Transistor FET

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOAO DEL REI
Transistor de
Efeito de Campo
Trabalho de Eletrônica I
Taumar Morais Lara
Engenharia Elétrica
Eletrônica I
Matrícula: 0809048-3
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI
TRABALHO ELETRÔNICA I -
TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
Sumário
1
Introdução
3
1.1
FET – Transistor de Efeito de Campo
3
1.2
Características do FET
5
2
Principio de Funcionamento do FET
6
2.1.1
Operações Básicas
6
2.1.2
Controle de Porta do FET
11
2.2
Configurações do FET
14
2.3
Polarização e Reta de Carga
15
2.4
A curva de Transcondutância
17
2.5
A curva do Dreno
19
2.6
REGIÃO DE OPERAÇÃO
20
2.7
Especificações de um JFET
21
3
Funcionamento
21
4
Aplicações
23
4.1
Fonte de Corrente
23
4.2
Amplificadores
23
4.2.1
Amplificador de Fonte Comum
26
4.2.2
Amplificador com Realimentação Parcial
27
4.2.3
Amplificador Seguidor de Fonte
28
5
Exercícios Resolvidos
29
6
Referências Bibliográficas
32
Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
1 Introdução
A invenção do transistor foi um marco para a engenharia elétrica e eletrônica,
assim como para toda humanidade. Com o desenvolvimento dos transistores foi
possível a construção de equipamentos eletrônicos verdadeiramente portáteis
funcionando apenas com pilhas ou baterias.
Além disso, o reduzido volume destes componentes a possibilidade de associação
para implementar funções analógicas ou digitais, das mais diversas, proporcionou um
desenvolvimento sem igual na indústria de equipamentos eletroeletrônicos. Por tudo
isso, o contato com estes dispositivos é essencial para o estudante de engenharia,
além do que, a grande maioria dos circuitos eletrônicos emprega um ou milhares
destes componentes. Os transistores bipolares se baseiam em dois tipos de cargas:
lacunas e elétrons, e são utilizados amplamente em circuitos lineares. No entanto
existem aplicações nos quais os transistores unipolares com a sua alta impedância de
entrada são uma alternativa melhor.
Uma importante classe de transistores de 3 terminais são os dispositivos de efeito
de campo. Para estes, o parâmetro de controle é o campo elétrico através da junção,
em oposição à corrente do BJT. Já que um campo elétrico está associado a uma tensão,
a vantagem importante dos dispositivos de efeito de campo é que não precisa haver
uma corrente no elemento de controle (a porta). Isso resulta em uma impedância de
entrada bastante elevada, e uma corrente de fuga bastante baixa.
Este tipo de transistor depende de um só tipo de carga, daí o nome unipolar. Há
dois tipos básicos: os transistores de efeito de campo de junção (JFET - Junction Field
Effect transistor), que será o objetivo deste trabalho e os transistores de efeito de
campo de óxido metálico (MOSFET).
1.1
FET – Transistor de Efeito de Campo
Primeira referência foi apresentada numa patente feita em 1930, por Julius Edgar
Lilienfeld, um pesquisador ucraniano nascido em 1882 e que imigrou para os EUA na
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década de 20 do século passado. Sua idéia era controlar a condutividade de um
material, por um campo elétrico transversal; mas o sistema proposto por Lilenfeld não
funcionaria na prática.
O domínio de semicondutores e da física necessária para a
construção dos FETs só apareceria no início dos anos cinqüenta do século passado.
O FET é um desenvolvimento tecnológico posterior ao transistor de junção; mas
é o elemento dominante, por suas características, em sistemas lógicos modernos.
Da teoria dos dispositivos semicondutores que identifica lacunas, portadores
minoritários e majoritários podemos entender o funcionamento do Transistor de
Efeito de Campo. Existem a grosso modo, duas classes de FETs:
 FET de junção, chamado de JFET
 FET de contato, chamado de MOS-FET.
Além do tipo portador (canal N ou P), existem diferenças em como o elemento de
controle é construído (Junção vs Isolado), e esses dispositivos devem ser usados de
formas diferentes.
* (FETs e IGFETs de porta isolado são a mesma coisa que MOSFETs)
O FET é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente
acontece por apenas um tipo de portador (elétron ou lacuna), dependendo do tipo do
FET, de canal n ou de canal p. O nome “efeito de campo” decorre do fato que o
mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido
pela tensão aplicada no terminal de controle. O Transistor JFET recebe este nome
porque é um transistor FET de Junção.
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
A figura 01 apresenta um JFET de canal n (existe também o JFET de canal p). Seu
diagrama construtivo simplificado representa uma “barra” de silício semicondutor tipo
n (semicondutor dopado com impurezas doadoras) e contendo incrustadas duas
regiões tipo p. O JFET da figura 01 tem as seguintes partes constituintes:
 FONTE: (source) fornece os elétrons livres
 DRENO: (drain) drena os elétrons,
 PORTA: (gate) controla a largura do canal, controlando o fluxo dos elétrons
entre a fonte e o dreno. As regiões p da porta são interligadas eletricamente.
Ainda observando a figura 01, a seta apontando para dentro representa uma junção pn
de um diodo. O JFET de canal p tem as mesmas partes constituintes de um JFET de
canal n, porém seu símbolo apresenta a seta em sentido contrário, e as correntes e
tensões são consideradas invertidas em relação ao JFET de canal n.
1.2
Características do FET
 Controle por Tensão: a corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela
tensão aplicada na porta, em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de
coletor é controlada pela corrente de base.
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
 Alta Impedância de Entrada: para que seja possível o controle de corrente do
canal n é necessário que se produza uma polarização reversa das junções da
porta, provocando desta forma um aumento na região de depleção destas
junções e em decorrência disto um estreitamento do canal; com isto, têm-se
baixas correntes de porta, e conseqüentemente, alta impedância.
 Curvas Características: o comportamento do JFET pode ser sumarizado por
suas curvas de dreno e de transcondutância.
 Outras Características: os transistores JFET apresentam menores ganhos em
relação aos transistores BJT e em decorrência disto têm maior estabilidade
térmica; geometricamente, os JFET têm dimensões menores quando
comparados com os transistores BJT.
2 Principio de Funcionamento do FET
Assim como ocorre com os BJTs, há sempre dois tipos de transistores, npn e
pnp. A diferença está no portador majoritário (elétrons ou lacunas). Já que os FETs são
controlados por variações no campo elétrico através da junção, é possível construir um
capacitor no elemento de controle a, dessa forma, reduzir ainda mais a corrente de
fuga. O óxido de metal de um MOSFET forma o capacitor na entrada do elemento de
controle (a porta).
2.1.1
Operações Básicas
Passo 1: O processo mais simples para se obter um JFET começa com Si dopado por N.
Onde temos: fonte – terminal no qual a corrente de portador é injetada (tipo n;
portadores e-)
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
Nesse nível, o dispositivo é simplesmente um resistor. Portanto, a corrente flui através
do canal em proporção à tensão do dreno/fonte.
A ação básica de um JFET pode ser compreendida considerando-se um canal de
condução. Comece com silício dopado por n e adicione dois terminais em cada
extremidade. O dispositivo agora é um resistor, cuja resistência é fornecida pelo nível
de dopagem. Os três terminais do JFET são denominados fonte, dreno e porta.
A fonte é análoga ao emissor do BJT. A fonte é a fonte dos portadores
majoritários. Portanto, em um material de tipo n, os portadores são elétrons, e a fonte
é, assim, a fonte de elétrons. O dreno é análogo ao coletor do BJT e, portanto, a
corrente dos portadores majoritários flui a partir da fonte para o dreno.
Mais uma vez, em materiais do tipo n, os portadores são elétrons e a corrente
convencional flui na direção oposta.
Passo 2: Adicione uma estrutura de porta para formar um canal.
As duas regiões da porta são, na verdade, conectadas para definir um canal para a
corrente do portador. O controle da corrente do FET (resistência) é atingido mudandose o tamanho das zonas de depleção que circundam as portas.
As portas são duas regiões de um material do tipo p que são dispostas para
criar um canal para condução da fonte para o dreno. As duas regiões de porta são,
quase sempre, conectadas para que o usuário veja apenas a conexão da porta.
Observe que o dispositivo acima é um JFET npn, já que a fonte é do tipo n, a
porta é do tipo p e o dreno é do tipo n.
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Passo 3: Ao redor de cada porta há uma zona de depleção, como em qualquer junção
PN.
A zona de depleção reduz o tamanho efetivo do canal dopado por N e, dessa
forma aumenta a resistência aparente do canal. Modulando-se o dreno para potencial
de porta, o campo elétrico na zona de depleção entre a porta e o dreno varia e,
conseqüentemente, o tamanho da zona de depleção varia.
Assim como ocorre com todas as junções PN, há uma zona de depleção ao
redor da porta. Essa zona de depleção obviamente reduz a área transversal do canal
do tipo n que está disponível para condução elétrica. A ação do JFET é regida variandose a porta para potencial de dreno e, dessa forma, modificando-se o tamanho da zona
de depleção.
Passo 4: Aqui, a tensão de dreno para fonte, VDS, é igual à tensão dreno para porta. À
medida que VDS aumenta, as zonas de depleção se movem juntas; e a resistência de
fonte aumenta.
Um exemplo simples é conectar à terra a tensão da porta para a fonte, de
forma que a tensão do dreno para a porta seja igual à tensão do dreno para a fonte.
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À medida que a tensão do dreno para a porta aumenta, a zona de depleção aumenta
e, dessa forma, a condução do canal diminui.
Para pequenas tensões, a resistência aumenta com a tensão, e isso é descrito como a
região ôhmica. Acima da tensão obstruída o canal é saturado, e a resistência se torna
constante. A tensão obstruída pode ser descrita como a tensão na qual as zonas de
depleção das duas portas se encontram.
Passo 5: Defina uma resistência aparente através do FET, a resistência de canal RC.
Iremos caracterizar o dispositivo pela resistência efetiva da junção. Agora,
obviamente, a medida típica para caracterizar um transistor é medir a corrente de
dreno como uma função da tensão dreno-fonte para um conjunto de correntes (ou
tensões) aplicadas à porta. Lembre-se de que é exatamente assim que executamos os
testes com o BJT. Depois que medirmos a corrente de dreno como uma função da
tensão dreno-fonte, temos as informações para calcular uma resistência CC efetiva
para esse ponto de operação.
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À medida que VDS aumenta, a zona de depleção cresce, e a resistência efetiva diminui
lentamente.
 À medida que VDS = VP (a tensão obstruída), as duas zonas de depleção se
encontram, nenhuma corrente adicional pode fluir, e a resistência aumenta
rapidamente com VDS.
 Em VBR, há uma “avalanche dreno-para-porta”, que iremos descrever mais
adiante.
À esquerda encontra-se a corrente de dreno Vs a tensão de dreno para fonte para uma
porta ligada a terra. A região de tensão zero para a tensão obstruída é a região ôhmica,
a região plana é a área de saturação e, em tensões mais altas, há uma região de
ruptura, onde a condução do canal aumenta rapidamente. Muitos dispositivos serão
destruídos se operados nessa região de ruptura, embora (assim como com os diodos
zeners) existam dispositivos que são projetados para funcionar nessa região de
avalanche.
O gráfico à direita mostra a resistência correspondente. Na região ôhmica, a
resistência aumenta apenas lentamente e, em seguida, na região de saturação, a
resistência aumenta mais rapidamente. É importante observar que a corrente de
dreno do JFET é independente da tensão dreno-fonte na região de saturação.
Como iremos ver brevemente, nessa região a corrente de dreno permanece muito
sensível ao potencial dreno-porta. Portanto, se quisermos obter controle via porta,
normalmente iremos projetar o dispositivo para operar na região de saturação.
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
Se, contudo, estivermos buscando controle baseado na tensão do dreno, então o
dispositivo será posicionado na região ôhmica.
2.1.2
Controle de Porta do FET
O tamanho da zona de depleção pode ser aumentado por polarização reversa da
junção PN na porta, portanto a polarização da porta controla ID, e, já que a porta tem
polarização reversa, essencialmente não há corrente da porta.
Aqui, mostramos a variação da curva IV como uma função da tensão da porta.
Lembre-se de que, na obstrução, as zonas de depleção das duas portas se
encontraram, e, portanto, à medida que a tensão da porta muda, esse de operação, se
move. É mais comum polarizar a porta de forma reversa (como mostrado no circuito),
aumentando assim o campo ao longo da função PN e, de forma correspondente,
aumentando o tamanho da zona de depleção para uma tensão constante de drenofonte.
Podemos então identificar dois tipos de comportamento do transistor:
a) O transistor se comportando como uma resistência variável controlada por
tensão. O JFET opera deste modo na região A da figura 2, a seguir.
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Notamos que ID varia diretamente proporcional a VDS, como se fosse uma
resistência. Entretanto, essa variação, ou resistência, será maior ou menor,
dependendo do valor de VGS, daí a denominação de “Resistência Variável Controlada
por tensão”, que é a tensão VGS. RD = ∆VD /∆ID ... (resistência dinâmica), para VGS = cte.
RD= VD /ID ... (resistência estática - no ponto), para VGS= cte. Na região B da fig. 02, a
corrente ID não aumenta mais, apesar do aumento de VDS.
O terminal positivo da fonte de tensão VDD é ligado ao dreno e o negativo à
fonte. O negativo da fonte de tensão VGG é conectado ao gate e o positivo à fonte.
estrangulamento
A curva característica de um FET é determinada pela medida da corrente no
dreno (ID) em função da tensão aplicada entre dreno e fonte (V DS), para uma tensão
entre gate e fonte nula (VDS=0[V]).
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
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O FET apresenta uma região inicial de polarização das junções, seguida de um
patamar estável ou de saturação e a região de ruptura.
Parâmetros importantes na modelagem de um FET observados sob essas
condições:
- IDSS : corrente de saturação, Ids com G em curto
(valor máximo que o JFET pode gerar = limite)
- VGS : tensão entre gate e fonte
(quanto maior, menor é a Id)  Vgscorte = -Vp
- VP : tensão de constrição ou de “pinch off”
É a tensão associada ao "estreitamento" do canal de condução,
localizada no "joelho" da curva.
(Vp é um valor de Vds para nivelar Id com Vgs=0V)
Polarização básica
ID aumenta até que VDS=VP 
resistência do canal varia muito pouco, dado que a
região de depleção é pouco extensa para produzir um efeito significativo: zona ôhmica
Nesta região VDS e ID estão relacionadas pela lei de Ohm:
Rds 
Vp
Idss
No intervalo em que ID é praticamente constante, a zona de depleção alarga-se,
aumentado a resistência, o que anula o efeito do aumento de V DS.
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2.2
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Configurações do FET
A exemplo dos transistores bipolares, são três as configurações básicas para os
transistores unipolares, como mostra a figura abaixo:
As equivalências são as seguintes:
Fonte comum = emissor comum
Porta comum = base comum
Dreno comum = coletor comum
A configuração dreno comum também é denominada seguidor de fonte.
POLARIZAÇÃO CONVENCIONAL: A figura abaixo mostra um FET de canal n polarizado
de forma convencional. É importante verificar a polaridade das baterias V GG e VDD .
Quando o FET é de canal n a tensão de dreno é positiva.
O FET também pode ser usado como amplificador de sinal, desde que adequadamente
polarizado. A grande vantagem na utilização do mesmo está na sua impedância muito
elevada de entrada e sua quase total imunidade a ruídos. O
FET
possui
uma
impedância de entrada extremamente alta, da ordem de 100M ou mais. Por ser
praticamente imune a ruídos é muito utilizado para estágios de entrada de
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amplificadores de baixo nível, mais especificamente em estágios de entrada de
receptores FM de alta fidelidade.
A figura abaixo mostra um amplificador convencional:
Trata-se de um amplificador com autopolarização, pois possui uma única fonte
de alimentação e um resistor RS para se obter a tensão de polarização gate-source.
A presença do resistor RS resulta em uma tensão devido a queda de tensão IDRS,
provocando uma queda de tensão em RS. Como a tensão no gate é zero, pois não há
corrente DC no gate ou no resistor RG, a tensão entre gate e source é uma tensão
negativa, que constitui a tensão de polarização VGS. Assim teremos:
VGS = 0 - IDRS = - IDRS
2.3
Polarização e Reta de Carga
Para um JFET funcionar corretamente devemos ter uma polarização reversa
entre a PORTA e FONTE. Na fig. 03 temos um JFET canal N polarizado, ou seja, com
resistores ligados aos terminais para limitar tensões e correntes adequadamente,
como vimos na polarização dos transistores Bipolares (NPN e PNP). Na figura 03, a
seguir, temos um tipo de polarização chamada de “auto polarização”, pois a tensão VGS
aparece devido à corrente ID sobre RS, o que resulta em VRS. Esta tensão se distribui
entre RG e a junção reversa, que, como tal, possui uma alta resistência. Logo, temos
VRG e VGS que somadas perfazem VRS.
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Como a junção da porta está reversamente polarizada, tem-se que IG é muito
pequena (da ordem de nA ou pA). Portanto, VRS é de valor desprezível em relação à
VRS. Logo: VRS = VGS e, portanto:
VGS = RS.ID.
A fim de polarizarmos um JFET devemos saber a função do estágio, isto é, se o
mesmo irá funcionar como um “resistor controlado por tensão” ou como um
amplificador. Como amplificador irmos trabalhar na região B da fig. 02, ou seja, à
direita da linha de VP e à esquerda da região de VDS de ruptura.
A figura 6, a seguir, apresenta o circuito de polarização de um transistor JFET de
canal n. Observa-se que para que seja possível o controle da corrente de dreno são
necessárias
as
seguintes
condições:
VDD
>
0
ou
VGG
<
0
O fluxo de elétrons da fonte para o dreno depende da largura do canal, isto é,
polarização reversa na porta causa aumento das regiões de depleção, diminuindo a
largura do canal e dificultando desta forma a passagem da corrente entre o dreno e a
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fonte (é uma região de íons, formada pela difusão pela junção). Desta forma temos as
seguintes condições:
a) LARGURA DO CANAL: depende da tensão VGG, isto é, quanto mais negativa,
maior será a região de depleção e portanto, mais estreito o canal.
b) TENSÃO DE CORTE (VGS): é a tensão suficiente para desaparecer o canal
(VGScorte) também conhecida como Tensão de Deslocamente (pinch-off).
c) CORRENTE DE FUGA DA PORTA: Como a junção da porta opera em
polarização reversa, tem-se uma corrente baixa; desta forma, a CORRENTE DE DRENO
é igual à CORRENTE DA FONTE (ID). Esta é a causa da alta impedância de entrada dos
JFET. OBS: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (VGS) não consome
corrente e a largura do canal depende de VGS, o controle de ID é efetivamente feito
pela tensão da porta.
2.4
A curva de Transcondutância
A curva de transcondutância relaciona a corrente de saída com a tensão de
entrada de um JFET. Através da Equação de Schokley relaciona-se a corrente ID com a
tensão VGS, segundo uma relação quadrática:
Como o JFET apresenta uma relação quadrática entre a corrente de drenofonte e a tensão de controle VGS, diz-se que este dispositivo é um dispositivo de Lei
Quadrática. VGS.
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Na região ôhmica, o JFET apresenta a seguinte relação para a sua resistência de
canal:
Idmax=KV2 onde K é uma constante especificada pelo fabricante.
O FET tem dois modos principais de operação:
1. Baixas tensões Vds, onde Vds/Ids é constante e denominado Rds. Neste modo,
usa-se o FET como um atenuador, ou como um resistor variável.
2. Altas tensões Vds, começando em Vp (também chamado de Vgs (off)), onde Id
permanece quase constante enquando Vds é aumentado. Neste modo, usa-se o
FET como amplificador ou como fonte de corrente.
3. A figura a seguir mostra o gráfico de transferência da corrente de dreno ID em
função da tensão gate-source (VGS), para um valor constante de VDS.
No gráfico acima, observa-se a característica de transferência quando VGS = 0, ID = 0,
VGS = Vp . A figura abaixo nos mostra que quando ocorre o estrangulamento, este
estrangulamento se verifica com valores menores de VDS e quando mais negativa for à
tensão VGS. Esta curva recebe o nome de curva de dreno.
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Normalmente o FET é polarizado para operar após o estrangulamento na região de
saturação da corrente, onde nesta região o dispositivo tem sua operação definida mais
facilmente pela equação de Schockley.
2.5
A curva do Dreno
Curva Característica de Dreno
A curva do Dreno é análoga à característica de coletor do transistor bipolar, e
semelhante à característica de placa e uma válvula pentodo. Descreve o
comportamento nas três regiões de operação, para diversos valores de Vgs.
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A curva abaixo mostra que aumentando VGS (mais negativa para um FET de canal n), a
corrente de saturação será menor, e desta forma, o gate atua como controle.
Nestas condições, ID diminui a medida que VGS fica mais negativa (observe o
ponto de saturação com -2V). Tornando VGS mais negativa, haverá um momento em
que não haverá mais ID, independentemente do valor de VDS. Essa tensão denomina-se
tensão de estrangulamento gate-source representada por VGS(OFF) ou Vp . A figura
abaixo mostra a curva para um FET de canal p. A única diferença é a polaridade de VGS
que neste caso é positiva.
2.6
REGIÃO DE OPERAÇÃO
Na região ativa, a corrente de dreno é controlada pela tensão Vgs, e quase não
varia com tensão Vds (compartimento de fonte de corrente controlada). Nesta o JFET
pode funcionar como multiplicador de fonte-de-corrente. O JFET está nesta região
quando Vds > Vescorte nas curvas características é a parte horizontal da curva para uma
certa Vgs (toda a área fora de saturação, hachurada, e entre as curvas V gs1 e Vgs6). A
saturação ocorre quando Vds < Vgscorte. Aqui a corrente ID depende tanto de Vgs como
Vds (comportamento de resistor controlado). Nas curvas características de dreno, é a
reta inclinada que une cada curva a origem do gráfico. Repare que as inclinação,
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
relacionada à resistência do canal, é diferente em cada uma das curvas (valores de V gs).
Nesta região, o JFET atua como resistor controlado por tensão, ou chave, conforme a
aplicação.
2.7
Especificações de um JFET
região ôhmica – JFET atua como um resistor variável.
região de saturação – JFET é independente da tensão de fonte-dreno, mas fortemente
dependente da tensão da porta.
VOFF,GS = tensão de corte, tensão porta fonte, onde JFET atua como um circuito aberto.
BVDS = tensão dreno-fonte, que leva a uma ruptura de corrente do canal JFET.
IDS = corrente de dreno para polarização de porta zero.
3 Funcionamento
Consideremos o FET canal n conforme mostra a figura abaixo, para VGS = 0.
a) VDD normal
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b) Aumento de VDD
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
A medida que a tensão VDD aumenta, aumenta a polarização inversa e a
corrente de dreno circula através do canal, produzindo uma queda de tensão ao longo
do canal, que é mais positiva no terminal drain (dreno), produzindo a região de
depleção.
Conforme a tensão VDD aumenta, a corrente ID também aumenta,
resultando em uma região de depleção maior. O aumento da região de depleção
provoca um aumento da resistência entre drain e source. O aumento da região de
depleção pode ser feito até que todo o canal seja abrangido (veja fig. b). A partir daí,
qualquer aumento de VDD resultará apenas em aumento da tensão nos terminais da
região de depleção e a corrente ID permanece constante.
A curva a seguir mostra que o aumento de ID ocorre até que toda a região de
depleção esteja totalmente formada, após o que, a corrente de dreno satura e
permanece constante para qualquer aumento de VDD.
IDSS é um parâmetro importante usado para especificar a operação de um FET,que
significa corrente de drain para source com gate-source em curto (VGS = 0)
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TRABALHO ELETRÔNICA I -
TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
4 Aplicações
4.1
Fonte de Corrente
O valor de RS e a curva do JFET determinam a corrente ID.
O circuito opera o JFET fica na região ativa, ou seja, V ds> Vgscorte, isso impõe
limite ao valor de RL. O circuito é usado em polarização, sendo freqüência dentro dos
amplificadores operacionais e outros CI's analógicos.
4.2
Amplificadores
Na operação como amplificadores, usamos o conceito da Transcondutância, que
define o ganho dos FET's.
A Transcondutância, gm é a relação entre a variação na corrente Id e a variação em Vgs
que a provoca. Assim, gm é a inclinação da curva de transcondutância para cada
pequena variação de VGS. Ou em outras palavras, é uma medida de como a tensão de
entrada controla efetivamente a corrente de saída. A unidade é o mho, (razão entre a
corrente e a tensão - 1/Ohm). O equivalente formal é o Siemens.
A Figura a seguir mostra o circuito equivalente ca simples para um JFET válida para
baixas freqüências. Há uma resistência RGS muito alta entre a porta e a fonte. Esse
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TRABALHO ELETRÔNICA I -
TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
valor está na faixa de centenas de MΩ. O dreno do JFET funciona como uma fonte de
corrente com um valor de gm VGS.
A equação abaixo mostra como obter VGS(Off) a partir da corrente máxima de dreno e da
transcondutância para VGS= 0V (gmo).
o valor de gm para um dado VGS.
Nos FET, a Transcondutância é maior para tensão Vgs de polarização menor e corrente
ID maior. (Assim o ganho é determinado pela polarização, como nos bipolares e
válvulas), e o tipo de FET.
a) Polarização: A corrente de dreno de JFET segue a relação quadrática.
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
Os valores de IDSS e Vgscorte variam conforme o tipo e o exemplar, dentro de
limites amplos. Uma polarização somente pode ser feita através de ajuste de trimpot,
ou através de uma fonte de corrente com bipolar.
O tipo mais comum é a auto polarização.
Obs.: Nos amplificadores dreno comum Rd não é usado. Ele não altera a corrente de
dreno.
A corrente circula em Rs, surgindo uma queda de tensão nele. A porta está
aterrada através de Rg, e então a tensão em Rs aparece entre S e G, polarizando o JFET
com uma tensão reversa, que se opõe à corrente de dreno (Suplidouro), regulando-a
através de realimentação negativa. A corrente então fica dada pelas características do
FET e o valor de Rs. Também se usa polarização por divisão de tensão, semelhante à
usada com transistor bipolar, mas menos exata (pouco melhor que a auto polarização).
b) Supridouro comum: É a mais usada, pois oferece ganho de tensão. O sinal de
entrada é aplicado entre a porta e o Supridouro, e a saída colhida no dreno. A
fase é invertida. A impedância de entrada é muito grande, já que a junção
porta-supridouro está polarizada reversamente, circulando apenas uma
desprezível corrente de fuga.
c) Na prática, a impedância é dada pelo resistor RE de polarização. Já a de saída é
um pouco menor que RD. O ganho de tensão é dado por:
G= - Gm RD
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TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET
Seu valor na prática fica entre 3 e 30 vezes, em geral (bem menor que no bipolar). É
comum na entrada de instrumentos de medição, e dentro de C.I. analógicos, pela alta
impedância.
Obs: Cent. pode ser omitido, em algumas aplicações. Nos amplificadores com
acoplamento direto, todos os capacitores são dispensados, mas o ganho diminui.
4.2.1
Amplificador de Fonte Comum
Na Figura abaixo temos um amplificador fonte comum. Ele é similar a um
amplificador emissor comum. As regras aplicadas para a análise são as mesmas
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O equivalente ca para a análise do ganho.
O resistor de carga está em paralelo com a resistência de dreno. Simplificando:
Quando a corrente de saída gm vent flui através de rd ela produz uma tensão de saída
dividindo ambos os lados por Vent.:
finalmente o ganho de tensão ca para fonte comum
notar a semelhança com a do amplificador em emissor comum
4.2.2
Amplificador com Realimentação Parcial
A seguir temos um amplificador com realimentação parcial
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O ganho por analogia com o transistor bipolar, considerando r’e = 1/ gm, é:
4.2.3
Amplificador Seguidor de Fonte
A Figura a seguir mostra um seguidor de fonte
Novamente por analogia:
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5 Exercícios Resolvidos
1 - Encontre a corrente ID , no circuito abaixo. Dados: IDSS=8mA e VGS,OFF=-4V.
Ω
onde resolvendo encontramos uma
equação com soluções:
VGS = -2V e -8V.
Configuramos as duas equações de forma igual e terminamos com uma equação
quadrática para a corrente de dreno. Já que o JFET desliga a –4V, a solução de –8V não
é física, e escolhemos a solução de –2V, fornecendo uma corrente de dreno de 2mA.
Então:
VGS = -2V, logo, ID = 2 mA.
2 - Determinar a corrente de dreno de em FET canal n com tensão de estrangulamento
= - 3V e corrente de saturação drain-source (IDSS) de 10mA para as seguintes tensões
VGS:
a) 0V
b) - 1,4V
c) - 1,8V
Solução: Basta Aplicar a Equação de Schockley;
Substituindo;
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a) ID = 10mA[1 - (0/-3)] 2 = 10mA
b) ID = 10mA[1 - (-1,4/-3)] 2 = 2,84mA
c) ID = 10mA[1 - (-1,8/-3)] 2 = 1,6mA
3 - Calcular a transcondutância (gm) de um FET com as especificações: IDSS = 15mA e
VGS(OFF) = -3V, nos seguintes pontos de polarização:
a) VGS = 0
b) VGS = -1,2V
c) VGS = -1,7V
Solução: Aplicando-se a equação
temos:
gmo = 2(15mA) / -3V = 30 x 10 -3 / 3 = 10mS ou 10.000S
a) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1- (0 / -3)] = 10mS ou 10.000S
b) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1 - (-1,2 / -3)] = 6mS ou 6.000S
c) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1 - (-1,7 / -3)] = 4,33mS ou 4.330S
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4 Determine: A) VDS B) VD C) VS
A) Aplicando a LKT ao circuito de saída
da deste exercício temos;
-VSS+ISRS+VDS+IDRD-VDD=0
Substituindo IS = ID e rearranjando os
termos temos;
VDS = VDD+VSS-ID(RD+RS)
Substituindo os valores temos para VDD:
VDS= 20V+10V-(6,9mA)*(1,8k+1,5K) =
VDS=30V-22,77V
B) VD=VDD-IDRD
VDS=7,23V
VD=20V-(6,9mA)*(1,8k)
VD=20-12,42V
VD=7,58V
C) VDS=VD-VS
VS=VD-VDS
VS=7,58V-7,23V
VS=0,35V
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5 Determine as seguintes grandezas para o circuito abaixo;
a) VGS
b) VG
c) VDS
a) VGS= -ID*RS
ID= 4mA.
VGS= -(4mA)*1kΩ
VGS=-4V
b) VG=0
c)
VDS=VDD – ID*(RS + RD)
20V – (2,6mA)*(1k+3Ω,3KΩ)
VDS=8,82V
6 Referências Bibliográficas
1 Boylestad e Nashelsky. Dispositivos Eletronicos e Teoria de Circuitos, 8ª ed.
Prentice Hall, 2004
2
Nicolet, Aparecido, Anotações Eletrônica, Departamento de Eletrônica, USP
PUC-SP.
3
Malvino, Albert Paul. Eletrônica Vol. I, 4º ed. São Paulo, Makron Books, 1997.
4
Sedra, Smith, Microeletrônica, 4ª Ed. Person Books 2005
5 Kosov,I.L -BERTOLI, Roberto Angelo. Eletrônica. Departamento de EletroEletrônica. Colégio Técnico de Campinas – UNICAMP.
6
UNICID, Apostila Eletrônica II , Departamento de Eng. Elétrica, Unicid, 2007;
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