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Electronica Analogica
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LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 1
Practica # 4 Amplificadores de pequeña senal conJFET
Xavier Andres Macancela [email protected]
Universidad Politécnica Salesiana, Sede CuencaLaboratorio de Analógica II
Resumen—En el siguiente documento, se describe el funciona-miento de los amplificadores de pequeña señal con transistoresJFET, por ejemplo el amplificador source comun, etc. En estostipos de amplificadores tienen una impedancia muy alta deentrada y impedancia muy alta de salida, ademas tienen unacaracteristica especial que estos no tienen mucha ganancia, tienenuna ganancia maxima hasta de 10.
Index Terms—mpf 102, jfets, amplificadores con JFET, GateComun, Drain Comun, Source Comun.
OBJETIVOS
Diseñar calcular y comprobar el funcionamiento de lassiguientes configuración usando transistores jfet
Drain Común Av=1 RL=3.3kSource Común Av=5 RL=1.5kGate Común Av=3 RL=4.7k
Los requerimientos para el diseño de los diferentes amplifica-dores se muestra en la cuadro I .
Cuadro IPARAMETROS DE DISEÑO
Datos Resistencia de CargaAv Drain 1 3.3kΩ
Av Source 5 1.5kΩAv Gate 3 4.7kΩ
Fc 2khz
I. MARCO TEÓRICO
El análisis de los transistores jfet, como amplificador depequeñas señales. El transistor jfet es un dispositivo de tresterminales el cual controla la corriente que circula a travésde sus 2 terminales D(drain) S(source), mediante una tensiónumbral que se aplica en los terminales G (gate) S(source).Cabe recalcar que los transistores jfet no trabajan con corrienteaplicada en el G(gate) por lo que en todas sus polarizacionesse tendrá una impedancia en el G(gate) alta.
La curva característica del transistor fet se puede obtenerde forma directa con la ecuación de Shockley[1] mostrada enla ecuación 1 .
ID = IDSS ∗(
1− V GS
V P
)2
(1)
Una característica existente en el manejo de Jfet es laausencia de corriente de gate, como se menciono anteriormente[4], por lo tanto:
IG = 0A (2)
Ahora bien si analizamos al transistor jfet dentro de ACaparecerán nuevos parámetros como es el factor de transcon-ductancia [2] mostrada en la ecuación 3.
gm =2 ∗ IDSS‖V P‖
∗[1− V GS
V P
](3)
Continuando con el análisis, los transistores jfet tiene unaimpedancia de entrada lo bastante grande para suponer que susterminales en la entradas se aproximan a un circuito abierto.Es decir básicamente:
Zi′ =∞Ω (4)
En cambio la Impedancia de salida de los transistores jfetson muy parecidos a las impedancias de salida de los tran-sistores bjt. Estos parámetros en las hojas de especificacionesgeneralmente aparece comoyos con las unidades de uS. Esdecir como se muestra en la ecuación 5:
Zo′ =1
yos(5)
También se puede representar por rd.En modelo equivalente del transistor [3] se puede ver en
al figura 1. El modelo equivalente esta compuesto por unaimpedancia de entrada, que esta representada como un circuitoabierto, una fuente de corriente y su respectiva resistencia rd.
Figura 1. Circuito equivalente Jfet
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 2
I-A. Source común
Circuito amplificador con RS punteado, el capacitor Cs enel análisis CD se comporta como un circuito abierto, mientrasque en ca se comporta como cortocircuito en la RS. Enla figura2 se aprecia la configuración de la polarización delamplificador jfet de source común.
Figura 2. Amplificador Source comun
Haciendo el respectivo análisis del circuito equivalente enca, como se muestra en al figura 3.
Figura 3. Equivalente source comun
Cabe recalcar que entre los terminales vi, vo de las figuras2 y 3 van colocadas la señal de ingreso y la carga correspon-dientemente.
Analizando el circuito equivalente, la Zi:
Zi = RG (6)
Como la impedancia entre G(gate) S(source) se aproximaa 0 nos queda las impedancia de ingreso como aparece en laecuación 6.
La impedancia de salida Zo, se analiza haciendo que lafuente de corriente se abra y quedaría como se aprecia en laecuación 7. Entonces nos queda:
Zo = rd‖RD (7)
La ganancia para la configuración de source común, semuestra en la ecuación8 .
Av = −gm ∗ (rd‖RD) (8)
El signo negativo presente en la ecuación 8 indica que existeun desfasamiento entre Vi y Vo.
I-B. Gate Comun
El capacitor Cg en el análisis CD se comporta como uncircuito abierto, mientras que en ca se comporta como corto-circuito en la RG. En la figura4 se aprecia la configuración dela polarización del amplificador jfet de gate común.
Figura 4. Configuración Gate Comun
Su circuito equivalente se muestra en al figura 5 .
Figura 5. Circuito Equivalente Gate Comun
Analizando el circuito equivalente, la Zi:
Zi = RS‖ 1
gm(9)
Una vez encontrada al impedancia de ingreso como semuestra en la ecuación 9 , se procede a calcular Zo que semuestra en la ecuación 10.
Zo = RD (10)
La ganancia para la configuración de gate común , semuestra en la ecuación11 .
Av = −gm ∗ (rd‖RD) (11)
La ausencia del signo negativo en al ganancia da a entenderque no hay desfasamiento en la señal de ingreso.
I-C. Drain común
El capacitor de Cd en el análisis CD se comporta en estecomo en la demás polarizaciones como un circuito abierto,mientra que en ca se comporta como cortocircuito en la RD.Es por este motivo que viene su nombre de polarización dedrain común. Este tipo de polarización se puede apreciar enla figura 6.
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 3
Figura 7. Circuito Equivalente Drain Comun
Figura 6. Configuración Drain Comun
El circuito equivalente nos queda como se observa en alfigura 7.
Analizando el circuito equivalente, la Zi:
Zi = RG (12)
Encontrada la impedancia de entrada como se observa enla ecuación 12 , se precede a calcular Zo como se observa enla ecuación 13.
Zo = RS (13)
La ganancia de la configuración de drain común, se muestraen la ecuación 14:
Av =gm ∗ RS∗RL
RS+RL
1 + gm ∗ ( RS∗RLRS+RL )
(14)
Una vez realizado todos los análisis procederemos al calculode los mismos.
II. MATERIALES Y HERRAMIENTAS
En esta sección se presenta los materiales y herramientasque se necesito en la practica. La listas de estos materiales sepresentan en el cuadro .
Cuadro IIDESCRIPCION DE MATERIALES Y HERRAMIENTAS
Descripción Cantidad PrecioJfet 3 7.50$
Resistencias 24 7.2$Cable Multipar 1 1$
Condensadores electrolíticos 10 3$Condensadores cerámicos 7 1.05$
Total 45 19.75$
Como se puede apreciar el costo de la practica es relativa-mente elevado. Los precios son aproximados ya que puedevariar de donde se los puede conseguir cada uno de loscomponentes.
III. DESARROLLO
III-A. Amplificador Jfet-Source Común
En el diseño del mismo, en el cuadro III se observa losdatos iniciales para el comienzo del diseño.
Cuadro IIIDATOS SOURCE COMÚN
Descripción ValorIdss 10.31mAVp -3.239vFc 2kHzAv 5Rl 1.5kΩRG 1MΩ
Circuito propuesto se observa en la figura8 .
Figura 8. Circuito Source comun
Su circuito equivalente se observa en al figura ??.
Figura 9. Equivalente source comun
Utilizando la máxima transferencias de potencia
RS = RL
Entonces
RS = RD
Por lo tanto
RD = 1,5kΩ
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 4
La impedancia de entrada es relativamente alta por lo queel transistor jfet no maneja corriente de Gate.
Zi = 1MΩ
Procedemos al calculo RPD
RPD =RD ∗RLRD +RL
Remplazamos datos de RD Y RL
RPD =1,5kΩ ∗ 1,5kΩ
1,5kΩ + 1,5kΩ
RPD = 750Ω
Una vez obtenida RPD, se obtendrá el valor de gm para unvalor ganancia de 7
AV = −gm ∗RPD
gm =5
750Ω
gm = 6,667mA/V
Con la ecuación 3 , se va a observar que se obtiene el valorde VGS.
gm =
∥∥∥∥2 ∗ IDSSV P
∥∥∥∥ ∗ (1− V GS
V P)
Entonces.
6,667 ∗ 10−3 =
∥∥∥∥2 ∗ 10,31 ∗ 10−3
−3,239
∥∥∥∥ ∗ (1− V GS
−2,906)
V GS = −0,151V
Aplicando la ecuación de Shorckley [1], se va a observarque se despeja la corriente de drain común.
ID = IDSS ∗(
1− V GS
V P
)2
ID = 10,31 ∗ 10−3 ∗(
1− −0,151
−3,239
)2
ID = 10mA
El calculo de los componentes se puede observar a conti-nuación.
V GS = −ID ∗RS
−0,151 = −10 ∗ 10−3RS
RS = 5Ω
Analizando la malla entre VDD y GROUND.
V DD = V RD + V DS + V RS
V DD
2= 10 ∗ 10−3 ∗ (RS +RD)
V DD = 30V
Calculo de los capacitores para una frecuencia de corte de2 kHz
CI =1
2 ∗ π ∗(
f10
)∗ (rs+ Zi)
CI =1
2 ∗ π ∗(2000Hz
10
)∗ (50Ω + 1MΩ)
CI = 795,73pF
CO =1
2 ∗ π ∗(
f10
)∗ (Zo+RL)
CO =1
2 ∗ π ∗(2000Hz
10
)∗ (1,5kΩ + 1,5kΩ)
CO = 0,265uf
CS =1
2 ∗ π ∗ (f) ∗( 1
gm∗Rs1
gm+RS
)CS =
1
2 ∗ π ∗(200010 Hz
)∗(
400∗1172400+1172
)CS = 47uF
El diagrama de Bode con el Simulador MULTISIM
Figura 10. Recta de carga SC
La salida del Osciloscopio con el Simulador MULTISIM
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 5
Figura 11. Recta de carga SC
Las rectas de carga correspondiente se observa en la figura12.
Figura 12. Recta de carga Source Comun
III-B. Amplificador Jfet-Gate Común
Antes del diseño del mismo, en el cuadro IV se observa losdatos iniciales para el comienzo del diseño.
Cuadro IVDATOS GATE COMÚN
Descripción ValorIdss 10.3163mAVp -3.23931vFc 2kHzAv 3Rl 4.7kΩRG 1MΩ
Circuito propuesto se observa en la figura 13.
Figura 14. Circuito equivalente GC
Figura 13. Circuito Gate comun
Su circuito equivalente se observa en al figura 14.Utilizando la máxima transferencias de potencia.
Zo = RL = 4,7kΩ
Entonces
Zo = RD
Por lo tanto
RD = 4,7kΩ
La impedancia de entrada es relativamente alta por lo queel transistor jfet no maneja corriente de Gate.
Zi = 1MΩ
Procedemos al calculo RPD
RPD =RD ∗RLRD +RL
Remplazamos datos de RD Y RL
RPD =4,7kΩ ∗ 4,7kΩ
4,7kΩ + 4,7kΩ
RPD = 2,35kΩ
Una vez obtenida RPD, se obtendrá el valor de gm para unvalor ganancia de 3
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 6
AV = −gm ∗RPD
gm =3
2,35kΩ
gm = 1,2766mA/V
Con la ecuación 3 , se va a observar que se obtiene el valorde VGS.
gm =
∥∥∥∥2 ∗ IDSSV P
∥∥∥∥ ∗ (1− V GS
V P)
Entonces.
1,2766 ∗ 10−3 =
∥∥∥∥2 ∗ 10,3163 ∗ 10−3
−3,23931
∥∥∥∥ ∗ (1− V GS
−3,23931)
V GS = −2,59007V
Aplicando la ecuación de Shorckley [1], se va a observarque se despeja la corriente de drain común.
ID = IDSS ∗(
1− V GS
V P
)2
ID = 10,3163 ∗ 10−3 ∗(
1− −2,59007
−3,23931
)2
ID = 0,414408mA
El calculo de los componentes se puede observar a conti-nuación.
V GS = −ID ∗RS
−2,59 = 0,414408 ∗ 10−3 ∗RS
RS = 6,25006 kΩ
Analizando la malla entre VDD y GROUND. Conociendoque VDS=VCC/2.
V DD = V RD + V DS + V RS
V DD = 9,07558V
V DS = 4,53779V
Calculo de los capacitores para una frecuencia de corte de2 kHz
Ci =1
2 ∗ π ∗ (f) ∗ (Zi+ rs)
Cuadro VFRECUENCIA DE CORTE-DIAGRAMA DE BUDE
fc/10 fc/5 fc 5*fc 10*fcf 200Hz 400Hz 2kHz 10kHz 20kHz
Av 0.238 0.407 1.783 2.794 2.873
Ci =1
2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (746,098Ω)
Ci = 106,658nF
Co =1
2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (Zo+RL)
Co =1
2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (9,4kΩ)
Co = 8,46569nF
CG =1
2 ∗ π ∗ (f) ∗ (ZG)
CG =1
2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (1000000)
CG = 79,5775pF
Realizando la máxima Dinámica.
V DSp = ID ∗RPD
VDSp = 0,9738588V
Entonces
V DSpp = 2 ∗ (V DSpp)
V DSpp = 1,9477176V
Nos queda que:
espp =V DSpp
AV
espp = 0,6492392V
Con sus respectivos puntos mostrados en el cuadroV,tomado desde fc/10 y 10*fc.
Las rectas de carga correspondiente se observa en la figura15.
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 7
Cuadro VIDATOS DRAIN COMUN
Descripción ValorIdss 10.31mAVp -3.239vFc 2kHzAv 1Id 100mA
Vdd 15vVds 7.5v
Figura 17. Circuito Equivalente Drain Comun
Figura 15. Reca de carga GC
III-C. Amplificador Jfet-Drain Común
Antes del diseño del mismo, en el cuadro VI se observa losdatos iniciales para el comienzo del diseño.
Circuito propuesto se observa en la figura 16.
Figura 16. Circuito drain comun
Su circuito equivalente se observa en al figura ??.Aplicando la ecuación de Shorckley [1], se va a observar
que se despeja la corriente de drain común.
ID = IDSS ∗(
1− V GS
V P
)2
100 ∗ 10−6 = 10,31 ∗ 10−3 ∗(
1− V GS
−3,239
)2
V GS = −2,49V
Con la ecuación 3 , se va a observar que se obtiene el valorde VGS.
gm =
∥∥∥∥2 ∗ IDSSV P
∥∥∥∥ ∗ (1− V GS
V P)
Entonces.
gm =
∥∥∥∥2 ∗ 10,31 ∗ 10−3
−2,77
∥∥∥∥ ∗ (1− −2,49
−3,239)
gm = 5,7414−3
Analizando las malla nos queda que:
V DD − V RD − V DS − V RS = 0
4,5− 2,49 = V RD
Conociendo anteriormente ID=100uA
RD = 4,7kΩ
Analizando
V GS = −ID ∗RS
Entonces queda que:
−2,49 = −100 ∗ 10−6 ∗RS
RS = RL = 4,7kΩ
La impedancia de entrada es relativamente alta por lo queel transistor jfet no maneja corriente de Gate.
Zi = 1MΩ
La impedancia de salida
Zo = 4,7kΩ
Una vez se obtuvo estos valores al ganancia total seria
AV =gm ∗ RS∗RL
RS+RL
1 + gm ∗(
RS∗RLRS+RL
)AV =
718,163 ∗ 10−6 ∗ 12,5 ∗ 103
1 + 718,163 ∗ 10−6 ∗ (12,5 ∗ 103)
AV = 0,9
Calculo de los capacitores para una frecuencia de corte de2 kHz
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 8
Cuadro VIIFRECUENCIA DE CORTE-DRIAGRAMA DE BUDE
fc/2 fc/10 fc 10*fcf 1000Hz 200Hz 2kHz 20kHz
Av -6.35 -17.44 -3.071 -1.225Avdb 0.481 0.134 0.702 0.868
CI =1
2 ∗ π ∗(
f10
)∗ (rs+ (Zi))
CI =1
2 ∗ π ∗(2000Hz
10
)∗ (50Ω + 1MΩ)
CI = 795,73pF
CO =1
2 ∗ π ∗(
f10
)∗ (Zo+RL)
CO = 27,65nF
CD =1
2 ∗ π ∗ (f) ∗ (RD)
CD =1
2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (20,1kΩ)
CD = 17,374nF
Con sus respectivos puntos mostrados en el cuadroVII,tomado desde fc/10 y 10*fc.
IV. MEDICIONES Y ANALISIS
IV-A. Amplificador Jfet-Source Común
Se utilizo la DAQ como instrumento de adquisición de datospara las gráficas. El diagrama de bode del Source común, sepuede apreciar en la figuras 18, 19 y 20.
Figura 18. Diagrama de bode SC
Figura 19. Diagrama de bode SC-2
Figura 20. Diagrama de bode SC-3
La señal de entrada es la señal de color verde y al amplifi-cada se encuentra de color azul, estas graficas se observa enla figura 21.
Figura 21. Señal de ingreso-Salida SC
IV-B. Amplificador Jfet-Gate Común
Se utilizo la myELVIS II como instrumento de adquisiciónde datos para las gráficas. El diagrama de bode del Sourcecomún, se puede apreciar en la figuras22, 23, 24, ??.
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 9
Figura 23. Bode Gate comun-en Fc
Figura 22. Bode Gate Común fc/10
Las señales de entrada son las señal de color verde yal amplificada se encuentra de color azul, estas gráficas seobserva en la figuras ??.
IV-C. Amplificador Jfet-Drain Común
Se utilizo la myELVIS II como instrumento de adquisiciónde datos para las gráficas. El diagrama de bode del Sourcecomún, se puede apreciar en la figuras??
Figura 24. Bode Gate comun-en 10*Fc
Figura 25. Entrada y Salida del Osciloscopio Gate Comun
Las señales de entrada son las señal de color verde yal amplificada se encuentra de color azul, estas gráficas seobserva en la figuras 26,?? ?? y ??.
Figura 26. Señal de ingreso-DC
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 10
Figura 27. Diagrama de Bode Drain Comun
CONCLUSIONES
JFET amplifiers are more likely to perform as they aremore stable, also to differences of BJT transistors, that drawcurrent unlike the JFET transistors working with voltagesapplied between G (gate) S (source). The design of this typeof amplifier is performed considering that the JFET transistorsdo not work with current G (gate). So to design one highvolume resistance was in the order of Mega ohms Zi (inputimpedance). The voltage gain for all these types of amplifierswas less than BJT amplifiers worked. The calculation wassimplified to make the hybrid circuit regardless rd in theanalysis.
REFERENCIAS
[1] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boy-lestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 378
[2] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boy-lestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 475
[3] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boy-lestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 479
[4] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boy-lestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 376