polarizacion del transistor de efecto de …de... · esto lo hace idóneo para su integración en...

________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II

POLARIZACION DEL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE UNION J-FET

(JUNTION FIELD EFFECT TRANSISTOR)

TEORIA PREVIA El transistor de efecto de campo (JFET) tiene las siguientes ventajas y desventajas con respecto del transistor bipolar VENTAJAS

- su impedancia de entrada es extremadamente alta (típicamente 100MΩ o más). - Su tamaño físico es aproximadamente un 20 o 30% del espacio que ocupa un BJT.

Esto lo hace idóneo para su integración en gran escala, sobre el MOSFET que es más pequeño que el JFET.

- Su consumo de potencia es mucho más pequeña que la del BJT. - Su velocidad de conmutación es mucho mayor que la del BJT. - Es menos ruidoso que el BJT, esto lo hace idóneo para amplificadores de alta

fidelidad. - Es afectado en menor grado por la temperatura.

DESVENTAJAS - Su ganancia de voltaje es mucho menor que en el BJT.

- Es susceptible al daño en su manejo, sobre todo el MOSFET. - Su ancho de banda o respuesta en frecuencia es menor que en el BJT.

CONSTRUCCIÓN


FUNCIONAMIENTO 1.- VGS = 0 y VDS variable

El canal n se comporta como una resistencia cuyo valor depende del voltaje existente entre D y S. Cuando VDS llega a ser lo suficientemente grande la corriente iDS comienza a ser constante, VDS puede incrementarse hasta BVDS0 (punto en el que ocurre el rompimiento por avalancha), la nomenclatura significa “voltaje de ruptura entre D y S con VGS = 0”. La curva que se obtiene para cuando se mantiene en corto las terminales de Gate y Source, mientras varia el voltaje entre Dren y Source, es la siguiente:

IDSS = Corriente entre D y S con VGS = 0. VPO = Voltaje entre D y S a partir del cual la corriente comienza a ser constante. Aquí

comienza la región de saturación BVDS0 = Voltaje de ruptura entre D y S con VGS = 0. NOTA: Como el canal N se comporta como una resistencia a medida que se incrementa VDS, entonces el mismo potencial presente en el canal hace que se forme una región de


agotamiento o campo eléctrico que va incrementándose en intensidad hasta que se cierra por completo en el punto A, cualquier aumento posterior en la tensión VDS mantendrá al potencial de A con respecto de tierra constante, razón por la cual la corriente iDS comienza a ser constante. 2.- VGS y VDS variables: El voltaje VGS es negativo en los FET`S de canal N, esto para controlar la anchura del canal, a medida que se incrementa VGS negativamente se origina una región de agotamiento entre compuerta y fuente que va reduciendo la corriente iDS gradualmente:

Denotaremos por VPX a un voltaje cualquiera producido bajo la condición de un voltaje VGS de valor “x” y en el cual la corriente comienza a hacerse constante (saturarse). La relación existente entre el nuevo VPX y cualquier VGS es:


VPX = Vpo + VGS BVDSX = BVDS0 + VGS El canal se cierra por completo cuando VGS = VGsoff, en este momento la corriente iDS es aproximadamente cero.

CURVA DE TRANSCONDUCTANCIA Es una grafica de la corriente de salida en función del voltaje de entrada.

La ecuación que representa a esta curva es:

2

1 GSDS DSS

GSoff

vi IV

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

ó iDS = IPO

2

1 GSDS PO

PO

vi IV

⎛ ⎞= +⎜ ⎟

⎝ ⎠

donde IDSS = IPO y VGSoff = -Vpo Algunos parámetros importantes del FET son los siguientes: IDSS = Corriente de saturación entre D y S con la tensión VGS = 0. VGSoff = Voltaje que produce la oclusión o cierre del canal. IGSS = Corriente inversa de saturación entre G y S con VDS = 0. BVDS0 = voltaje de ruptura entre D y S con VGS = 0. BVGSS = Voltaje de ruptura entre G y S con VDS = 0. ⎪YfS⎪ = Admitancia de transferencia directa para source común con VGS = 0.


EJERCICIO: El JFET 2N5457 tiene los siguientes parámetros: IDSS = 5mA VGSoff = -6V IGSS = 1nA BVGSS = -25V ⎪YFS ⎪ = ⎪gFS ⎪ = 5000 µS 1.- Obtener la ecuación de la curva de transconductancia.

2

5 16

GSDS

vi mA⎛ ⎞= −⎜ ⎟−⎝ ⎠

2

5 16GS

DSvi mA⎛ ⎞= +⎜ ⎟

⎝ ⎠

2.- Obtener la corriente entre drenador y fuente para los siguientes voltajes compuerta-fuente. VGS 0V -2 -4 -6 -8 iDS 5mA 2.22mA .555mA 0 .555mA El resultado iDS = .555mA para VGS = -8 no existe ya que para el funcionamiento del FET es solo media parábola.

3.- Calcular la impedancia de entrada de este dispositivo cuando VGS = -15V a temperatura ambiente y a 100º C.

25

151

GSi C

GSS

V VZI nA

−= =


Zi = 15GΩ

T2-T110

100 25

100

(100 )

(100 )

( )=2

181.02

15181

83

GSS C C

GSS C

C

C

i

i

i

I Z

I nA

VZnA

Z M

=

=

−=

= Ω

TRANSCONDUCTANCIA EN UN PUNTO

Si derivamos la ecuación de la curva de transconductancia se obtendrá el valor de la conductancia en un punto en particular sobre la curva llamado gm:

2

1 GSDSS

GSoffDSm

GS GS

VIVig

V V

⎛ ⎞∂ −⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ⎝ ⎠= =

∂ ∂

2 1DSS GS

mGSoff GSoff

I VgV V

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎜ ⎟− ⎝ ⎠

gm indica que tanto control tiene el voltaje de entrada VGS sobre la corriente de salida:


En la figura se observa como para un mismo incremento de VGS se obtienen diferentes amplitudes de corriente. Q2 tiene mayor pendiente, es decir mayor conductancia, por lo tanto hay un mayor control de iDS para el mismo VGS.

POLARIZACIÓN DEL JFET

Algunas de las formas típicas de polarización de un JFET son las siguientes:

- POLARIZACIÓN FIJA O DE COMPUERTA - AUTOPOLARIZACIÓN - POLARIZACION POR DIVISIÓN DE VOLTAJE - POLARIZACION POR FUENTE DE CORRIENTE

POLARIZACIÓN FIJA

Al igual que en el BJT, la malla de entrada es la que polariza al JFET, en este caso la malla de compuerta. Cabe mencionar que para este dispositivo la corriente de reposo es fijada por el voltaje de compuerta. ANALISIS El voltaje en la compuerta siempre será negativo respcto al Terminal de Source en jun JFET de canal N: VGS = VG (+) – VS (-)


ANÁLISIS EN LA MALLA DE COMPUERTA Ley de Voltajes de Kirchoff en malla de compuerta. +VGG + VRG + VGS = 0 Como se supone que la unión compuerta-fuente esta polarizada inversamente, entonces significa que no existe corriente y por lo tanto VRG = 0 VGS = -VGG Esta ecuación representa la recta de polarización

Esta recta se muestra en la siguiente figura, la cual queda representada por una recta vertical a lado izquierdo del eje de la corriente.

De la figura se observa la gran inestabilidad que puede experimentar el punto de operación para el caso de los posibles cambios en los parámetros que puede presentar un FET aún cuando tratándose del mismo tipo ya que las técnicas de fabricación no son tan perfectas como para que IDSS y VGS off sean constantes de un dispositivo a otro. Este tipo de polarización es la peor forma de polarizar a un JFET ya que el punto de operación (IDSQ, VDSQ) bastante es inestable. ANÁLISIS EN LA MALLA DEL DREN Por Ley de Voltajes de Kirchoff -VDD + VRD + VDS = 0 En terminus de la corriente de Dren: VDD = IDSRD + VDS


iDS = D

DSDD

RVV −

Ecuación de la recta de carga en C.C.

En la figura, el punto de operación depende el punto de operación fijado en la curva de transconductancia. EJEMPLO: Encontrar la variación del punto de operación para el circuito mostrado:

VDD = 12V VGG = -1V RD = 470Ω RG = 1MΩ

max

min

208

6

2

DSSMAX

DSSMIN

GSoff

GSoff

I mAI mAV V

V V

=⎧⎪ =⎪⎨ = −⎪⎪ = −⎩

FET 2N5486


SOLUCIÓN

IDSQmax = 20mA mA89.13611

2

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

−

IDSQmin = 8mA mA2211

2

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

−

∆IDSQ = 11.9mA

AUTOPOLARIZACIÓN

LVK en malla de compuerta

0=++ RSGSRG VVV

0=+ DSSGS iRV

S

GSDS R

Vi −=


A esta ecuación se le conoce como ecuación de la recta de polarización. Esta recta tiene pendiente negativa y pasa por el origen, como se observa en la siguiente figura:

La recta representa una SR pequeña y proporciona un elevado valor de mg , ideal para una buena ganancia de corriente, la desventaja es la inestabilidad debido a los cambios en los parámetros del JFEt, como puede observarse. La recta ofrece las mejores condiciones tales que no compromete la inestabilidad y los valores de transconductancia, es decir, no se sacrifican una u otra.

La recta produce buena estabilidad del punto de operación, sin embargo produce valores de mg bajos que se traducen en una baja ganancia de corriente.

Generalmente muchos diseñadores optan por el tipo de polarización dado por la recta Este tipo de polarización es mejor que la polarización fija ya que el punto de operación es más estable. En la recta la SR puede llamarse óptima ya que esta recta pasa por el centro de una de las curvas de transconductancia.

SR óptima puede calcularse:

G SoffS

D SS

VR

I=

Las coordenadas del punto de operación cuando se presenta SR óptima es:


=DSQI 0.382 DSSI =GSQV 0.382 GSoffV

Estas ecuaciones pueden demostrarse a partir del siguiente análisis:

2

1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

GSoff

GSDSSDS V

VIi

Normalizando:

2

1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

GSoff

GS

DSS

DS

VV

Ii

Si el punto de operación esta a la mitad de la curva entonces:

KVV

Ii

GSoff

GS

DSS

DS ==

∴ ( )

01321

1

2

2

2

=+−

+−=

−=

KKKKK

KK

Resolviendo la ecuación cuadrática:

48.2382.0

2

1

=−=

KK

Como: DSS

DS

IiK = ó

Y como DSi < DSSI entonces la solución es:

382.01 =K .

El mismo razonamiento se obtiene para GSQV

GSoffGSQ VV 382.0=

DSSDS IKi 1=


ANÁLISIS EN LA MALLA DE DREN

LVK en malla de compuerta

( )0DD RD DS RS

DD DS D S DS

V V VV i R R

vv

− + + =

= + +

A esta ecuación se le conoce como ecuación de la recta de carga en C.C.

EJERCICIO: Polarizar el FET de la figura de tal modo que el punto de operación se ubique a la mitad de la curva de transconductancia y a la mitad de la recta de polarización. Calcular además el valor de mg en el punto de operación.

Solución:

DSS

GSoffS I

VR =

DD DSDS

D S

ViR R

v−=

+

Ω≈Ω= 220214SR


DSQ

RDD I

VR =

La coordenada del punto Q cuando se elige Rs óptima es:

( )mA

mAR

IVVV

IVR

VVmAII

D

DSQ

RSDSQDD

DSQ

RDD

GSQ

DSSDSQ

35.535.5220612

15.135.5382.0

−−=

−−==∴

−=

==

Ω= 900DR

GR se propone de un valor de tal modo que se aproveche la alta impedancia del JFET.

En este caso se propone de:

Ω= MRG 1

( )( ) ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

−−−

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=

35.11

3142

12

mAg

VV

VIg

m

GSoff

GS

GSoff

DSSm

Sgm µ5768=

POLARIZACIÓN POR DIVISOR DE VOLTAJE

Para simplificar el análisis en la malla de compuerta encontraremos el circuito equivalente de Thévenin para facilitar.


LVK en malla de compuerta:

0RG GS RS

GG GS S DS

V V VV R i

vv

− + + + == +

GG GS

DSS

ViR

v−=

Esta ecuación representa la ecuación de la recta de polarización. Esta ecuación puede escribirse como:

S

GGGS

SDS R

VVR

i +−=1

Es una recta con pendiente negativa y con la ordenada en el origen a S

GG

RV como se observa

en la figura:


De la figura puede observarse que este tipo de polarización es mejor que las dos anteriores debido a que ∆ DSQI es menor, sin embargo para conseguir esto es necesario aplicar valores elevados de DDV para que GGV sea lo más grande posible y asi el punto de operación sea más estable.

ANÁLISIS EN LA MALLA DE DREN

( ) DSSDDSDD

RSDSRDDD

VRRiVVVVV++=

++=

Esta es la Ecuación de la recta de carga

EJERCICIO: Polarizar un JFET por divisor de tensión y de tal modo que se cumplan los siguientes datos: Punto de operación a la mitad de la recta de carga y a la mitad de la curva de transconductancia, el voltaje de alimentación VVDD 12= y calcular el valor de mg en el punto de operación.

Solución:

DS

DSDDDS RR

VVi+−

=


Se elige arbitrariamente 2=GGV V

mAV

IVV

Rs

RsVV

I

VVVmAII

DSQ

GSQGG

GSQGGDSQ

GSoffGSQ

DSSDSQ

06.391.3

91.1382.006.3382.0

=−

=

−=

−==

==

Ω= 1278Rs

mAV

IVVV

RDSQ

RSDSQDDD 06.3

91.3612 −−=

−−=

Ω= 683DR

DD

GG

G

VV

RR−

=1

1 Eligiendo Ω= MRG 1

Ω= MR 2.11

GGG

DD RVVR =2

Ω= MR 62

EJERCICIO: Para cada uno de los circuitos de polarización con FET, determinar el punto de operación.

a)

Solución: El punto de operación se obtiene analíticamente a partir de la intersección de la curva de transconductancia con la recta de polarización.


RsVVi

VVIi

GSGGDS

GSoff

GSDSSDS

−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

2

1

igualando ambas ecuaciones obtenemos el punto de operación.

2

1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−

GSoff

GSQDSS

GSQGG

VV

IRs

VV

01211

21

22

2

2

=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

+−=−

GSQGSoffDSS

GSQGSoff

GSoff

GSQ

GSoff

GSQ

DSS

GSQGG

VVRsI

VV

VV

VV

RsIVV

Esta ecuación tiene analogía con:

GSQ

GSoffDSS

GSoff

Vxc

VRsIb

Va

dondecbxax

==

=−=

===

++

1

604.021

0625.01611

2

2

Resolviendo la ecuación cuadratica:


( ) ( )( )

VV

V

GSQ

GSQ

546.70625.02

0625.04604.0604.0

1

2

−=

−−±−=

VVGSQ 12.22 −=

Este último valor de GSQV es el correcto ya que para el otro, el canal estaría cerrado por completo e 0=DSQI .

RsV

RsVI GSQRS

DSQ

−==

mAI DSQ 767.1=o de otra manera

2

421218 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

−= mAI DSQ

mAI DSQ 767.1=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=

GSoff

GSQ

GSoff

DSSm V

VVIg 12

Sgm µ1880=

( )RsRIVV DDSQDDDSQ +−=

b)

VVDSQ 05.4=

1

2

126

3

25100111.6

501.2

OFF

DD

DSS

GS

ds

S

D

L

DATOSV VI mAV V

r KR KR MR KR KrsR K

=== −

= Ω= Ω= Ω= Ω

= Ω= Ω= Ω


La curva de transconductancia es: 2

1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

GSoff

GSDSSDS V

VIi

La recta de polarización es:

RsVVi GSGG

DS−

=

igualando ambas ecuaciones para encontrar el punto de operación:

2

2

2

21

1

GSoff

GSQ

GSoff

GSQ

DSS

GSQGG

GSoff

GSQDSS

GSQGG

VV

VV

RsIVV

VV

IRs

VV

+−=−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−

Reacomodando:

911

01211

2

2

2

2

==

++

=−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

GSoff

SDSS

GGGSQ

GSoffDSSGSQ

GSoff

Va

cbxax

RI

VV

VRsIV

V

( ) ( )

VV

V

cV

VRR

RV

RsIVc

VRsIb

GSQ

GSQ

GG

DDGG

DSS

GG

GSoffDSS

338.6912

818.0914833.0833.0

818.0091.1

1

833.021

1

2

21

1

−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−−±−

=

==

+=

−=

=−=

VVGSQ 16.12 −=


( )1000

16.1091.1 −−=

−=

DSQ

GSQGGDSQ

I

RsVV

I

mAI DSQ 25.2=

( )RsRIVV DDSQDDDSQ +−=

VVDSQ 15.6=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

GSoff

GSQ

GSoff

DSSm V

VV

Ig 12

Sgm µ2451=

polarizacion del transistor de efecto de …de... · esto lo hace idóneo para su integración en...

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