Amplificadores con FET
MSc. Ebert San Roman
OBJETIVOS DEL CAPÍTULO
• Familiarizarse con el modelo de ca de señal pequeña para un JFET y
un MOSFET.
• Ser capaz de realizar un análisis de señal pequeña de ca de varias
configuraciones de JFET y MOSFET.
• Comenzar a apreciar la secuencia de diseño aplicada a
configuraciones de FET.
• Entender los efectos de los resistores de la fuente y de carga en las
impedancias de entrada, de salida y la ganancia total.
• Ser capaz de analizar configuraciones de amplificadores con FET y/o
BJT.
Introducción
• Los amplificadores con transistores de efecto de campo proporcionan una excelente ganancia de
voltaje con la ventaja adicional de una alta impedancia de entrada. También son configuraciones
de bajo consumo de potencia con un buen intervalo de frecuencia, y peso y tamaño mínimos. Se
pueden utilizar JFET, MOSFET de empobrecimiento y MESFET para diseñar amplificadores con
ganancias de voltaje semejantes. El circuito con MOSFET de empobrecimiento, sin embargo, tiene
una impedancia de entrada mucho mayor que una configuración con JFET similar.
• Mientras un dispositivo BJT controla una gran corriente de salida (del colector) por medio
de una corriente de entrada (de la base) relativamente pequeña, el dispositivo FET
controla una corriente de salida (del drenaje) por medio de un pequeño voltaje de
entrada. En general, por consiguiente, el BJT es un dispositivo controlado por corriente y
el FET es un dispositivo controlado por voltaje. Mientras que el BJT tiene un factor de
amplificación b (beta) el FET tiene un factor de transconductancia, gm.
MODELO DEL JFET DE SEÑAL PEQUEÑA
• El voltaje de la compuerta a la fuente controla la corriente del drenaje a la fuente (canal) de un
JFET.
• El factor de transconductancia gm, donde el prefijo trans en la terminología aplicada a gm revela
que establece una relación entre una cantidad de salida y una cantidad de entrada. Se escogió la
palabra raíz conductancia porque a gm lo determina una relación de voltaje a corriente similar a
la relación que define la conductancia de un resistor G = 1/R = I/V.
Determinación gráfica de gm
Definición de gm utilizando las características
de transferencia
Ejemplo 1
• Determine la magnitud de gm para un JFET con IDSS =8 mA y Vp = -4 V en los siguientes puntos de
polarización:
a.
VGS=-0.5 V.
b.
VGS=-1.5 V.
c.
VGS=-2.5 V.
Definición matemática de gm
• La derivada de una función en un punto es igual a la pendiente de la recta tangente trazada en
dicho punto.
• Si por consiguiente tomamos la derivada de ID con respecto a VGS (cálculo diferencial) por medio
de la ecuación de Shockley, podemos derivar una ecuación para gm como sigue:
Definición matemática de gm
• Donde |Vp| denota sólo magnitud, para garantizar un valor positivo para gm.
Ejemplo 2
Para el JFET cuyas características de transferencia son las del ejemplo 1:
a. Encuentre el valor de gm.
b. Encuentre el valor de gm en cada punto de operación del ejemplo 1 por medio de la ecuación de gm y
compare con los resultados gráficos
MODELO DEL JFET DE SEÑAL PEQUEÑA
• En las hojas de especificaciones se da gm como yfs, donde y indica que es parte de un circuito
equivalente de admitancia. La f significa parámetro de transferencia en directa y la s indica que
está conectado a la terminal de la fuente.
• Para un JFET convencional, yfs varía de 1000 a 5000 mS, o de 1 a 5 mS.
• Grafica de gm contra VGS
Efecto de ID en gm
• Una relación matemática entre gm y la corriente de cd de polarización ID se puede derivar
observando que la ecuación de Shockley se escribe de la siguiente forma:
Impedancias del JFET
• Impedancia de Entrada
Para un JFET un valor práctico de 109 Ω (1000 M Ω) es típico,
en tanto que un valor de 1012 Ω a 1015 Ω es típico para los
MOSFET y MESFET
• Impedancia de Salida
En hojas de especificaciones de los JFET, la impedancia de
salida en general aparece como yos con las unidades de mS.
El parámetro yos es un componente de un circuito
equivalente de admitancia donde el subíndice o indica que
se trata de un parámetro de la red de salida y s la terminal
(fuente) a la cual está conectado en el modelo. Para el JFET,
yos oscila entre 10 mS y 50 mS o 20 kΩ (R = 1/G= 50 mS) a
100 kΩ (R= 1/G = 10 mS).
Si es perfectamente horizontal, se tiene la
situación ideal con la impedancia de salida
infinita (un circuito abierto):
Ejemplo 3
• Determine la impedancia de entrada para el JFET de la figura para VGS = 0 V y VGS= -2 V en VDS =8 V.
Para VGS =0 V, se traza una recta tangente y se
selecciona VDS como 5 V, y se obtiene un ID de 0.2 mA.
Para VGS = 2 V, trace una tangente y seleccione VDS
como 8 V con lo que obtendremos un ID de 0.1 mA
Circuito equivalente de ca de un JFET
• En situaciones en que se ignora rd
(suficientemente grande en relación con
otros elementos de la red como para ser
representada de forma aproximada por un
circuito abierto), el circuito equivalente es
sólo una fuente de corriente cuya magnitud
la controla la señal Vgs y el parámetro gm;
desde luego, es un dispositivo controlado
por voltaje.
EJEMPLO 4
• Dados yfs = 3.8 mA y yos = 20 mS, trace el modelo equivalente de ca de FET.
CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN FIJA
EJEMPLO 5
La configuración de polarización fija del ejemplo tiene un punto de operación definido por VGSQ = - 2V e
IDQ= 5.625 mA, con IDSS =10 mA y Vp= - 8 V. La red se volvió a dibujar en la figura con la señal aplicada
Vi. El valor de yos se da como 40 μS.
a. Determine gm.
b. Encuentre rd.
c. Determine Zi.
d. Calcule Zo.
e. Determine la ganancia de voltaje Av.
f. Determine Av ignorando los efectos de rd.
EJEMPLO 5
CONFIGURACIÓN DE AUTOPOLARIZACIÓN
CONFIGURACIÓN DE AUTOPOLARIZACIÓN sin
puentear RS
CONFIGURACIÓN DE AUTOPOLARIZACIÓN sin
puentear RS
CONFIGURACIÓN DE AUTOPOLARIZACIÓN sin
puentear RS
Sustituyendo Vgs, Vo y VRS
EJEMPLO 6
La configuración de autopolarización tiene un punto de operación definido por VGSQ = -2.6 V e IDQ= 2.6 mA
con IDSS= 8 mA y Vp= -6 V. La red se volvió a dibujar como la figura con una señal aplicada Vi. El valor de yos es
de 20 μS.
a.
Determine gm.
b.
Encuentre rd.
c.
Encuentre Zi.
d.
Calcule Zo con y sin los efectos de rd.
e.
Calcule Av con y sin los efectos de rd.
EJEMPLO 6
CONFIGURACIÓN DEL DIVISOR DE VOLTAJE
CONFIGURACIÓN DEL JFET EN COMPUERTA
COMÚN
CONFIGURACIÓN DEL JFET EN COMPUERTA
COMÚN
CONFIGURACIÓN DEL JFET EN COMPUERTA
COMÚN
Sustituyendo Vi =0 V
Los efectos de RS y establecerá Vgs a 0 V. El
resultado es gmVgs =0 y rd estará en paralelo con
RD
CONFIGURACIÓN DEL JFET EN COMPUERTA
COMÚN
EJEMPLO 7
Aun cuando inicialmente al parecer la red de la figura pudiera no ser de la variedad de compuerta común, un
examen minucioso revelará que tiene todas las características. Si VGSQ=2.2 V y IDQ= 2.03 mA.
a.
Determine gm.
b.
Encuentre rd.
c.
Calcule Zi con y sin rd. Compare los resultados.
d.
Encuentre Zo con y sin rd. Compare los resultados.
e.
Determine Vo con y sin rd. Compare los resultados.
EJEMPLO 7
EJEMPLO 7
CONFIGURACIÓN DEL JFET EN FUENTE-SEGUIDOR
(DRENAJE COMÚN)
CONFIGURACIÓN DEL JFET EN FUENTE-SEGUIDOR
(DRENAJE COMÚN)
CONFIGURACIÓN DEL JFET EN FUENTE-SEGUIDOR
(DRENAJE COMÚN)
EJEMPLO 8
Un análisis de cd de la red en fuente-seguidor de la figura da VGSQ=2.86 V y IDQ = 4.56 mA.
a.
Determine gm.
b.
Encuentre rd.
c.
Determine Zi.
d.
Calcule Zo con y sin rd.
e.
Determine Av con y sin rd..
EJEMPLO 8
LOS MOSFET TIPO EMPOBRECIMIENTO
La única diferencia ofrecida por los D-MOSFET es que VGSQ puede ser positivo para
dispositivos
de canal n y negativos para unidades de canal p. El resultado es que gm puede ser mayor que
gm0,
EJEMPLO 9
La red de la figura se analizó y se obtuvieron los resultados VGSQ = 0.35 V e IDQ = 7.6 mA.
a. Determine gm y compare con gm0.
b. Encuentre rd.
c. Encuentre Zi.
d. Calcule Zo.
e. Encuentre Av.
EJEMPLO 9
Preguntas
Gracias
EBERT SAN ROMAN CASTILLO