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PRÁCTICA 11
"Amplificador con JFET en configuración Fuente Común"
Silva Pérez Edzna Claudia
Söhle Góngora Jessica
Villa Aguirre Karen Susana
Facultad de Ciencias, UNAM.
Laboratorio de Electrónica, 2014-I
Resumen
En esta práctica se analizó de un amplificador con un JFET canal-N en configuración
fuente común con sus caracterizaciones en CD y AC. Al obtener experimentalmente
Vp e IDSS se obtiene la curva de la ecuación de Shockley, donde los valores de Vp e
IDSS son 4.2 + 0.0046 V y 12.350 + 0.0617 mA respectivamente, con estos valores
encontrados se hizo la gráfica que describe la curva dicha curva. A su vez se midieron
los voltajes VDD, VGS,VRD,VDS y VRS, junto con las corrientes IRD. Se obtiene
también la ganancia de voltaje con un valor de 7.5 V, y un ancho de banda de 540000 +
5430 hz.
Introduccion
Una de las aplicaciones importantes de los transistores de efecto de campo es la
capacidad de amplificar pequeñas señales de corriente y/o voltaje variantes en el
tiempo. Por ejemplo, los amplificadores con JFET se emplean como amplificadores
de bajo nivel en una primera etapa en receptores de radiocomunicación; o en
circuitos de alarma de contacto, por citar algunos ejemplos.
Dada su polarización eficiente también son utilizados en amplificadores de
potencia y en circuitos de conmutación. En el caso de amplificación de señales sin
distorsión se requiere que el transistor opere en la región activa. Existen tres
configuraciones básicas de amplificadores JFET de una sola etapa: amplificador en
fuente común, amplificador en drenador común y amplificador en compuerta
común.
En esta práctica estudiaremos el JFET en configuración fuente común.
Objetivos
Construir y analizar un amplificador con un JFET canal-N en configuración
fuente común,
caracterizando su equivalente de c.d. y su equivalente de c.a.
Determinar la ganancia de voltaje y su ancho de banda, y medir la resistencia
de salida.
Marco teórico
1. EL TRANSISTOR JFET.
El transistor de unión de efecto campo JFET (Junction Field Effect Transistor)está
formado por una unión p+n o n+p. El lado más dopado corresponde a la puerta,
mientras que el menos dopado es el canal. Según el tipo de dopado del canal,
distinguiremos dos tipos de transistores JFET: de canal n y de canal p. La figura
1representa esquemáticamente la estructura de un transistor JFET de canal n. En la
práctica, la estructura real de los transistores JFET difiere del esquema idealizado de
la figura 1. Es habitual que haya dos zonas p+ o n+ cumpliendo el papel de puerta, que
se polarizan a través del mismo electrodo.
El funcionamiento del JFET, a grandes rasgos, es el siguiente: En los extremos del
canal se colocan dos electrodos (fuente y drenador), de modo que al establecer una
diferencia de potencial entre ellos circulará una corriente a través del canal. Por otro
lado, en la unión p-n constituida por la puerta y el canal se formará una zona de
vaciamiento. La anchura de esta zona de vaciamiento puede aumentarse al establecer una
polarización inversa entre la puerta y el canal, con lo cual la anchura efectiva del canal se
reducirá. Esta reducción de la anchura del canal supone un aumento de su resistencia que
resultará en una disminución de la corriente que lo atraviesa. En definitiva, se
consigue modular la corriente entre dos terminales (fuente y drenador) mediante la
aplicación de una señal en un tercer terminal (puerta).
Los JFETs o Transistores de efecto de campo de unión son dispositivos de tres
terminales de baja potencia. La conducción de corriente la llevan a cabo a través de un
solo tipo de portador por lo cual se le reconoce como transistores unipolares.
El Principio de funcionamiento de los Transistores de efecto de campo (Field Effect
Transistor) FETS se sustenta en controlar la cantidad de portadores de carga de una
región de semiconductor denominada canal por medio de un campo eléctrico que se
produce al aplicar un voltaje entre la terminal denominada compuerta (Gate) y la
terminal denominada fuente (Source).
Los Transistores de efecto de campo de unión (JFET) se clasifican en:
1.- JFETS canal N, en los cuales su canal se fabrica con material tipo N y la compuerta
es de material tipo P
2.- JFET canal N en los que su canal es de material P y la compuerta de material N.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL JFET
En cada uno de los tipos de JFET la polarización entre la compuerta y la fuente debe
ser tipo inverso permitiéndose como valores límite 0 volts para disminuir la
resistividad del canal al mínimo y un voltaje denominado voltaje de apagado para
incrementar al máximo la resistividad del mismo
Existe además un voltaje máximo entre compuerta y fuente que de excederse dañaría
dieléctricamente al dispositivo.
Para explicar el principio de funcionamiento de los JFET nos referiremos a un JFET
canal N en el cual inicialmente se provoca mediante un corto circuito que el voltaje
VGS = 0V. Bajo esta condición se comienza a variar desde cero el voltaje VDS lo cual
provocará que la tensión entre las terminales de drenaje y compuerta polaricen en
forma inversa la unión entre dichas terminales creándose un campo eléctrico que
empobrece la cantidad de portadores de carga entre estas dos terminales como se
muestra en la figura. Este empobrecimiento no ocurre hacia el terminal de fuente
debido a que el VGS = 0V.
AMPLIFICADOR CON JFET.
En la figura 12 se muestra un amplificador habitual de una etapa utilizando un JFET en
configuración de fuente común, incluyendo la fuente de alimentación, Vf con su
impedancia de salida Rf y capacidades de acoplo C1y C2.
Los parámetros que caracterizan a un amplificador de tensión son la impedancia de
entrada, la impedancia de salida, la ganancia en tensión y el ancho de banda.
GANANCIA EN TENSIÓN.
La ganancia en tensión se define como el cociente entre la tensión de salida y la de
entrada. En el circuito de la figura 13, podemos distinguir dos ganancias, según
consideremos como entrada la tensión { } (tensión a la entrada del amplificador) o
la tensión vf (tensión suministrada por la fuente):
La ganancia { } es la que realmente mide la amplificación producida. En la práctica,
es difícil medir { } , pues para poder medir la entrada { } es necesario medir la
tensión de la fuente de alimentación en vacío, desconectándola del resto del circuito.
CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN DEL JFET.
Entendemos por circuito de polarización el conjunto de elementos (fuentes y
resistencias) que se utilizan para situar un dispositivo en su punto de trabajo. De los
posibles circuitos que existen para el JFET, vamos a considerar únicamente aquellos
que involucran una única fuente de alimentación, por ser los que normalmente se
utilizan.
Amplificador en fuente común
Un amplificador en fuente común es aquel en el que se aplica una señal de entrada
de CA a la compuerta y la señal de salida de CA se toma de la terminal del
drenador. La terminal de fuente es común tanto para la señal de entrada como
para la de salida. Las configuraciones básicas para este amplificador pueden
incluir un resistor de fuente RS; o dos resistores Rs en serie (RS=RS1+RS2), donde
sólo uno de ellos cuenta con un capacitor en derivación (conectado en paralelo a
este); o puede ser una configuración donde RS=0. Un ejemplo de este tipo de
amplificador que utiliza dos resistores RS. El circuito utiliza un JFET canal N
polarizado mediante un divisor de voltaje. Si este circuito se modifica de tal forma
que R1=∞ (circuito abierto), entonces la polarización del amplificador cambia a la
de un JFET autopolarizado. La resistencia de carga RL así como la fuente de PF4 –
Amplificación de Voltaje con FETs señal de CA vs se encuentran acoplados a la red
de polarización mediante capacitores (denominados capacitares de acoplamiento)
Análisis de CD. El circuito equivalente de CD para el amplificador fuente común. En
el análisis de CD se considera la impedancia de los capacitares como infinita de tal
forma que estos actúan como circuitos abiertos. También la red de polarización de
la compuerta se ha simplificado mediante la aplicación del teorema de Thevenin,
las ecuaciones para la red de la compuerta se presentan enseguida.
La resistencia de compuerta es dada por: RG = R1 || R2 . Generalmente IGSS es
muy pequeña por lo que para efectos prácticos se considera como IGSS=0, el
resistor RG mantiene a la compuerta en aproximadamente VGG volts de CD. VGG se
obtiene aplicando un divisor de voltaje:
En el caso de un red de auto polarización donde R1=∞, las ecuaciones son RG=R2 y
VGG=0V. El análisis de la malla compuerta-fuente arroja la ecuación:
De esta relación se despeja el voltaje VGS y se sustituye en la ecuación de Shockley:
La ecuación resultante es de tipo cuadrática que se resuelve para ID, esta arroja
dos soluciones: ID1 e ID2; cuando el circuito opera en la zona activa, generalmente
una de ellas es descartada ya que no cumple con las condiciones para esta zona de
operación. El valor de la corriente drenador de operación real debe encontrarse en
el intervalo y el voltaje de compuerta-fuente, para esta corriente
de operación, debe cumplir con la condición . Una vez
determinada , se analiza la malla denador-fuente:
Análisis de CA. Para obtener este circuito se consideran los capacitores en corto
circuito al igual que la fuente de CD. Que equivale a un circuito de señal pequeña para
amplificador común.
Desarrollo experimental
EQUIPO
1 Osciloscopio digital (TEKTRONIX INC,BEAVERTON MODELO TDS1002 C036656)
1 Multímetro digital (DIGITAL MULTIMER DT9205A)
1 Generador de Funciones (TENMA SERIAL# 5090077)
1 Fuente de Poder (HEWLETT PACKARD E3611A)
MATERIAL
1 'proto-board'
1 transistor: 2A245 (con hoja de datos)
3 resistencias
3 condensadores
1 trimpot
Procedimiento
1. Incrementar VDD desde 0 volts hasta que se sature ID, determinando así IDSS.
En este circuito se conectó el emisor con la base en serie y así el colector se
encontrara en serie con el multímetro y la fuente de poder.
Lo que haremos será aumentar el voltaje de la fuente de poder desde cero hasta que
se sature ID, que será nuestro resultado.
Se elabora el circuito siguiente
2. Agregamos una fuente de voltaje en serie con el colector y el emisor, con la
fuente de poder (VDD) a 30v y la fuente de poder (VGG). Con esto queda
determinado VP.
Con VGS=0V, medir el valor del voltaje VRD a través de la resistencia. Utilizamos la
ecuación IDSS=VRD/RD
Lentamente aumentamos VGS de forma negativa hasta que VRD=0 V
En este punto ID=0A, por lo que el valor de VGS donde ID=0A es VP
Observaciones:
Pudimos notar que con voltaje de compuerta, i.e Fuente (VGS) en 0 VOLTS y midiendo
el voltaje que pasa a través de la resistencia, además de emplear la ley de ohm se
obtiene el IDSS
Además al Incrementar VGG desde 0 volts hasta que ID = 0, también se puede
determinar VP.
3. Después elaboramos el siguiente circuito, que es un circuito de polarización del
JFET y determinamos los siguientes parámetros:
(a) VDD, VGS, VRD, VDS, VRS.
(b) IRD, IRS.
Se agregan al circuito tres resistencias (2.7kΩ, 1MΩ y 820Ω),conectadas con el emisor
la de 1MΩ, la base en serie con la resistencia en 2.7kΩ y la fuente de poder que se
encuentra 30v y a la tierra. Para el colector, estará conectado con la resistencia de
820Ω.
Ahora ya pueden medirse los voltajes con el multimetro en forma paralela y la
corriente en serie.
4. Para la última parte medimos:
(a) Av
(b) ancho de banda
(c) impedancia de salida
Agregamos dos resistencias (4.7 microfaradios y 470 microfaradios), junto con el
generador de ondas y el osciloscopio para determinar el ancho de banda, es decir la
diferencia d3el voltaje de entrada con el voltaje de salida. Para la impedancia, esta
será medida con el multimetro.
Conclusiones
Este amplificador realizado ha resultado ser mejor respecto a la ganancia,
impedancias de entrada y de salida y el ancho de banda, es decir, comparado con otros
amplificadores realizados en el curso observamos que este es más eficiente en los
parámetros ya mencionados.
Además;
El JFET tiene una resistencia de entrada muy alta.
El JFET encuentra un número limitado de aplicaciones en el diseño de circuitos
discretos, principalmente como amplificador de elevada resistencia de entrada
y como conmutador analógico.
Bibliografía
· Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 5 and 6)
Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd Edition, 2007
