.

1

PRACTICA #1, EL TRANSISTOR FET Y MOSFET

Patricio Xavier Cuzco A. e-mail: pcuzcoa@est.ups.edu.ec

Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca.

Electrónica Analógica II

RESUMEN: En esta práctica de laboratorio se

obtendrá el conocimiento acerca del funcionamiento y la polarización del transistor fet y mosfet; para lograr estos objetivos lo primero que se debe realizar es investigar acerca del funcionamiento de estos transistores; luego se realizaran los cálculos para las distintas polarizaciones, y finalmente se procederá a armar, medir y simular los distintos circuitos; el paso final será comparar y verificar los datos obtenidos tanto con los valores cálculos los valores medidos y los valores simulados, con todos estos datos se realizara el informe y se sacara las conclusiones de esta práctica .

PALABRAS CLAVE: Calcular, Armar, Medir, Simular.

2 OBJETIVOS 1) Explicar las características del transistor fet y mosfet.

2) Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de los siguientes circuitos de polarización fet.

a) Polarización con fuente al Gate.

b) Polarización con resistencia de Source (Autopolarización).

c) Polarización con divisor de tensión.

d) Polarización con fuente doble y Gate a tierra.

3) Realizar el circuito y la simulación de la polarización de los transistores mosfet incremental y decremental. 4) Explique porque se puede quemar un transistor fet y mosfet.

3 MARCO TEORICO

3.1 TRANSISTOR FET

Los transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor) son particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser de dos tipos: transistor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET).

Son dispositivos controlados por tensión con una alta impedancia de entrada Figura 1. Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y analógicos como amplificador o como conmutador.

Figura 1.Transistor FET. Ventajas:

Su impedancia de entrada es extremadamente alta (típicamente 100M Ω o más). Su consumo de potencia es mucho más pequeño 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.

3.2 TRANSISTORES MOSFET En el caso de los MOSFET el control no se realiza

por medio de la juntura, sino por medio de una capa aislante. Esta capa aislante consiste, por lo general, de un oxido de metal, del cual se deriva el nombre transistor de efecto de campo MOS (Metal-Oxide semiconductor) semiconductor de óxido de metal). También se utiliza la designación FET de capa aislante, para la cual se indica entonces la abreviación IFET o IGFET (del inglés: Insulated Gate = gate aislado).

MOSFET DE TIPO DECREMENTAL

Las similitudes que hay en la apariencia entre las

curvas de transferencia de los JFET y de los MOSFET de tipo decremental permiten un análisis similar de cada uno en el dominio de dc. La diferencia más importante entre los dos es el hecho de que el MOSFET de tipo decremental permite puntos de operación con valores positivos de VGS y niveles de ID que excedan lDSS. De hecho, para todas las configuraciones realizadas hasta

.

2

ahora, el análisis es el mismo si el JFET se reemplaza por un MOSFET de tipo decremental. La única parte sin definir en el análisis consiste en la forma de graficar la ecuación de Shockley para los valores positivos de VGS. Para la mayoría de las situaciones este rango necesario estará bien definido por los parámetros del MOSFET y por la recta de polarización que se obtuvo de la red.

MOSFET DE TIPO INCREMENTAL

Las características de transferencia del MOSFET

de tipo incremental son muy diferentes de las encontradas para el JFET y los MOSFET de tipo decremental, pero se obtiene una solución grafica muy diferente a las encontradas en secciones precedentes. Lo primero y quizá más importante es recordar que para el MOSFET de tipo incremental de canal-n, la corriente de drenaje es cero para aquellos niveles de voltaje compuerta-fuente, menores que el nivel del umbral VGS (Th), la corriente se define como:

2

)()(

ThGSGSD VVkI

Ya que las hojas de especificaciones por lo general

proporcionan el voltaje del umbral y un nivel de corriente de drenaje así como su nivel correspondiente de VGS (encendido) pueden definirse dos puntos de inmediato. Para completar la curva, primero tiene que determinar la constante k de la ecuación a partir de los datos de las hojas de especificaciones mediante la sustitución en la ecuación y resolviendo para k de la siguiente manera:

2)()(

)(

2)()()(

2)(

)(

)(

)(

ThGSencendidoGS

encendidoD

ThGSencendidoGSencendidoD

ThGSGSD

VV

IK

VVkI

VVkI

Una vez que k está definida, pueden calcularse

otros niveles de ID para los valores seleccionados de VGS.

3.3 CALCULOS DE LA PRÁCTICA

Polarización con fuente al Gate (Fija)

Figura 2. Circuito Polarización Fija.

Es la peor forma de polarizar al transistor JFET puesto que depende mucho del transistor empleado la cual es una de las pocas configuraciones a FET que pueden resolverse tanto por un método matemático como por uno gráfico.

En este circuito (Figura 2) nos imponemos el valor

de la corriente de Drain (ID) los datos conocidos son el IDSS y el Vp.

10mA = IDSS

5mA =ID

V 4 -=Vp 15V=VDD

2Vgs/Vp)-Idss(1=Id

2)4-

Vgs-(1mA 10=mA 5

(-4)10

5-1=Vgs

V -1.17=Vgs

V 7.5Vds

Vds+Rd*Id=Vdd

V 7.5+Rd)*mA (5=10

K5.1mA 5

V 7.5=Rd

Rd*ID=VRd

V5.7K 1.5*mA 5=VRd

Polarización con resistencia de Source.

También conocida como autopolarizado por

resistencia de fuente, en este circuito (figura 3) solo se usa una fuente, que es la del drenador suprimiendo la fuente de puerta. Y se acopla una resistencia de surtidor. Este circuito es más estable que el anterior. La configuración de autopolarización elimina la necesidad de dos fuentes de dc. El voltaje de control de la compuerta a la fuente ahora lo determina el voltaje a través del resistor RS. Para el análisis en DC los capacitares pueden reemplazarse una vez más por “circuitos abiertos”, y el resistor RG puede cambiarse por un corto circuito equivalente dado que IG = 0A. El resultado es la red de la figura siguiente para el análisis en dc.

.

3

Figura 3. Circuito Autopolarización.

10mA =IDSS

5mA =ID

V 4 -=Vp V 15=VDD

2Vgs/Vp)-Idss(1=Id

2)4-

Vgs-(1mA 10=mA 5

(-4)10

5-1=Vgs

V -1.17=Vgs

Rs*-IDVgs

330300mA 5-

-1.5=Rs

VRs-Vds-Vdd=VRd

V 1.5-V 7.5-V 15VRd

V 6 =VRd

K2.1mA 5

V 6=Rd

Polarización por partidor de tensión.

Es la forma más segura de saber que el punto de funcionamiento que va a estar en el punto que se estabilice. La forma de calcular es exactamente igual que los transistores que se le aplica Thevenin. Recuerde que IB proporciono la relación entre los circuitos de entrada y de salida para la configuración de divisor de voltaje para el BJT, mientras que VGS hará lo mismo en la configuración a FET. Para el análisis en dc se redibuja la red de la figura como se muestra en la figura siguiente Figura 4.

Figura 4. Circuito Polarización por partidor de tensión.

mA 11=IDSS

V 4 -=Vp

V 12=VDD mA 5.5 ID

V 3Vg

(-4)10

5-1=Vgs

V -1.17=Vgs

Vgs-VgVRs

V 1.5V 3VRs

V 4.5VRs

7508185.5

5.4RS

mA

V

VRs-Vds-VddVRD

V 4.5-V 6-V 12VRD

V 1.5VRD

270272mA 5.5

V 1.5=RD

R2R1

R2*Vdd=Vg

K90

R2*V 12=V 3

KK 2290*12

3=R2

K90=R2 R1

KKKR 6822901

.

4

Polarización con Fuente Doble y Gate a Tierra

En este circuito se utilizan dos fuentes de cc para

polarizar el transistor FET; a continuación describiré los diferentes cálculos para este circuito.

10mA =IDSS

V 4 -=Vp

V 10=VDD V 5 Vss

mA 5 ID V 7.5VDS

(-4)10

5-1=Vgs

V -1.17=Vgs

Rs*Id-VssVgs

RsmAVV *5517.1-

KmA

VRs 2.11234

5

17.6

Rd)Id(Rs-VssVddVDS

)2.1(55105.7 RdKmAVVV

VVVRdmA 65.715*5

3303005

5.1

mA

VRd

4 LISTA DE MATERIALES

Presupuesto de los materiales

# Componente Valor

Unitario

Valor

total

2 FET MPF 102 $0.35 $1.4

10 Resistencias $0.05 $0.50

1m Cable multipar $0.50 $0.50

Total $2.4

Herramientas y Equipos

Fuentes de tensión variables

Voltímetro

Amperímetro

Pelacables

Protoboard

5 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

5.1 MEDICIONES, SIMULACIONES Y RECTAS DE CARGA.

Polarización Fija

Valores

calculados

Valores

Medidos

Valores

Simulación

ID = 5 mA ID = 5.15 mA ID = 5.044 mA

VRD = 7.5 V VRD = 7.54 V VRD = 7.56 V

VDS = 7.5 V VDS = 7.34V VDS = 7.43 V

VGS = -1.17 V VGS = -1.7 V VGS = 1.47 V

Tabla 1. Tabla de las medidas de la polarización fija

Circuito polarización fija

Punto de trabajo del circuito polarización fija

.

5

Autopolarización con Rs

Valores

calculados

Valores

Medidos

Valores

Simulación

ID = 6 mA ID = 5.89 mA ID = 4.54 mA

VRD = 6 V VRD = 6.98 V VRD = 5.44 V

VDS = 7.5 V VDS = 6.19 V VDS = 8 V

VRS = 1.5 V VRS = 1.89 V VRS = 1.5 V

VGS = -1.17 V VGS = -1.7 V VGS = -1.36 V

Tabla 2. Tabla valores de la autopolarización con Rs.

Circuito Autopolarización con Rs

Punto de trabajo del circuito Autopolarización con Rs

Polarización por partidor de tensión

Valores

calculados

Valores

Medidos

Valores

Simulación

ID = 5.5 mA ID = 5.58 mA ID = 5.7 mA

VRD = 1.5 V VRD = 1.8 V VRD = 1.5 V

VDS = 6 V VDS = 5.45 V VDS = 6.1 V

VRS = 4.5 V VRS = 4.67 V VRS = 4.3 V

VGS = -1.5 V VGS = -1.78 V VGS = -1.39 V

Vg = 3 V Vg = 2.9 V Vg = 2.9 V

Tabla 3. Tabla valores polarización por partidor de

tensión.

Circuito polarización mediante partidor de tensión

Punto de trabajo del circuito polarización mediante partidor de tensión.

.

6

Polarización con fuente doble

Valores

calculados

Valores

Medidos

Valores

Simulación

ID = 5 mA ID = 5.18 mA ID = 5.36 mA

VRD = 1.5 V VRD = 1.9 V VRD = 1.7 V

VDS = 7.5 V VDS = 6.11 V VDS = 6.7 V

VRS = 6.17 V VRS = 6.9 V VRS = 6.4 V

VGS = -1.17 V VGS = -1.9 V VGS = -1.4 V

Tabla 4. Tabla valores polarización con fuente doble.

Circuito polarización del fet mediante fuente doble simétrica.

Punto de trabajo del circuito polarización del fet mediante fuente doble simétrica.

5.2 TRANSISTOR MOSFET INCREMENTAL Y DECREMENTAL

En el caso del análisis de los transistores mosfet

decremental el análisis es muy parecido al realizado con

los transistores fet a continuación un ejemplo Figura 5.

Figura 5. Circuito con un transistor Mosfet decremental.

Para el análisis de este circuito primero

encontramos la corriente y el valor de Vgs en el punto

de trabajo; para ello realizamos la gráfica del punto de

trabajo del circuito y encontramos la respuesta

gráficamente

mA 3.1 ID -1.12=Vgs

mA 6=IDSS

V 3 -=Vp

(-4)6

3.1-1=Vgs

V -1.12=Vgs

)(VDS RsRdIDVcc

)6902.1)(1.3(18VDS KmAV

VV 86.518VDS

V14.12VDS

RsId *VRs

14.2690*)1.3(VRs mA

RdId *VRd

VKmA 72.3)2.1(*)1.3(VRd

.

7

Simulación del circuito con un transistor Mosfet decremental.

Rectas de carga de un transistor Mosfet Decremental.

Ahora analizaremos el caso de un transistor mosfet

incremental como se realiza sus cálculos. Para comenzar

su fórmula de Id es la siguiente:

2))((Id thVgsVgsK

De esta fórmula despejamos el valor de K con los

datos del fabricante de este transistor; luego graficamos

esta fórmula y obtenemos la recta de carga en el

cuadrante positivo por lo tanto el voltaje de Vgs será

positivo.

2))()((

)(

ThVgsencendidoVgs

EncendidoIdK

23

2/10*24.0

)38(

6VA

vV

mAK

Con los datos de Id calculamos el voltaje a través

de Rd y el voltaje entre Drain y Source.

Simulación de un circuito con transistor Mosfet

incremental.

Punto de trabajo de un transistor Mosfet

incremental.

6 CONCLUSIONES

1.- En esta práctica tratamos con la polarización de

los transistores fet y mosfet; como recomendación para

la polarización de los transistores fet, diría que es mejor

obtener lecturas reales de los valores de Vgs e IDSS, ya

que con estos valores tendremos mejores resultados al

momento de armar nuestros circuitos.

2.- Para obtener la gráfica de la curva de

transferencia de Vgs respecto a ID, debemos medir la

corriente del transistor (ID) e ir variando la tensión Vgs

entre el valor de Vp y 0V; el punto inicial se genera

cuando Vgs = Vp, cuando esto ocurre el valor de la

corriente ID = 0A; el punto final se genera cuando Vgs =

0V, y por lo tanto el valor de la corriente ID = IDSS.

3.- Los transistores fet tienen un óptimo

funcionamiento cuando su valor de Vgs está

comprendido en los valores medios de Vp y 0V.

4.- La polarización para un transistor mosfet

decremental pueden resolverse de igual manera como se

tratase de un transistor fet; por ende nos sirven las

.

8

mismas formulas y las gráficas para hallar los valores de

polarización deseados.

5.- La variación entre los valores calculados con

los valores medidos y simulados no tiene mucha

diferencia; principalmente se debe al valor comercial de

las resistencias calculadas ya que tenemos que

aproximarnos al valor comercial más cercano de las

mismas y perdemos la precisión.

6.- Los valores de las simulaciones en comparación

con los valores medidos, difieren un poco, esto se debe

principalmente a que las características técnicas de la

construcción del transistor que tiene el simulador; varia

en comparación con los valores reales de la corriente

IDSS que indica el fabricante y con los valores IDSS de

corriente que medimos en la práctica.

Conclusions:

1.- In this practice we deal with the polarization of

the fet and mosfet transistors, a recommendation for the

polarization of FET transistors would say it is better to

get actual readings Vgs and IDSS values because these

values will have better results when build our circuits.

2.- To obtain the graph of the transfer curve about

Vgs ID, we must measure the current of the transistor

(ID) and to vary the voltage Vgs between the value of

Vp and 0V, the initial point is generated when Vgs = Vp

when this occurs the current value ID = 0A, the end

point is generated when Vgs = 0V, and therefore the

current value ID = IDSS.

3.-FET transistors have their optimum performance

when Vgs value falls within the values of Vp and 0V.

4. - The polarization for a decremental mosfet

transistor can be solved in the same way as it were a

FET transistor, hence we serve the same formulas and

graphs to find the desired polarization values.

5. - The variation between the values calculated

with measured and simulated values is not much

difference, mainly due to the commercial value of the

resistance calculated as we have to approach the nearest

commercial value thereof and lose accuracy.

6. - Simulations values compared to the measured

values differ a little, this is mainly due to the technical

characteristics of the construction of the transistor

having the simulator; variation compared with the actual

values of the current IDSS that indicates the

manufacturer and with current IDSS values we measure

in practice.

7 REFERENCIAS [1] Robert L. Boylestad 2004, Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos, Editorial Pearson Education. Pág. 412 – 440.