Trabalho Prático nº 2 - Universidade de Coimbra

Universidade de Coimbra
Departamento de Engenharia Electrotécnica
ELECTRÓNICA II 2003/2004
Trabalho Prático Nº 2
FET’s: Características, Polarização e Amplificadores
1.
OBJECTIVOS
 Determinar os parâmetros que definem a característica do JFET
 Construir um amplificador em source comum e polarizá-lo
 Calcular o seu ganho e verificá-lo experimentalmente
2.
INTRODUÇÃO
Um JFET é um transistor controlado por tensão (VGS) não precisando de corrente na gate para
funcionar.
G
S
D Quando VGS=0, o canal n tem largura máxima e aumentando VDS, IDS
aumenta até estabilizar, IDSS - saturação. Por outro lado aumentando VGS
n
n
p
(em módulo - VGS é negativa) polariza-se inversamente a gate o que por um
n
lado faz com que a corrente de gate seja nula e por outro a zona do tipo p
p
da gate vá aumentando de tamanho, diminuindo a largura do canal n por
onde passa IDS. Ao valor de VDS que estrangula o canal n chama-se VP.
O comportamento DC do JFET pode ser descrito pela equação (1):
I DS
 V 
 I DSS  1  GS 
 VP 
2
.
Esta equação aplica-se desde que o JFET esteja na zona de saturação, isto é, desde que se
verifique: VDS  VGS  VP . Visto que a impedância de entrada do JFET é muito elevada
(superior a 100 M), o seu modelo incremental para baixas frequências compreende apenas dois
parâmetros relevantes:
gm - transcondutância directa
rd - resistência entre drain e source
D
+
vgs
G
S
rd
gm.vgs
+
vds
-
-
Figura 1 - Símbolo do JFET (canal N) e modelo incremental para baixa frequência
Além disso, rd é também um valor elevado (superior a 100 k) face a valores normais para a
resistência aplicada ao drain e pode portanto ser desprezado na maioria das aplicações. O valor
de gm pode ser calculado por (2):
gm 
I   V 
diDS
 2.  DSS  .  1  GS  .
dvGS
 VP   VP 
3.
DETERMINAÇÃO DE IDSS E DE VP
De acordo com (1) apenas é necessário conhecer os valores de VP e de IDSS para conhecer a
característica de saída para a zona de saturação.
Limitador de
corrente
+
D
G

+
S
VGG

+
+
=
V
V
Figura 2 - Circuito para a determinação de VP
VP pode ser
determinado com o
auxílio do circuito da
figura 2. Aumenta-se o
valor de VGS (no
sentido negativo) até
obter uma indicação de
impedância infinita no
ohmímetro (utilizar
para esta medição uma escala de 100 k).
Na figura 2 também aparece o circuito equivalente do ohmímetro digital (notar que é preciso
ligar ao drain o terminal do ohmímetro que tem tensão positiva). Como se vê, o ohmímetro
polariza adequadamente o circuito de drain do JFET, e a indicação de impedância infinita (para
uma escala de alta resistência) significa que a corrente no circuito exterior é muito baixa.
Portanto, este é um método válido de detectar a condição de “pinch-off”, e logo VP. A resistência
de 10 k é simplesmente uma precaução contra o risco de aplicar uma corrente escessiva na
gate.
IDSS é a corrente que flui através do drain quando
VGS=0 e o JFET está saturado. Se fizermos VGS=0 e
formos aumentando VDS, a corrente de drain vai
subindo até estabilizar - e o valor em que estabiliza é
precisamente IDSS. Assim, IDSS pode ser determinado
aumentando gradualmente VDD no circuito da figura 3
ao mesmo tempo que se monitoriza IDS.
I
G
D
V
VDD
S
Figura 3 - Circuito para a determinação de IDSS
4.
POLARIZAÇÃO
VDD=15V
RD
ci
CD
G
+
S
vi
RS
500k
CS
Figura 4 - Circuito de auto-polarização para o
amplificador source-comum
V0
A figura 4 mostra o chamado circuito de autopolarização para o JFET canal N. Normalmente, em
circuitos amplificadores, o JFET é utilizado na zona
de saturação. Então, para estabelecer um
determinado valor IDS, resolve-se a equação:
2
 V 
I DS  I DSS . 1  GS  , para obter VGS; a
 VP 
equação VGS   RS * I DS (3) permite obter RS.
Conhecido VGS e logo também VG=-VGS,
determina-se RD para obter o valor de VDS
desejado.
 VDD = (RD+RS)* IDS + VDS 
AMPLIFICAÇÃO COM JFET’S
5.
No circuito da figura 4, o JFET está na configuração de source-comum. Com efeito, para a
componente de sinal o condensador CS curto-circuita efectivamente a resistência RS. Assim, o
circuito equivalente para sinal será o da figura 5:
+
+
vi
-
500k
vgs
+
rd
gm.vgs
-
v0
RD
-
Figura 5 - Equivalente para sinal do circuito da figura 5
6.
Como rd>>RD, rd pode ser desprezado
face a RD. Assim, o ganho em voltagem
é expresso simplesmente por
V0
  gm . RD
Vi
MONTAGENS
a) Determinar VP e IDSS utilizando as montagens das figuras 2 e 3. Os JFET’s utilizados -BF245C
- têm IDSS compreendido entre 12 e 25 mA e VP inferior (em módulo) a -8V:
b) Polarizar o circuito da figura 4, para
1
I DS  . I DSS e VDS  VGS  VP  2 . Determinar
3
os valores apropriados para RS e RD (ver ponto 4. - Polarização).
c) Montar o circuito da figura 4, utilizando C0=Ci=0,22F e CS tal que: RS*CS>10-2.
d) Verificar os valores ID e VDS face aos pretendidos e explicar qualquer eventual divergência (se
necessário, refazer as determinações de VP e IDSS).
e) Aplicar uma onda sinusoidal de 10 kHz a Vi. Determinar (experimentalmente) qual a máxima
excursão simétrica que se obtém em V0. Justificar o valor encontrado.
f) Também com uma onda sinusoidal de 10 kHz em Vi, medir o ganho
o valor encontrado.
7.
MATERIAL
1 JFET BF245C
Resistências: 10 k500 koutras conforme cálculos
Condensadores: 2x 0,22 F, outro conforme cálculos
2 multímetros digitais
Esquema do JFET BF245C
(visto por baixo)
Dreno (pino da esquerda),
Source (pino do meio), e Gate, pino da direita
V0
Vi
do circuito. Justificar