%o se encuentre en la región acti%a. )l '4)T puede estar polarizado en la ómica o en la zona activa. Cuando lo polarizamos en la zona óhmica, el JFET es equivalente a una resistencia. Cuando lo #olari&amos en la &ona acti%a, el 'F! es
Escuela Tecnología Industrial
3
eui%alente a una fuente de corriente. )n esta sección e-pondremos la polarización %ija el m7todo m"s com*n para polarizar un '4)T en la zona ómica.
Configuracin de Polarizacin Fi!a )l resistor R3 est" presente para ase#urar que @I aparezca en la entrada del ampli%icador para el an"lisis en dc se tiene )n la %i#ura aparece la con%i#uración m"s simple para el '4)T canal=n esta es llamada polarización %ija la cual es de las pocas con%i#uraciones que se pueden resolver de manera #r"%ico / tam!i7n mediante m7todo matem"tico. I3 B 1E / @ R3 F I3.R3 F @E G aplicando una 0@H se o!tiene @33 J @32 F @33 F =@32 )l nivel de ID se o!tiene aplicando la ecuación de 2ocAle/
1 continuación mostraremos los circuitos de la red para el an"lisis en dc 9 Ver Fig.a). G la con%i#uración de polarización %ija 9Ver Fig.")
4i#.!
Configuracin de "utopolarizacin 0a corriente a trav7s de R2 es la corriente de la %uente I2 pero I2FID 0a con%i#uración de autopolarización elimina la necesidad de dos %uentes DC. )l voltaje de control de la compuerta a la %uente aora lo determina el voltaje a trav7s del resistor R2. 0a corriente a trav7s de Rs es la corriente de la %uente Is pero IsFI D. @Rs F ID.Rs 1plicando 0@H se o!tiene @32 J @RsF @E @32F =@RsF =ID.Rs
4i#.a
)l nivel de ID se o!tiene aplicando la ecuación de 2ocAle/.
1 continuación veremos en las im"#enes la red para el an"lisis en DC (Ver Fig.a) / tam!i7n la con%i#uración de autopolarización (Ver Fig.").
Escuela Tecnología Industrial
4
1 continuación mostraremos el circuito de divisor de voltaje en DC (Ver Fig.a) / en 1C (Ver Fig.").
4i#.a
4i#.a
4i#.! Configuracin de #ivisor de $olta!e
0a con%i#uración mediante divisor de voltaje %ue vista en los transistores &'T / tam!i7n puede aplicarse a los ampli%icadores '4)T. 0a construcción !"sica es e-actamente la misma pero el an"lisis en DC para cada una es di%erente.
4i#.!
1plicando 0@H se o!tiene lo si#uiente 1ora la recta de car#a de%inida por la ecuación anterior no pasara por el ori#en de!ido al tipo de polarización utilizada para o!tener los puntos que de%inen la recta de car#a se ace el si#uiente an"lisis. @32 F @3 > ID.Rs @32 F @3 Cuando la corriente IDF1E
0a e-presión anterior inclu/e dos varia!les que aparecen en la ecuación de 2ocAle/ @32 e ID.
IDF
Vg Rs
cuando el voltaje @32F@E
Escuela Tecnología Industrial
5
transconductancia es i#ual a la corriente alterna de drenador divida entre la tensión alterna entre puerta= %uente. 0a transconductancia nos dice cu"n e%ectiva es la tensión de puerta=%uente para controlar la corriente de drenador. A maor transconductancia, maor control ejerce la tensión de puerta so!re la corriente de drenador.
Recta de carga a.
0a unidad mo corresponde a la razón entre la corriente / la tensión. )l equivalente %ormal / la unidad actual del mo es el siemens 92:. 0a ma/or$a de las ojas de caracter$sticas contin*an utilizando el mo en lu#ar del siemens. Pendiente de la caracter%stica de transferencia
)n la si#uiente %i#ura (Ver Fig.a) presenta el si#ni%icado de #m en t7rminos de la curva de trans%erencia. )ntre los puntos 1 / & un cam!io en @32 produce un cam!io en ID. 0a relación entre la variación de ID / la variación de @32 es i#ual al valor de #m entre 1 / &. 2i seleccionamos otro par de puntos en una zona m"s alta de la curva por ejemplo C / D o!tenemos una ma/or variación en ID para una variación dada de @32. Por tanto #m es la pendiente de la curva en el punto 6 ma/or ser" la transconductancia. Recta de carga b.
Con el punto de operación /a o!tenido se puede analizar de manera usual la con%i#uración o!teniendo las si#uientes ecuaciones
4i#.a )n la si#uiente %i#ura (Ver Fig.") muestra un circuito equivalente simple para peque(a se(al de un '4)T. )ntre la puerta / la %uente a/ una resistencia mu/ #rande R32. )l drenador de un '4)T act*a como una %uente de corriente con valor de #m v#s. 2i conocemos #m / v#s podemos calcular la corriente alterna de drenador. Transconductancia
Para analizar ampli%icadores con '4)T necesitamos estudiar un par"metro para se(al que se denomina transconductanciaK se indica por medio de gm. 2im!ólicamente la transconductancia est" dada por
4i#.! )ste par"metro es similar a la #anancia de corriente L para un &'T. )sta ecuación indica que la
Circuito E&uivalente para pe&ue'a se'al JFET.
Escuela Tecnología Industrial
Transconductancia y tensin puerta ( fuente de corte
@32 9o%%: es di%$cil de medir con e-actitud mientras que ID22 / #m se miden mu/ %"cilmente / con #ran e-actitud. Por lo tanto @32 9o%%: se o!tiene normalmente con la si#uiente ecuación.
6
= =
? Condensadores de Q. V4ES@E. < Condensador de <V4ES@E.
)ista de instrumentos* + + + + +
Multitester Di#ital. Proto!oard. 3enerador de %unciones. 4uente de poder DC. Osciloscopio Di#ital.
Circuitos a implementar*
)n esta ecuación #m es el valor de la transconductancia cuando @32 F @E )sto es lo que acen los %a!ricantes en las ojas de caracter$sticas. Cuando @32 F @E #m alcanza su m"-imo valor. )ste se desi#na por #m. Cuando @32 es ne#ativa disminu/e el valor de #m. 0a ecuación de #m para cualquier valor de @32 es
O!serve que #m disminu/e linealmente cuando @32 se ace m"s ne#ativa como se muestra en la si#uiente %i#ura (Ver.fig.a).
4i#.a
*m#lementar una red de #olari&ación (solo #arte DC), #ara un am#lificador con 'F! en configuración Source Com+n (Fig.1(a)). O"tenga VDS $ *D tilice un 'F! -/0. Considere una tensión de alimentación VDD 1 2V3, R1 452673 (8otenciómetro de 9 2673), R 12673, RD .2673, RS .2673. 1l medir con un multitester di#ital se o!tuvo los si#uientes valores @aria!le @alor medido @D2 QW @olt ID ? m1
Reali&ar an:lisis teórico, es#ecificando el #unto de o#eración %alor de *D, VDS $ V;S (o"tener matem:ticamente).
III. PROC)DIMI)NTO )P)RI)NCI1 )n el si#uiente la!oratorio realizaremos un circuito de divisor de tensión con un transistor '4)T pero primero nom!raremos los componentes electrónicos / se mostraran los circuitos que de!emos realizar en esta e-periencia. )ista de componentes*
= = =
< potenciómetro de ?HE. < Transistor '4)T ?NQ. ; Resistencias de ?.? HES. E.
Para calcular el punto 6 utilizamos la si#uiente %ormula Donde @ccF<@E R
Escuela Tecnología Industrial
7
IdssF W m1m1E @PF=@E estos *ltimos datos son o!tenidos se#*n el dataseet del transistor.
ID I3 @32 @3 @D @2 @D2
0ue#o de!emos Calcular ID la cual lo aremos de la si#uiente %orma
? m1E =Q< @E <; @E <W @E QQY @E QW @E
a"la 1. Datos medidos. Despejando ID nos queda la si#uiente ecuación
Comparacion Teorico @2 Medido
@aria!le
Reemplazando los valores / despejando nos queda
ID I3 @32 @3 @D @2 @D2
@alor medido ? m1E =Q< @E <; @E <W @E QQY @E QW @E
@alor teorico ?W m1E =QW @E << @E <Q @E QW @E @E
a"la . Com#aración e>#erimental %ersus teórico Calcular gm (transconductancia) del 'F!. 2e tiene que ID
Para calcular la transconductancia se requiere la si#uiente %ormula
@#s< F = ID< - R2 F =<< @ @#s? F = ID? - R2 F =QW Por ende ID F ?W m1 @#s F .QW @
Teniendo @32F =QW @E K I D22F Wm1E Reemplazando los valores nos da un resultado de
1ora teniendo estos valores podremos se#uir calculando lo pedido por la actividad
?cti%idad @
tili&ando aco#lamiento ca#aciti%o de entrada $ salida (C1 /.A2BF3 9 2V3), $ adem:s (C 192BF3 9 2V3) (%er fig. 1") , Considere una carga R . 2673 $ una señal de entrada sinusoidal de am#litud 199 2mV3 con una frecuencia de o#eración de 1 26E&3. Re#etir #ara una carga de 12673.
Escuela Tecnología Industrial
"
Para una car#a de ?? AXE la se(al entre#ada %ue la si#uiente
Con una car#a de < AXE @aria!le
2e(al entrada
2e(al 2alida
@ma-
m@
< m@
Ta!la Q. Datos medidos con una car#a de <AXE Como podemos o!servar e"iste una ampli#icación, pero al disminuir la carga esta ampli#icación disminue.
eóricamente@ 4i#ura ;. 2e(al de entrada 9?: comparada con la se(al de salida 9<: con una car#a de ?? HX a una %recuencia de operación de < HZz / una amplitud de < m@
Reemplazando en como resultado
Para una car#a de <AXE la se(al entre#ada %ue la si#uiente
nos da
Para una Car#a de
1@
?? HX
=Q;
< HX
=?YW
Ta!la . 3anancia calculada teóricamente
Con los %alores #ractico la ganancia seria la siguiente@ Primero ocupamos la si#uiente %ormula
Para una 1@ Car#a de
4i#ura Q. 2e(al de entrada 9?: comparada con la se(al de salida 9<: con una car#a de
?? HX
=??
< HX
=<QY
Ta!la Y. 3anancia calculada con valores pr"cticos.
*V. CO-CS*-
0os datos entre#ados por el osciloscopio di#ital %ueron los si#uientes R)4)R)NCI12
Con una Car#a de ?.? AXE @aria!le
2e(al entrada
2e(al 2alida
@ma-
m@
? m@
Ta!la ;. Datos medidos con una car#a de ?.? AXE
$%&', E )*%+ E$ECT'-%C /E C*0 1 2'A/ 0E/% 1!
1P0IC1D1 .3M
C)O )0)CTRÓNIC1
>