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Laboratorio Nº 08: AMPLIFICADOR CON TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO – FET Dennys Rivas Astuhuaman Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú [email protected]

INTRODUCCIÓN Cada vez que se va adquieriendo conocimientos nuevos mas comprendemos los funcionamientos de los dispositivos electronicos que son usados en la electronica,de los intrumentos de medida, del trabajo en equipo.

OBJETIVO

I.

El laboratorio deacuerdo a sus experimentos tiene como finalidad:   

Analizar las características de un amplificador con FET. Cálculo de la ganancia de voltaje usando Mosfet. Utilizar un simulador como soporte para análisis de los resultados obtenidos en la práctica

II.  

  

COMPETENCIAS

Reconoce la importancia del trabajo en equipo y participa en forma efectiva. Maneja correctamente el multímetro, generador de funciones, osciloscopio, fuente de alimentación configurando y conectándolos apropiadamente. Selecciona correctamente los componentes a utilizar para la experiencia del Transistor FET. Elabora informes técnicos claros mediante un formato digital establecido. Usa software de simulación y compara con los resultados experimentales.

A. JFET El JFET (Junction Feld-Effect Transistor, en español transistor de efecto e campo de juntura o unión) es un tipo de dispositivo electrónico de tres terminales que puede ser usado como interruptor electrónicamente controlado, amplificador o resistencia controlada por voltaje. Posee tres terminales, comúnmente llamados drenaje (D), puerta o compuerta (G) y fuente (S). A diferencia del transistor de unión bipolar el JFET, al ser un dispositivo controlado por un voltaje de entrada, no necesita de corriente de polarización. La carga eléctrica fluye a través de un canal semiconductor (de tipo N o P) que se halla entre el drenaje y la fuente. Aplicando una tensión eléctrica inversa al terminal de puerta, el canal se "estrecha" de modo que ofrece resistencia al paso de la corriente eléctrica. Un JFET conduce entre los terminales D y S cuando la tensión entre los terminales G y S (VGS) es igual a cero (región de saturación), pero cuando esta tensión aumenta en módulo y con la polaridad adecuada, la resistencia entre los terminales D y S crece, entrando así en la región óhmica, hasta determinado límite cuando deja de conducir y entra en corte. La gráfica de la tensión entre los terminales D y S (VDS) en el eje horizontal contra la corriente del terminal D (ID o corriente de drenaje) es una curva característica y propia de cada JFET. Un JFET tiene una gran impedancia de entrada (que se halla frecuentemente en el orden de1010 ohmios), lo cual significa que tiene un efecto despreciable respecto a los componentes o circuitos externos conectados a su terminal de puerta.

III.

TEORÍA

en la cual "k" es:

Puede suponerse que , siendo:

Ecuaciones del transistor J-FET[editar] 

Ecuación de entrada

Mediante la gráfica de entrada del transistor también llamada Curva característica de transferencia universal, a la izquierda de la figura adjunta, se pueden deducir las expresiones analíticas que permiten analizar matemáticamente el funcionamiento de este. Así, existen diferentes expresiones para las distintas zonas de funcionamiento. En la región activa del JFET, siempre que la tensión entre puerta y fuente VGS sea menor que el módulo de la tensión de estrangulamiento o estricción, en la cual el JFET cae en la zona de saturación, Vp también llamada VGS(off) , la curva de valores límite de ID viene dada por la expresión:

Los puntos incluidos en esta curva representan la corriente ID y la tensión VGS en la zona de saturación, mientras que los puntos del área bajo la curva representan la zona óhmica. Si |VGS| > |Vp| (zona de corte) la corriente de drenaje es cero (ID=0). 

Por tanto, en esta zona y a efectos de análisis, el transistor puede ser sustituido por una resistencia de valor Ron, con lo que se observa una relación entre la ID y la VDS definida por la Ley de Ohm. Esto hace que a esta zona de funcionamiento se le llame zona óhmica. A partir de una determinada tensión VDS la corriente ID deja de aumentar, quedándose fija en un valor al que se denomina ID de saturación o IDSAT. El valor de VDS a partir del cual se entra en esta nueva zona de funcionamiento viene dado por la expresión:

Ecuación de salida

En la gráfica de salida también llamada curva característica de drenaje, a la derecha de la figura, se pueden observar con más detalle los dos estados en los que el JFET permite el paso de corriente. En un primer momento, la corriente de drenaje aumenta progresivamente según lo hace la tensión de salida drenaje-fuente (VDS). Esta curva viene dada por la expresión:

La corriente de saturación IDSAT, característica de cada JFET, puede calcularse reescribiendo la ecuación de entrada y, usando para "k" la expresión ya mencionada, queda:



CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS JFET

Como lo mencionamos antes, el JFET es un dispositivo de tres terminales con una terminal capaz de controlar la corriente entre las otras dos. Para el transistor JFET el dispositivo de canal n será el dispositivo importante. La construcción básica del JFET de canal n se muestra en la figura. Observe que la parte principal de la estructura es el material tipo n, el cual forma el canal entre las capas incrustadas de material p. La parte superior del canal tipo n está conectada mediante un contacto óhmico a un material conocido como drenaje (D), en tanto que el extremo inferior del mismo material está conectado mediante un contacto óhmico a una terminal conocida como fuente (S). Los dos materiales tipo p están conectados entre sí y a la terminal de compuerta (G). En esencia, por consiguiente, el drenaje y la fuente están conectados a los extremos del canal tipo n y la compuerta a las dos capas de material tipo p. Sin potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n en condiciones sin polarización. El resultado es una región de empobrecimiento en cada unión, como se muestra en la figura , la cual se asemeja a la misma región de un diodo en condiciones sin polarización.

Recuerde también que una región de empobrecimiento no contiene portadores libres, y por consiguiente es incapaz de conducir.



Símbolos

Los símbolos gráficos para los JFET de canal n y de canal p:



Polarización de puerta del JFET.

Este tipo polarización se caracteriza porque se utilizan dos fuentes de alimentación, una de ellas se conecta directamente entre la compuerta y la fuente, si esta fuente de alimentación es variable se puede controlar la ID, lo cual a su vez provocará que el punto de operación del JFET cambie y como consecuencia cambiará VDS, de esta forma se puede hacer que el JFET trabaje en la región ohmica o en la región activa; este es el tipo de polarización que se utilizará si se quiere hacer trabajar al JFET como resistencia variable controlada por voltaje.

El arreglo principal para este tipo de polarización para un JFET de canal n y uno de canal p, es el que se muestra a continuación:

De la malla de entrada, por Kirchoff se puede ver para el JFET de canal n que VGS=-VGG y para el de canal p VGS=VGG, estas serán sus ecuaciones de entrada, son rectas paralelas al eje ID, las cuales hay que trazar sobre la gráfica de entrada, donde estas rectas corten a la curva de transferencia será el punto de operación para la entrada del JFET, a partir de este punto de corte se traza una paralela al eje VGS y se conocerá el valor de la ID para el punto de operación del JFET; si en la malla de salida se aplica nuevamente Kirchoff se obtendrá una ecuación a partir de la cual se puede despejar VDS y se tendrá: Para el JFET de canal n: VDS=VDD-ID*RD, que es su ecuación de recta de salida. Para el JFET de canal p: VDS=-VDD+ID*RD, que es su ecuación de recta de salida. Si en la ecuación recta de carga de la salida se reemplaza el valor de ID para el punto de operación, obtenida a partir de la curva de transferencia, se puede hallar la VDS para el punto de operación del transistor. En lo que sigue se comentará para el caso del JFET de canal n, lo cual también será válido para los JFET de canal p, con la única diferencia de que hay que invertir las polaridades; de la ecuación de recta de carga de salida obtenida para el JFET de canal n, hay que ubicar 2 puntos para trazarla, uno de los puntos se obtendrá haciendo ID=0, si se despeja se obtiene VDS=VDD, lo cual se conoce como tensión de drenaje fuente de corte VDScorte; el otro punto se obtendrá haciendo en la ecuación VDS=0, en este caso si se despeja se obtiene ID=VDD/RD lo cual se conoce como corriente de drenaje de saturación IDsat; por lo tanto los dos puntos que necesitamos ubicar sobre el gráfico de salida para

trazar la recta de carga serán VDScorte=VDD para ID=0 y IDsat=VDD/RD para VDS=0.

Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.

Los trazos de la recta de carga para la entrada y de la recta de carga para la salida en forma general para este tipo de polarización están representados en la siguiente figura.

El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados fuente (S, Source), drenador (D, Drain), puerta (G, Gate) y sustrato (B, Bulk). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales. El término 'metal' en el nombre MOSFET es actualmente incorrecto ya que el aluminio que fue el material de la puerta hasta mediados de 1970 fue sustituido por el silicio policristalino debido a su capacidad de formar puertas auto-alineadas. Las puertas metálicas están volviendo a ganar popularidad, dada la dificultad de incrementar la velocidad de operación de los transistores sin utilizar componentes metálicos en la puerta. De manera similar, el 'óxido' utilizado como aislante en la puerta también se ha reemplazado por otros materiales con el propósito de obtener canales fuertes con la aplicación de tensiones más pequeñas.

En la figura se puede ver que si la fuente de alimentación cambia en valor VGG se cambiará VGSQ, lo cual a su vez cambiará ID lo que hará que la recta de carga de salida cambie y como consecuencia cambie el punto de operación, este fenómeno es aprovechado cuando se quiere utilizar el JFET como resistencia variable, otra forma en que cambiará el punto de operación es si se cambia el JFET, ya que la curva de transferencia cambiará, por lo cual el punto de cruce de la recta de carga de entrada con la curva de transferencia cambiará lo que dará un nuevo valor para IDQ, entonces la recta de carga de salida se cruzará con una curva de salida diferente dando como resultado que el punto de operación cambie; mayormente el cambio de posición del punto de operación es demasiado grande cuando se cambia el JFET, de allí que si se quiere un punto de operación que no varíe si se cambia el JFET este tipo de polarización no sea lo mejor. Para este tipo de polarización se prepararon 5 vídeos donde se hacen circuitos de prueba con el JFET de canal n 2N3819, en los primeros 3 podrás ver como utilizar la recta de carga y en el cuarto vídeo verás como se puede polarizar un circuito en la zona activa y en el último como polarizarlo en la región óhmica.

B. MOSFET El transistor de efecto de campo metal-óxidosemiconductor o MOSFET (en inglés Metal-oxidesemiconductor Field-effect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo.

Un transistor de efecto de campo de puerta aislada o IGFET (Insulated-gate field-effect transistor) es un término relacionado que es equivalente a un MOSFET. El término IGFET es más inclusivo, ya que muchos transistores MOSFET utilizan una puerta que no es metálica, y un aislante de puerta que no es un óxido. Otro dispositivo relacionado es el MISFET, que es un transistor de efecto de campo metal-aislantesemiconductor (Metal-insulator-semiconductor fieldeffect transistor). 

Funcionamiento

Existen dos tipos de transistores MOSFET, ambos basados en la estructura MOS. Los primeros son los MOSFET de enriquecimiento los cuales se basan en la creación de un canal entre el drenador y la fuente, al aplicar una tensión en la puerta. La tensión de la puerta atrae portadores minoritarios hacia el canal, de manera que se forma una región de inversión, es decir, una región con dopado opuesto al que tenía el sustrato originalmente. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal. El canal puede formarse con un incremento en la concentración de electrones (en un nMOSFET o NMOS), o huecos (en un pMOSFET o PMOS). De este modo un transistor NMOS se construye con un sustrato tipo p y tiene un canal de tipo n, mientras que un transistor PMOS se construye con un sustrato tipo n y tiene un canal de tipo p. Los MOSFET de empobrecimiento o deplexión tienen un canal conductor en su estado de reposo, que se debe hacer desaparecer mediante la aplicación de la tensión eléctrica en la puerta, lo cual ocasiona una disminución de la cantidad de portadores de carga y una disminución respectiva de la conductividad.



Modo de operación

El funcionamiento de un transistor MOSFET se puede dividir en tres diferentes regiones de operación, dependiendo de las tensiones en sus terminales. En la presente discusión se utiliza un modelo ?algebraico que es válido para las tecnologías básicas antiguas, y se incluye aquí con fines didácticos. En los MOSFET modernos se requieren modelos computacionales que exhiben un comportamiento mucho más complejo.

Al polarizarse la puerta con una tensión mayor que la tensión de umbral, se crea una región de agotamiento en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (huecos en PMOS, electrones en NMOS) en la región de agotamiento, que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre drenador y fuente dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta. La corriente que entra por el drenador y sale por la fuente es modelada por medio de la ecuación:

Para un transistor NMOS de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: Corte NMOS en modo de corte. La región blanca indica que no existen portadores libres en esta zona, debido a que los electrones son repelidos del canal.

μn

donde

es la movilidad efectiva de los

portadores de carga,

COX

es la capacidad del óxido por unidad de

Cuando VGS < Vth

área,

donde Vth es la tensión de umbral del transistor

W es el ancho de la puerta,

De acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta región el dispositivo se encuentra apagado. No hay conducción entre la fuente y el drenador, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto.

L es la longitud de la puerta.

Un modelo más exacto considera el efecto de la energía térmica descrita por la distribución de Boltzmann para las energías de los electrones, en donde se permite que los electrones con alta energía presentes en la fuente ingresen al canal y fluyan hacia el drenador. Esto ocasiona una corriente subumbral, que es una función exponencial de la tensión entre puerta-fuente. La corriente subumbral sigue aproximadamente la siguiente ecuación:

donde ID0 es la corriente que existe cuando VGS = Vth, VT = kT/q es el voltaje térmico, n = 1 + CD/

NMOS en la región de saturación. Al aplicar una tensión de drenador más alta, los electrones son atraídos con más fuerza hacia el drenador y el canal se deforma. Cuando VGS > Vth y VDS > ( VGS – Vth ) Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente que entra por el drenador y sale por la fuente no se interrumpe, ya que es debida al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales. En esta región la corriente de drenador se modela con la siguiente ecuación:

COX

donde CD es la capacidad de la región de agotamiento, y

COX

Saturación o activa

es la capacidad de la capa de óxido.

Región lineal u óhmica NMOS en la región lineal. Se forma un canal de tipo n al lograr la inversión del sustrato, y la corriente fluye de drenador a fuente. Cuando VGS > Vth y VDS < ( VGS – Vth )



APLICACIONES

La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores PMOS y NMOS complementarios. Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:  

Resistencia controlada por tensión. Circuitos de conmutación de (HEXFET, FREDFET, etc).

potencia



Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.

       

IV.

Resistores de 1KΩ, 33KΩ, 10KΩ, 5.6KΩ, 3.3KΩ, 1MΩ(1/4 W) 01 Generador de funciones Conductores de conexión 01 Potenciómetro de 10K Capacitores 2x10uf, 47uf (25v) 01 Multímetro 01 Osciloscopio 02 Fuentes de Alimentación

RESPUESTAS A PREGUNTAS

A. Obtener de los manuales, información sobre los dispositivos a utilizar y presentar los datos más importantes.

Fig.1 El transistor FET

Fig.2 El osciloscopio

B. Resolver teóricamente el circuito propuesto, obteniendo la ganancia en pequeña señal y usando los parámetros respectivos. Fig.3 Resistencias

V.

EQUIPOS Y MATERIALES

Los materiales a utilizar en el laboratorio son:  

02 FET canal N, 2N5485 ó 2N5486 01 panel de conexiones

B. Teniendo cuidado de verificar la conexión del JFET, medir el punto de operación, tomando las tensiones de los terminales del transistor respecto a tierra, las corrientes tomadas en forma indirecta. No tomar entre terminales del dispositivo, ni medir las resistencias internas con el multímetro, pues se pueden exceder las corrientes permitidas en directa, conociendo que trabaja con el Gate polarizado en inversa.

Fig.4 El generador

Fig.5 Fuente DC

Fig.6 El multimetro

C. Con el circuito original, aplicar una señal Senoidal de 20mVoltios (pico) a una frecuencia de 1Khz y determinar la Ganancia de tensión midiendo la salida V0 = _________. D. Aumentar el nivel de Vi hasta observar una distorsión en la señal de salida V0 . La deformación no debe llegar a recortar la señal, sino hasta apreciar una alinealidad, deformando las ondulaciones positivas y negativas en distinta proporción V0(max)= _________. E. Manteniendo Vi constante, variar la frecuencia del generador llenando la tabla adjunta.

Fig.7 Capacitores

VI.

DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA

A. Armar el circuito de la figura.

F.

(Verificar en cada medición que Vi NO VARIE) Retirar el condensador Cs= 500uf y determinar la Ganancia de tensión:

G. Armar el circuito de la figura mostrada, dando el punto Q y la ganancia de tensión.Explicando las ventajas y desventajas que se logra.

VII.

SIMULACIÓN

A.

Av =

305 mV =7.625 40 mV

D. B.

RS = 1 K

RS= 5.6 K

RS = 3.3 K

RD = 5.6 K

VD(mV)

722.25

681.55

827.25

537,45

VS(uV)

573.29

557.66

677.13

705.12

VG(mV)

70.66

70.66

70.66

70.66

C.

A v max =

E.

4.83V =7. 1 680 mV

F (Hz)

V0

50

1.52

100

1.52

200

1.52

500

1.53

1K

1.52

2K

1.53

5K

1.52

10K

1.52

20K

1.52

50K

1.51

100K

1.52

200K

1.52

2M

1.52

Q

F.

Av =

[2]

Av = G.

241 mV =1.22 198 mV

1.64

VS(V)

5.031

VG(V)

0

752 mV =3.8 198 mV

VIII. [1]

VD(V)

BIBLIOGRAFÍA

Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky, Electroni devices and circuit theory, 10th edition. http://mrelbernitutoriales.com/transistorjfet/con ociendo-el-jfet/pruebas-con-el-jfet/curvadetransferencia-del-jfet/polarizacion-del-jfet/