dispositivos eletrônicos - Universidade Federal do Piauí

Universidade Federal do Piauí
Centro de Tecnologia
Curso de Engenharia Elétrica
DISPOSITIVOS
ELETRÔNICOS
Transistores de Efeito de Campo
- Parte I - JFETs
Prof. Marcos Zurita
[email protected]
www.ufpi.br/zurita
Teresina - 2012
Sumário
●
●
●
●
●
●
●
1. Introdução
2. O Transistor JFET
3. Características do JFET
4. Regiões de Operação
5. Curva de Transferência
6. Polarização do JFET
Bibliografia
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
2
1. Introdução
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
3
Introdução
Transistores de Efeito de Campo (FET)
●
●
●
●
FET – Field Effect Transistor
São dispositivos cuja corrente entre dois pinos
pode ser controlada através da tensão em um
terceiro pino.
Os mais populares membros
I
da família de transistores FET
são os MOSFETs.
Terminal de
Outro tipo de FET é o JFET,
controle
FET
que, por sua simplicidade,
será abordado inicialmente.
V
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
4
Introdução
Transistores FET em diferentes encapsulamentos
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
5
2. O Transistor JFET
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
6
O Transistor JFET
●
●
●
JFET: Transistor de Efeito de Campo de Junção (do
inglês, Junction Field Effect Transistor);
Formado pela associação entre SCs tipo p e n, sendo
um deles fortemente dopado.
Dreno / Drain
(D)
Basicamente composto por:
●
●
●
um canal SC responsável pela
condução de corrente entre dois
terminais (Fonte e Dreno);
um mecanismo de controle do
canal, operado por um terceiro
terminal (Porta).
Região de
depleção
Porta / Gate
(G)
Há dois tipos de JFETs:
●
JFET canal n;
p+
n
p+
Canal n
Fonte / Source
(S)
• JFET canal p.
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7
O Transistor JFET
●
Estrutura básica do JFET canal n e canal p
Dreno / Drain
(D)
Dreno / Drain
(D)
Região de
depleção
Porta / Gate
(G)
p+
n
Região de
depleção
Porta / Gate
(G)
p+
n+
Canal n
Fonte / Source
(S)
●
●
p
n+
Canal p
Fonte / Source
(S)
p+ e n+: regiões p e n fortemente dopadas (≥1018/cm3).
Como o gate é muito mais fortemente dopado que o
canal, a região de depleção estende-se quase que
totalmente no lado do canal (vide Eq. 2.12).
8
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O Transistor JFET
●
Embora o dispositivo seja simétrico é conveniente haver
uma distinção entre os terminais conectados ao canal:
●
●
●
Terminal Fonte (S – Source): de onde partem os elétrons
num JFET canal n (“fonte” de elétrons).
Conectado ao
Dreno (D)
Terminal Dreno (D – Drain): destino dos
elétrons num JFET canal n. Comumente
conectado ao dissipador térmico em
dispositivos que o possuem;
Simbologia:
S
G
S
S
G
G
D
S
D
JFET canal n
G
D
D
JFET canal p
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9
3. Características do JFET
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10
Características do JFET
●
Admita um JFET canal n, polarizado por uma fonte de
tensão vDS (entre D e S) e outra vGS (entre G e S).
Análise para vGS = 0V e vDS ≥ 0V
● Como v
GS = 0V, a junção
entre o gate e o canal fica
reversamente polarizada
para qualquer valor positivo
de vDS.
● Ao aplicar v
DS > 0V, uma
corrente de elétrons fluirá
do terminal fonte para o
dreno, através do canal,
limitada por sua resistência.
D
Região de
depleção
VDS
n
p+
p+
G
VGS
S
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11
Características do JFET
●
●
Se a tensão vDS for suficientemente pequena, a região
de depleção pode ser desprezada e a largura do canal
assumida como a distância entre as regiões de gate (2a).
Nessas condições, a resistência do canal pode ser
obtida a partir da Eq. 1.23 como sendo:
rO = 
●

L
1 L
1
=
=

A  A
q n N D
 
L
2 a⋅W
2a
Logo, a corrente através do
canal (iDS) será dada por:
W
ou seja:
I DS =v DS / r 0
I DS =2 a 
 
W
q  n N D v DS
L
L
(Eq. 6.1)
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x
z
y
12
Características do JFET
●
●
●
Enquanto vDS permanecer suficientemente baixo, a
corrente através do canal aumentará linearmente,
conforme previsto pela lei de Ohm através da Eq. 6.1.
Entretanto, à medida que vDS se aproxima de um dado
valor (VP), o tamanho da região de depleção torna-se
cada vez mais significativa.
A largura da região de depleção dependerá da ddp entre
o gate (0V, neste caso) e o canal, que, conforme a teoria
de semicondutores (Eq. 2.45), é dada por:
onde,
 

2  N A N D
W deplecao=
V 0−V
q N A ND
juncao
V juncao =vGS −V canal  x , y 
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
(Eq. 6.2)
(Eq. 6.3)
13
Características do JFET
●
●
●
Entretanto, essa ddp (Eq. 6.3) não é constante ao longo
do canal, visto que vDS está distribuída entre o terminal
fonte e o dreno.
Isto provocará uma distorção da
região de depleção, cuja largura
crescerá ao longo do canal comforme a distância até o dreno
(onde a ddp é maior) diminui.
Naturalmente, esse aumento
da região de depleção reduzirá
a área do canal (2aW), aumentando a sua resistência.
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14
Características do JFET
●
●
●
A partir vDS = VP a região de depleção aumenta a ponto
de “estrangular” o canal e corrente através dele
praticamente não cresce mais com o aumento de vDS.
Corrente Máxima de Dreno (IDSS) - ou corrente vDS de
saturação: é a corrente iDS do JFET obtida quando vGS =
0V e vDS = VP.
A corrente iDS de saturação (IDSS) de um JFET pode ser
calculada a partir da Eq. 6.1, fazendo vDS = VP, ou seja:
 
W

I DSS =2 a 
q N D n V P
L
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(Eq. 6.4)
15
Características do JFET
●
●
●
●
●
Tensão de Pinch-off (VP) – ou tensão de estrangulamento: mínima tesão entre o dreno e o fonte capaz de
provocar o estrangulamento do canal de um JFET.
Para vDS > VP a corrente através do canal virtualmente
não cresce mais, pois fluxo de portadores atinge seu
valor máximo (satura) em vDS = VP.
Para valores de vDS suficientemente elevados acima de
VP, ocorre um aumento abrupto na corrente iDS.
Tensão de Ruptura (VDSmax ou BVDSS) – tensão vDS a
partir da qual ocorre a ruptura do canal do JFET.
Na ruptura, iDS é limitada unicamente pelo circuito
externo ao JFET, podendo ocasionar sua queima.
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Características do JFET
Curva iD-vDS do JFET para vGS = 0
pinch-off
Ruptura
Nível de saturação
IDSS
Aumento da resistência devido
ao estreitamento do canal
Resistência do canal n
0
VP
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VDSmax
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Características do JFET
Análise para vGS < 0V e vDS > 0V
● Ao se aplicar uma tensão negativa em v
GS, a região de
depleção crescerá de maneira semelhante a análise
D
anterior (com vGS = 0V), porém,
VGS = -4V
para valores menores de vDS.
VGS = -2V
VGS = -1V
● De fato, mesmo se v
fosse
DS
VGS = 0V
fixado em um valor positivo,
G p+
p+ G
seria possível modular a
largura do canal unicamente
VDS = 10V
através de vGS.
n
● Dessa forma, quanto mais
S
negativo for vGS, mais estreito será o canal e menor será
sua capacidade de condução de corrente.
18
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Características do JFET
●
●
●
●
Consequentemente, a saturação será atingida para
valores tanto menores de vDS quanto mais negativa for a
tensão de gate.
Se vGS tornar-se negativo o bastante o canal será
completamente estrangulado, levando o valor da
corrente de saturação a zero para qualquer valor de vDS.
Tensão de Corte (VGS(desligado) ou VGS(off)): é o valor de
vGS para o qual o canal torna-se completamente
estrangulado. Corresponde, em módulo, a VP.
Na condição de corte (|vGS| = VP), o JFET comporta-se
de forma semelhante a uma chave aberta (ou
desligada).
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Características do JFET
Curvas ID-VDS do JFET para VGS ≥ 0
VGS = 0 V
IDSS
-VGS1
-VGS2
-VGS3
-VGS4
-VGS5
0
VP
-VGS = VP
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20
4. Regiões de Operação
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21
Regiões de Operação
●
●
Conforme os valores de vDS e vGS, é possível estabelecer em que região de operação o JFET se encontra:
I - Região Ôhmica:
●
●
II - Região de Saturação:
●
●
-VP ≤ vGS ≤ 0 e vDS ≥ VP - vGS
I
II
III - Região de Corte:
●
●
Linha de estrangulamento
(Lugar geométrico dos
valores de pinch-off)
-VP < vGS ≤ 0 e vDS ≤ VP - vGS
VGS = 0 V
-VGS1
vGS ≤ -VP
-VGS2
IV - Região de Ruptura:
●
vDS > VDSmax
IV
-VGS3
-VGS4
-VGS5
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III
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Regiões de Operação
Características vDS-iDS de um JFET canal n
●
Região Ôhmica (-VP < vGS ≤ 0 e vDS ≤ VP - vGS)
●
●
Também conhecida como “Região de Triodo”.
A corrente de dreno nesta região pode ser expressa em
função da corrente de saturação (IDSS) como sendo:
i D= I DSS
●
[      ]
v GS
2 1−
VP
v DS
v DS
−
−V P
VP
2
(Eq. 6.5)
Uma aproximação alternativa e mais simplificada pode ser
definida com base na Eq. 6.1, como:
i D= I DS
  
v GS
1−
VP
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(Eq. 6.6)
23
Regiões de Operação
●
●
Na região de triodo o JFET comporta-se como um resistor
controlado por tensão, cuja resistência é tanto maior
quanto maior for vGS.
Uma aproximação da resistência entre os terminais de
dreno e fonte na região de triodo é dada por:
r d=
●
ro
(Eq. 6.7)
2
1−v GS /V P 
Onde ro é a resistência do canal para vGS = 0, que,
conforme visto anteriormente pode ser expresso por:
[  
W

r o= 2 a
q n N D
L
−1
]
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(Eq. 6.8)
24
Regiões de Operação
●
Região de Saturação (-VP ≤ vGS ≤ 0 e vDS ≥ VP - vGS)
●
●
Também conhecida como “Região de Amplificação”.
A corrente de dreno nesta região pode ser expressa em
função da corrente de saturação (IDSS) através da equação
de Shockley:
2
i D= I DSS
●
●
 
vGS
1−
1 v DS 
VP
(Eq. 6.9)
Onde λ é o parâmetro de inclinação da curva da corrente
de dreno na região de saturação, sendo definida como o
inverso da Tensão Early (VA).
Uma simplificação da Eq. 6.9 pode ser obtida desprezando-se o termo (1+λvDS), o que corresponde a assumir que
o crescimento de ID após a saturação é desprezível.
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25
Regiões de Operação
●
Tensão de Early (VA): graficamente, corresponde ao
ponto de interseção com o eixo VDS das projeções das
curvas das correntes de dreno na região de saturação.
-VA = -1/λ
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26
Polarização do JFET
●
Alternativamente, a resistência ro definida
anteriormente pode ser calculada na região de
saturação através da tensão de Early:
∣V A∣
r o=
iD
●
(Eq. 6.10)
É possível deduzir, a partir da simplificação da Eq.
6.9, a equação da tensão de gate em função da
corrente de dreno:
v GS =V P
  
iD
1−
I DSS
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(Eq. 6.11)
27
Regiões de Operação
●
Região de Corte (vGS ≤ -VP)
●
Nesta região o JFET comporta-se como uma chave
aberta para qualquer valor de vDS, logo:
i D=0
●
(Eq. 6.12)
Região de Ruptura (vDS > VDSmax):
●
●
Esta não é propriamente uma região de operação
desejável, pois pode causar a queima do componente.
Nesta região a corrente de dreno é limitada unicamente
pelo circuito externo ao transistor, logo não é possível
estabelecer uma equação geral para ela.
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28
5. Curva de Transferência
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29
Curva de Transferência
●
●
Curva de transferência: relaciona diretamente a corrente de dreno (iDS) à tensão de controle do JFET (vGS).
Pode ser obtida a partir da eq. de Shockley (Eq. 6.9) ou
das curvas iD-vDS.
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30
Curva de Transferência
●
A curva de transferência evidencia dois importantes
parâmetros do JFET:
IDSS: interseção da curva com o eixo vertical (ID).
● V : interseção da curva com o eixo horizontal (v
P
GS).
Além disso, ela também permite a determinação do ponto de
operação do JFET em um circuito, pelo do método gráfico.
●
●
Esboço da Curva de Transferência
●
Pode ser feito com o auxílio da tabela abaixo obtida a partir
da Eq. 6.9:
ID
vGS
IDSS
0
IDSS/2
0,3 VP
IDSS/4
0,5 VP
0
VP
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31
Curva de Transferência
Ex: Esboce a curva de transferência para JFET de canal
n, com IDSS = 12mA e VP = -6V.
Sol:
●
●
●
●
P/ ID = IDSS → vGS = 0
ID = 12mA → vGS = 0V
P/ ID = IDSS/2 → vGS = 0,3VP
ID = 6mA → vGS = -1,8V
P/ ID = IDSS/4 → vGS = 0,5VP
ID = 3mA → vGS = -3V
P/ ID = 0 → vGS = VP
ID = 0mA → vGS = -6V
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32
Curva de Transferência
Ex: Esboce a curva de transferência para JFET de canal
p, com IDSS = 4mA e VP = 3V.
Sol:
●
●
●
●
P/ ID = IDSS → vGS = 0
ID = 4mA → vGS = 0V
P/ ID = IDSS/2 → vGS = 0,3VP
ID = 2mA → vGS = 0,9V
P/ ID = IDSS/4 → vGS = 0,5VP
ID = 1mA → vGS = 1,5V
P/ ID = 0 → vGS = VP
ID = 0mA → vGS = 3V
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6. Polarização do JFET
Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
34
Polarização do JFET
●
●
●
O projeto e a análise de circuitos envolvendo JFETs
parte da determinação dos parâmetros de operação do
componente.
Tais parâmetros dependem do circuito a sua volta e da
polarização por ele imposta.
Podemos definir 5 tipos básicos de polarização do JFET:
●
●
●
●
●
●
Polarização Fixa;
Autopolarização;
Polarização por Divisor de Tensão;
Polarização por Fonte de Corrente;
Polarização por Duas Fontes.
Os três primeiros tipos (mais elementares) serão
abordados neste capítulo.
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35
Polarização do JFET
Algorítimo de Determinação da Polarização
●
●
De maneira geral, a solução de qualquer uma das
configurações de polarização parte da determinação da
equação da tensão de controle do JFET, isto é, vGS.
Conhecida a equação de vGS, o passo seguinte é a
escolha de um dos dois métodos básicos de resolução:
●
●
Método matemático: consiste em aplicar a equação de vGS
na equação de Shockley e soluciona-la. Para algumas
configurações pode não haver resolução analítica.
Método gráfico: consiste em traçar a curva característica
do circuito de polarização diretamente sobre a curva de
transferência do JFET. O ponto de operação é então
determinado pela interseção entre as curvas.
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36
Polarização do JFET
Polarização Fixa
●
●
●
Caracteriza-se pela presença de uma fonte DC fixa
dedicada a polarização do gate.
É tipo mais simples de
polarização do JFET.
Pode ser solucionada
tanto pelo método matemático quanto pelo
método gráfico (curva
de transferência).
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37
36
Polarização do JFET
●
●
Uma vez que os capacitores são 'circuitos abertos' em
análise DC, podemos eliminá-los do circuito para determinar a polarização.
A determinação da eq.
de vGS, pode ser feita
através da análise de
malha:
−V G G RG i G −v GS =0
mas iG = 0, logo:
−V G G −v GS =0
ou seja:
v GS =−V G G
(Eq. 6.13)
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38
Polarização do JFET
●
A Eq. 6.13 sugere que, para a análise da polarização, o
circuito dado equivale a um onde a fonte VGG é diretamente conectada ao gate.
● A solução matemática pode
ser encontrada simplesmente
aplicando a Eq. 6.13 à Eq. de
Shockley, que, desprezando
λ torna-se:
i D= I DSS

vG G
1
VP
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2

(Eq. 6.14)
39
Polarização do JFET
●
●
●
●
A solução gráfica parte da determinação da curva de
transferência do JFET em questão, que pode ser
esboçada através do método exposto na página 31.
Com a curva de transferência
traçada basta traçar sobre ela
Reta
a curva de vGS (Eq. 6.13), que,
VGS = -VGG
neste caso é simplesmente
uma reta vertical em vGS = -VGG.
Ponto Q
A interseção entre as curvas
iDQ
determina o ponto de operação
do JFET, também chamado de
ponto quiescente (Q).
A partir do ponto Q encontra
-VGG
-se o valor de iDQ.
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40
Polarização do JFET
●
Ex.: Determine iDQ, vGSQ e vD para o circuito abaixo.
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41
Polarização do JFET
●
Sol.:
v GSQ=−V G G =−2V
Ponto Q
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42
Polarização do JFET
Autopolarização
●
●
●
Elimina a necessidade de uma fonte dedicada à polarização do gate.
Polarização através da tensão
sobre o resistor RS.
vGS torna-se uma função da
corrente de saída iD, e da
resistência RS.
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43
42
Polarização do JFET
●
●
Assim como na análise anterior, podemos eliminar os
capacitores do circuito para determinar a polarização.
A determinação da eq.
de vGS, pode ser feita
através da análise de
malha:
RG i G −vGS −R S i S =0
mas iG=0 e iS =iD, logo:
v GS =−RS i D
(Eq. 6.15)
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44
Polarização do JFET
●
Conforme a Eq. 6.15, a análise da polarização nesta
configuração pode ser feita assumindo um circuito
equivalente cujo gate é diretamente ligado ao terra.
● A solução matemática pode ser
encontrada substituindo a Eq. 6.15 na
equação de Shockley, resultando em:
i D= I DSS
●

RS i D
1
VP
2

(Eq. 6.16)
A manipulação algébrica desta equação resulta em:
2
i D K 1 i D K 2=0
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(Eq. 6.17)
45
Polarização do JFET
onde os termos K1 e K2 são dados por:
K 1 =V P

2 I DSS RS −V P
I DSS R
2
S

2
 
VP
K 2=
RS
●
●
(Eq. 6.18)
(Eq. 6.19)
Naturalmente, a resolução da Eq. 4.17 resulta em duas
raízes possíveis para iD. A solução válida (iDQ) é sempre
a raiz de menor magnitude.
Uma vez determinada a corrente de dreno quiescente
(iDQ) basta inseri-la na Eq. 6.15 para determinar a tensão
de gate quiescente (vGSQ).
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46
Polarização do JFET
●
●
●
A resolução pelo método gráfico, consiste simplesmente
em traçar a curva de vGS sobre a curva de transferência
do JFET, previamente esboçada.
A eq. de vGS neste caso é uma
reta (Eq. 6.15), cuja inclinação é dada por RS.
Reta
Para traça-la basta a VGS = -RSiD
determinação de 2
iDQ
pontos:
Ponto Q
● i
D = 0 → vGS = 0
● i
D = iarbitrário
→ vGS = RS.iarbitrário
vGSQ
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47
Polarização do JFET
●
Ex.: Determine iDQ, vGSQ e vD para o circuito abaixo.
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48
Polarização do JFET
●
Sol.: Arbitrando iD = 8 mA e aplicando-se o valor de RS =
1 kΩ na Eq. 6.15 encontra-se vGS = -8 V e a reta de
autopolarização pode então ser traçada:
Reta vGS = 1×103iD
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49
Polarização do JFET
●
A determinação do ponto quiescente pode então ser
feita pela interseção da reta de autopolarização com a
reta de carga do JFET:
v GSQ=−2,6V
i DQ=2,6 mA
v D=V DD −R D i DQ
v D=20V−3,3×103⋅2,6×10−3
v D=11,42 V
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50
Polarização do JFET
Polarização por Divisor de Tensão
●
●
Caracteriza-se por fixar a polarização do gate sem a
necessidade de uma fonte dedicada e de forma mais
independente dos parâmetros de saída do JFET.
Através dessa configuração
é possível ajustar o ponto
de operação do JFET
sem variar a resistência
RS, como ocorre na
autopolarização.
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51
Polarização do JFET
●
Eliminando os capacitores para a análise de polarização,
pode-se determinar vG diretamente através do divisor de
tensão formado por R1 e R2, ou seja:
v G =V DD
●

R2
R1 R2

(Eq. 6.20)
Por outro lado, vGS é
dado por:
v GS =vG −v S
logo:
v GS =vG −R S i D
(Eq. 6.21)
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52
Polarização do JFET
●
●
O procedimento para determinar o ponto de operação
deste tipo de circuito de polarização é muito semelhante
ao da autopolarização, com a diferença que neste caso
a reta de polarização (Eq. 6.21) não parte mais da
origem dos eixos e sim do ponto iD = 0, vGS = vG.
Outro ponto notável da
reta descrita pela Eq.
6.21 pode ser obtido
fazendo-se vGS = 0, o
que resulta em
iD = vG /RS.
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53
Polarização do JFET
●
A corrente de dreno pode ser reduzida ou aumentada
conforme se aumenta ou diminui os valores de RS.
Aumentando os
valores de RS
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54
Polarização do JFET
●
Ex.: Determine ID, VGSQ e VD para o circuito abaixo.
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55
Polarização do JFET
●
Sol.: Resolução pelo método gráfico.
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56
Polarização do JFET
Tipo de Polarização
Configuração
Principais Equações
Solução Gráfica
Fixa
v GS =−V G G
Autopolarização
v GS =R S i D
Divisor de Tensão
v GS =vG −R S i D
v G =V DD

R2
R1 R2

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57
Bibliografia
●
●
●
●
●
Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith,
“Microeletrônica”, 5ª Edição, Pearson, 2007.
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Dispositivos Eletrônicos – Prof. Marcos Zurita
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