Practica # 10

Experimento

de laboratorio

16

Amplificador de voltaje con MOSFET

Objetivos It.. Medir loa voltajel de °lHrracion de cd de un amplificador de voltaje con MOSFET. B. MOltrar cOmo funciona un amplificador de voltaje con MQSFET, Y detenninar au ganancia de voltaje. C. Medir I. relacion de fue entre 101 volt&jel de la cOiDpuerta, la fuente y el dreaaje en un ampUficador de voltaje con MOSFET.

varia~iones en las caracteristical entre transistores del mismo tipo. 5. La retroalimentacion degenerativa de ca de la resistencia. de fuente se puede eliminar utilizando un capacitor de paso. 4. La ganancia de voltaje en un amplificador con MOSFET es una funcion de la trasconductancia (g".) del transistor y de la impe. dancia de carp. 5. EI ampUficador de fuente comun con tdOSFET invierte la sdial.

Conceptql bisicol

I~fcwmacionpreliminar 1. Lo, amplificadores con MOSFET Ie deben polarizar correctamenteo para estabilizar el Los MOSFETs de modo de empobrecimiento son II circuito contra las variacionesde parametros muy semejantes a 105JFETs que ya Ie estudiaron I en los tranaistores del mismo tipo. .La mayoria de IQsamplificadores de I I. La autopo1arizacion mediante °1aresistencia previamente. voltaje quellt~ MOSFETs de tipo de empode fuente suministra derta correccion para brecimiento emn diseiiados en la misma manera i I

I,

'1' Ampli/iftldor

de t1t1ltf1/eeon M08FET

+Voo

Con fuente de voltaje y resisten~ia de carga eorreeto. se puede obtener buena gananeia. En efee. to, por 10 general la ganancia de voltaje es mejor en un circuito de polarizacion cero. Un corrimiento dado en VG5 erea un cambio mayor en ID ,(:era de la polarizacion cero. Ya que la ganancia de voltaje es proporcional a la trasconductancia y esta es mayor cerca de la polarizaci6n cero, se 10' gramaxima ganancia de voltaje.

c~

YtI'

lit.

,..

"..,

v.. ,... V..-t....

f~

VQ8

.

-t""," ¥III

FIt.'.1 que 105 amplificadores de voltaje con JFETs. Generalmente no es d~seable la' polarizacion fija de. bido a la nceesidad de tener una fuente de pola. rizacion por separado y debido a la variacion ex. trema, entre los transistores, del mismo tipo. Por 10 general, se emplea derta forma de retroalimen. tacion 0 ajuste de polarizaciOn para estabilizar el punto de operacion del circuito. Una resistencia de fuente representa una buena solueion al pro. blema de la polarizacion. Proporciona la retroali. mentacion de cd para el funcionamiento estable del cireuito y forma una fuente economica de'" polarizacion.

J

La dificultad" con el circuito de la figura'g.l es que np funciona apropiadamente con todos los transistor~s. La corriente ID55 de drenaje de polarizacian eero para los MOSFETs del mismo tipo. puede variar en un rango de tres a uno, 0 incluso mas. En QUas. palabras, la corriente estatica del cireuito sera impredictible segun' se utilicen otros transistores.Idealmente, alrededor de la mitad del voltaje de la, fuente debe de caer a traves de R L , 10 que no oeurre para transistores con valor mayor 0 Menor de ~D55,' ~n consecuencia, casi debe dismarse el circuito expresamente alrededor de cada transistor y en caso de que se necesite sustituir a- este, se puede tener que probar much os .transistores antes de encontrar una unidad ade
Para valores limitados de IDss, se puede operar Los MOSFETs de modo de enriquecimiento deun amplificador de MOSFET sin polarizaciOn.Ya hen estar! polarizados cuandose ope ran como que la eompuerta esm aislada, se elimina la, posi. amplifieadores lineales de voltaje. Por 10 normal bilidad de eorriente de eompuerta para entrad~ elstos dispositivos estan apagados y se debe aplicar de senales pequenas. Algunos MOSFETscon bue. derta. polarizacion para establecer la corriente de nas earacterfsticas de empobrecimiento.enriqucei. miento proporcionan buen rcn4imiento en el mo-.', drenaje operacioQ.. La figura 9.2 muestra el circuito para un amplificador de voltaje de, MOSFET do .de polarizadon cero. La figu~ 9.1 mucstra un amplificador de voltaje de MOSFETque runeiona con polarizacion cero.

+VDD

'

Aunque la fuente de seiiales de la figura 9.1 ope. ra' a la compuerta en forma positiva con respecto a la fuente, no fluye eotriente de compuerta para niveles razonables de la senal de entrada; Las cur. vas earacteristicas del dispositivo muestran que el transistor es capaz de funeionar tanto en el modo de empobrecimiento como en el de enriqueci. miento. Cuando la seiial va a negativo, se utiliza el modo de empobrecimiento. Cuando Ia ,seiialva a positivo se utiliza el modo de enriquecimiento.

RL D S

f~

.... Fig. 9-2

8S

"""""'Ctldor . poI,. COli MOSFEt

en modo de, enriquecimiento..\,RG es la resistencia de polarizacion y normalmente tiene valor bastan. te elevado (10 a 47 megohms). Debido a una coIriente muy pequefia de compuerta, hay una caida minima a traves de RG, 10 que quiere decir que el voltaje de compuerta es casi igualalvoltaje de drenaje. La resistencia de carga se elige para dar buena. operacion lineal, 10 cual ~dida que aproximadamente la mitad del voltaje cae a traves de ella.

'VCC=15Vcd + R3 1K

C1 O.oz2l,tF

th

f

---,...+C2

En"'8d1

R4 ""'.F 110n I I

.

Fi,. 9.3

\

Lecturas complementarias Para mayor informacion sobre este tema, consulte la bibliogtafia al final de es~e capitulo. ,.

Eq~ipo Y materiales

I

Fuente de energla Generador de AF

15 Vcd, 20mA

Osciloscopio YOM electronico Sistema de capacitacion en electronica

Cl, C3

,dq...de pol3rizaci6nestabiliza la operacion del cir. cUito par~Pf\ramett'os de dispositivos que pueden variar. extensamC"nte entre MOSFETs del mismo tipo. CJ b) Ajuste el voltaje VDD de drenaje de la fuente a 15Vcd. q c) Ajuste e! VO~ al rango de 15 volts cd y micia VD (vqltajecde drenaje a tierra).

.: O.d22p.F

C2

-

Q1

-MOSFET, de canal N y protecci6n de compueita, 40841

R1 R2 R3 R4

- 2.2Mn, 1W - 1S0kn, 1W

r:f d) lA que conclusion llega si VD mide 15 volts? '..,

- 1kn, 1W - IS0n, lW

Procedimiento

............................................................

.......................................................................... ............................................................. """"

"""""

...............................

\

Objetivo A. Medir los voltajes de operacion de cd de un amplificador de voltaje con MOSFET.

:-

0 e) Ajus~e el YOM J en el rango de 1.5 volt cd y mida Vs (voltaje de fuente a ,tierra). Vs

0 1. a) Conecte el circuito como se indica en la figura 9.3. Para impcdir daiio al MOSFET todavia no aplique energia ni conecte aun el capacitor de paso C2. Ambas compuertas estan conectadas entre si para simular un MOSFET de UDa'sola com. puerta. En el circuito se utilizan dos tipos de po. larizacion: de compuerta y de 'fuente; Este mcho.

Vcd

V'\D ::;: ,

2Sp.F, Electrolitico'

Tablero universal X, para experimentos

86

SeJid8

::;:

Vcd

"

a

f), Mida VG (voltaje de compuerta a ti~ra). V0

=

Vdt;

0 g) l Vs debe de SeI:igual a VGs, la polariza. cion de compuerta a fuente?

T "-

AmpU/lffldor

Explique su respuesta. ..

0 c) Mida fa senal de salida de pica a pico en el drenaje del ~mplificador utilizando el oscilosCOpIO.

'''''''''''''''''''''''''0''''''''''''''''''

... """"'"

"''''

,

I

....

eo

0 h) lComo determina VGS cuando se utilizan polarizaciond combinadas de, compuerta y fuente? """"""""""""""""""""""""""""""'"''''''''''''''''

0

= Va -

Vs

-

"

...

...........

Vas

=

Av

= eoIe,

..,

........................ Av

=

''''

........

,..c..,.'

~. .!'~\~':. .".-.:

','

0

j), Mida la senal desalida de pica a pica.

Vcd

'

0 J) Indique si la cotnpuerta es negativa con respecto a la fuente.

eo

0

0 l) ,lQue efecto tiene la polarizaci6n de compuerta en la impedancia de entrada del circuito?

v pep

g) Calcule la ganancia de voliaje.

"""" . ''''''''

"'"''''''''''

=

Av

0 k)iEn cu.H modo esta operandosu circuito ampljficador, el de empobrecimiento 0' el de entique(iimiento? i"""""''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''

v pep

0 e) Conecte el capacitor electrol{tico de 25JlF C2 a traves de la resistencia R 4 de la fuente. El extrema negativo del capacitor debe estar a tierra. \

Vo ,

=

, d) Calcule la ganancia de voltaje.

..'" ...................

or Vs

0

.

I) Calcule VGS para su circ~ito.

Vas

de ."oltllje CO" M08Jl!ET

"'"

= eoIe,

............................................................ """"'"

Av

=

.......

0 h) Cuando se agrega el capacitor de paso de la resistencia de fuente ique sucede a la ganancia de ~oltaje?

..

""""'"''''''''''''''''''''''''''''''''

0

I) lPor que el capacitor de paso de la resis-

Objetivo B. Mostrar como tuncio~ un amplificatencia de fuente a~menta la ganancia del voltaje? dor de voltaje con MOSFET, y detenninar su pnancia de voltaje. "''''''''

,...

"""''''''''''''r'

.'...........

"'"'''''''''''' ~................................. 0 2. a) Ajuste el generador de AF par,auna ~it da de onda senoidala una frecuencia dt 1k.ij2. '" . , """""""""""'"'' """""'"'' a b) Conecte el gener'\dor de AF a la f"ltrada del amplificador con MOSFET. Use el osciloscopio para ajustar el nivel de salida del gene~dor;a 0 j) Suponga que la transconductancia del 0.4 volts pico a pico. transistor es de 6000 micromhos, calcule la ga-

,

I

J I I

87

--

TI' Amplificador de voltaje con MOSFET

nancia de voltaje esperada 'para este amplificador. Primero cambie lo~ micromhos a mhos. Av ..

... .......

Av

= 1m =

X RL

c h) ,Mucvael capacitor de acop,1amientohorizontal ala tcrmu.! de la fuente. Regimeel tram en c) de Ja ragura9-4.

C ....................

'

i' I.A que condusionpuedeUegarcon res-

peett> a 1a re1adon de fue entre la eompuerta y ......................................... mente del ali1pn~or?..

~.'

0 k) Compare 105 valores de !as ganan~ g) y j). lConcuerdan favorablemente?

......

de

Objetivo C. Medir la relacion de 'fase entre 101 voltajes de compuerta, fuente y drenaje de un am-

0

plificador de voltaje con MOSFET. ...

~

0 3. a) Quite eI capacitor de paso de laresistencia de fuente C2 del circuito amplific:ador. 0 b) Use la entrada horizontal extema y la . senal de prueba calibrada y calibre el amplific:ador horizontal del osciloscopio para 0.25 Vfem . como en los experimentos anteriores. 0./ c) Ajuste eI osciloscopio para deflexion va-tICal d.. 0.(,1Vtcrr.. Use la punta de prucha multiplicadora XI0 y conecte la entrada del osciloscopio a 1a compuerta del amplificador. De sa- ncce. sarlo, reajuste la senal de entrada para 0.4 volts pico a pico. 0 d) Conecte el capacitor C3 de 0.0221lF en serie con la punta de entrada horizontal alosciloscopio. Use la otra punta del capacitor como punta de prueba.

+++ ,I Refentncll

b I Compuena I dreneje

cl CoInpuetu. tuen8

Fig. 9-4

0 e) Conecte el capacitor de acoplamiento horizontal a la compuerta del ainplificador. ,Regiatre el trazo en la pantalla en (I) de 1a figUra 9... 0 f) Mueva el capacitor de acoplamiento h0rizontal al drenaje. Registre d trazo en b) de Ia figura 9.4. 0 g) lA que conclusion Uega con rapccto a la relacion de fase entre la compuerta y cldrcuajc del amplificador? ,

C ,J) 51 Ie pua e1 drenaje 'a tiara y la ICiial de salida se toma de la fuente, l.c6mo se identific:aa1amplific:ador? ~.............................

88

\

A) AjUlte todas !as fuentes de voltaje a '

Rc.unacn En este expcrirnento de laboratorio estudio como funciona un amplificador de voltaje con MOSFET de dma1 N. Primero midio 105voltajes de operaciOri de cd. De SUIvalores de VG Y Vs, calculo YG.. Encontro que en un amplificador de voltaje con MOSFET que tiene polarizacion q,nto del compuerta como de fuente Y con caraeterlsticas de empobrcc:imientoy enrlquecimiento, VGS puede ICtpositivo 0 negativo entre 101MOSFETsdel mismo apo debido a !as variaciones de 101paramctl'Ol. Determmo que Ii YGS el positivo, d punto de operaclon. de cd ad en d modo de enriquecimknt~,.y Ii VGS es negativo el punto de opcraei6n de c.data en el modo deempobrecimicnto en ate dispositivo de canal N. Tambien aprendio que" polarizacion fija reduee la impedancia de entrada del MOSFET. Luego aplic6 una seftal de entrada. al amplifieador, midio el voltaje de saIlda y ca1culo Ia ganancia de voltaje. Coneetando un capacitor de paso a traves de la resistencia de fuente, dem08trO que Ie puecie lograr un considerable aumento en 1a ganancia debido a la reducdlm en la rctroalimentacion degenerativa. OUcu1Ola (pnancia utUizando un valor dadQ de I". y e1 valor real de RL' Relaciono el valor tea. rico con el valor pr&cticode 1apIWlcia y eneonuo que ambos secomparan favorablemente. Por .

Ultimo, midio 1a relacilm de fase entre 101voltajes

de compuena. fuel}te y drenaje. Eneontroque d voltajcde drenaje csd desfasado 180 grados con ),

~specto

at voltajede

entrada, y que 101 voltajes

de fuente y compuerta estan en fue.

~

1