Polarización del FET

I.- OBJETIVOS

• Verificar el funcionamiento de un JFET
• Experimentar circuitos de polarización del JFET

II.- FUNDAMENTO TEORICO

En los transistores bipolares, una pequeña corriente de entrada (corriente de base) controla la corriente de salida (corriente de colector); en los casos de los FET, es un pequeño voltaje de entrada que controla la corriente de salida.

La corriente que circula en la entrada es generalmente despreciable (menos de un pico amperio). Esto es una gran ventaja, cuando la señal proviene de un dispositivo tal como un micrófono de condensador o un transductor piezo eléctrico, los cuales proporcionan corrientes insignificantes.

Los FET’s, básicamente son de dos tipos:

• El transistor de efecto de campo de Juntura o JFET.
• El transistor de efecto de campo con compuerta aislada o IGFET, también conocido como semiconductor de óxido de metal, MOS, o simplemente MOSFET.

EL JFET

El JFET esta constituido por una barra de silicio tipo N o canal N, introducido en una barra o anillo de silicio tipo P tal como se muestra en la Fig. A

Los terminales del canal N son denominados “SURTIDOR” (SOURCE) y “DRENADOR” (DRAIN). El anillo forma el tercer terminal del JFET llamado COMPUERTA (GATE).

Inicialmente circula una corriente por la compuerta, pero posteriormente la corriente circula únicamente desde el surtidor al Drenador sin cruzar la juntura PN.

El control de esta corriente se efectúa por medio de la aplicación de un voltaje de polarización inverso, aplicado entre la compuerta y el surtidor (VGS), formando un campo eléctrico el cual limita el paso de la corriente a través del canal N (Fig.B). Al aumentar el voltaje inverso, aplicado a la compuerta, aumenta el campo eléctrico, y la corriente de Surtidor a Drenador disminuye.

También se construyen JFET’s con barra de silicio tipo P y anillos de silicio tipo N, denominándose “JFET canal P”.

El voltaje aplicado entre el Drenador y el Surtidor (VDS), no debe sobrepasar el voltaje de ruptura (típicamente 50V) porque destruiría el dispositivo.

Si se aplica polarización directa a la compuerta, circulará una alta corriente por la compuerta que puede destruir el JFET si no esta limitada por una resistencia en serie con la compuerta.

Para comprar un JFET se debe indicar su código.

PRUEBA DEL JFET

Se comprueba con un ohmímetro en la escala de Rx1 ó Rx10.

Entre compuerta y surtidor o compuerta y Drenador debe marcar como si fuera un diodo de silicio; es decir alta resistencia en un sentido y baja en el inverso.

Entre Drenador y surtidor, el valor óhmico exclusivamente del material del canal. Su valor varía entre 2K y 10K, siendo el mismo en ambos sentidos.

III.- EQUIPO Y MATERIALES

• Dos fuentes de voltaje ajustables de 0 a 15 V.
• Un transistor 2N3904
• Un multitester digital o analógico
• Un JFET K373
• Un LED de color (verde, rojo o amarillo)
• Resistores ½ W: de 270Ω , 470Ω, 33KΩ, 4.7KΩ, 100KΩ, 1.8KΩ, 2KΩ, 1MΩ.
• Potenciómetro de 10KΩ.

IV.- PROCEDIMIENTO

MEDICION DE IDSS Y VP

1º Arme el circuito mostrado en la Fig. 1A, coloque un amperímetro entre el circuito y la fuente de voltaje, encienda esta y observe tanto el amperímetro como el LED, si no pasa corriente (LED

apagado), apague la fuente e invierta las conexiones del LED. (Verifique la posición del LED).

2º Arme y conecte el divisor de voltaje de la Fig. 1B y conecte el terminal central a la compuerta (retirarla previamente del nivel de referencia), gire el potenciómetro y observe la corriente, con el voltímetro mida la tensión VGS en el momento en que ID se hace cero.

Los resultados para la Fig. 1A, se muestran en la siguiente tabla:

Los resultados para la Fig. 1B, se muestran en la siguiente tabla:

De donde deducimos que :

IDSS = 5 mA

VP = - 1.85 V

POLARIZACION FIJA

Arme el siguiente circuito, ubique en forma adecuada los instrumentos tal que pueda medir ID y VGS; encienda las fuentes y anote los valores de ID y VGS así también VDS. De ser posible cambie el transistor con otra mesa y anote las nuevas medidas.

Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

VALORES TEORICOS CALCULADOS

Sabemos que IG = 0, además:

Tenemos además que ID = IS

VDS = 10V – (RD)(ID)

VDS = 10V – (2K)(1.93mA)

VDS = 6.13 V

VGS = -VGG = -0.7V

VGD = VD – VG = 6.13V – (-0.7V) = 6.83V

AUTOPOLARIZACION

Arme el circuito mostrado. Conecte adecuadamente los instrumentos para medir ID y VGS, encienda las fuente y anote los valores de ID, VGS y las demás tensiones del circuito.

Todo circuito debe ser armado con las fuentes apagados previamente ajustadas al valor dado en el diagrama.

Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

VALORES TEORICOS CALCULADOS

VGS = - ID . RS

Eligiendo ID = 4 mA

Tenemos : VGS = - (4 mA)(270)

VGS = - 1.1 V

Estos dos datos nos permiten graficar y mediante la superposición de gráficas se obtienen los siguientes datos:

IDQ = 2.3 mA

VGSQ = - 0.65 V

Tenemos además que ID = IS

VDS = 10V – (ID) (RD+ RS)

VDS = 10V – (2.3 mA) (1800+270)

VDS = 5.23 V

VD = 10V – (2.3 mA) (1800)

VD = 5.86 V

VG = 0V

VGD = VD – VG = 5.86 V – 0 = 5.86 V

POLARIZACION POR DIVISOR DE TENSION

Arme el circuito mostrado y haga las medidas de ID así como las tensiones en los diferentes nudos y puntos del circuito.

Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

VALORES TEORICOS CALCULADOS

VG = (R2.VDD)/(R1 +R2)

VG = (33K x 10V)/(100K +33K)

VG = 2.48 V

Sabemos que VGS = VG – ID.RS

VGS = 2.48 V – ID(1.5K)

Cuando ID = 0 mA, entonces VGS = +2.48V

Cuando VGS = 0 V entones ID = 1.6 mA

Estos dos datos nos permiten graficar y mediante la superposición de gráficas se obtienen los siguientes datos:

IDQ = 2.1 mA

VGSQ = - 0.7 V

Tenemos además que ID = IS

VDS = 10V – (ID) (RD+ RS)

VDS = 10V – (2.1 mA) (270+1500)

VDS = 6.28 V

VD = 10V – (2.1 mA) (270)

VD = 9.43 V

VG = 2.48V

VGD = VD – VG = 9.43 V – 2.48 = 6.95 V

POLARIZACION POR FUENTE DE CORRIENTE

Arme el circuito mostrado y realice las medidas de ID, IC y las tensiones entre terminales de los dispositivos (JFET Y BJT) así como en los demás puntos del circuito.

Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

VALORES TEORICOS CALCULADOS

VE = -10V - ( -0.7V)

VE = - 9.3 V

Luego IE = (9.3V)/(4.7K)

IE = 1.97 mA

Además : IE = IC = ID = IS

Usando el valor de ID = 1.97 mA, se puede determinar el valor VGS mediante la gráfica mostrada en papel milimetrado.

VGS = - 0.80 V

VC = VB – VGS = 0 V –(-0.80V)

VC = 0.8 V

VDS = 10V – (ID) (RD) - VC

VDS = 10V – (1.97 mA) (470) – 0.8 V

VDS = 8.27 V

VGD = VD – VG = 9 V – 0 V = 9 V

V.- CUESTIONARIO

1.- ¿Explicar con sus propias palabras como funciona un JFET?

El FET es un dispositivo controlado por voltaje y no por corriente como lo es el transistor BJT. El control de esta corriente (IDS) se efectúa por medio de la aplicación de un voltaje de polarización inverso, aplicado entre la compuerta y el surtidor (VGS), formando un campo eléctrico el cual limita el paso de la corriente a través de Drenador y Source. Al aumentar el voltaje inverso, aplicado a la compuerta, aumenta el campo eléctrico, y la corriente de Source a Drenador disminuye.

2.- ¿Qué diferencia y similitudes existen entre el JFET y el BJT?

La diferencia principal entre las dos clases de transistores es el hecho de que el BJT es un dispositivo controlado por corriente, mientras que el transistor JFET es un dispositivo controlado por voltaje. En otras palabras, la corriente IC es una función directa del nivel de IB. Para el FET la corriente ID será una función del voltaje VGS aplicado a la entrada del circuito.

La semejanza que hay entre el JFET y un transistor bipolar es que ambos dispositivos tienen tres terminales de conexión externas, ambos tiene dos diodos internos con una barrera de potencial de 0.7 V y ambos tienen tres regiones de interés. Además ambos pueden amplificar una señal de entrada y son dispositivos de control de corriente IC ó ID.

3.- Investigue cuales son las ventajas y desventajas del FET.

El JFET tiene una impedancia de entrada casi infinita, pero el precio que se paga por esto es una pérdida de control sobre la corriente de salida. En otras palabras, un JFET es menos sensible a cambios de voltaje de entrada que un transistor bipolar. En casi cualquier FET un cambio en VGS de 0.1 V produce una variación de la corriente de drenador menor que 10 m. Pero en un transistor bipolar el mismo cambio en VBE produce una variación en la corriente de salida mayor que 10 mA.

¿Qué significa esto? Significa que un amplificador JFET tiene mucho menor ganancia de voltaje que un amplificador bipolar. Por esta razón la primera regla de diseño que gobierna a los dispositivos es ésta: utilice bipolares para ganancia de voltaje alta y emplee JFET para alta impedancia de entrada.

4.- Diseñe un circuito experimental donde intervenga un FET.

Cuando un receptor se sintoniza de una estación débil a una estación fuerte, la bocina produce un sonido muy intenso a menos que el volumen se reduzca inmediatamente. O el volumen pueda variar debido a un desvanecimiento, una variación en la fuerza de la señal causada por un cambio eléctrico en la trayectoria entre las antenas de recepción y transmisión. Para evitar cambios no deseados en el volumen, la mayoría de los receptores utilizan control de ganancia automática (CGA).

5.- Justifique teóricamente los voltajes y medidas experimentales. Considere IDSS = 6 mA y VP = -2V

Los voltajes y medidas experimentales se calcularon anteriormente en cada una de las polarizaciones.

6.- Analizar la gráfica obtenida ID = f(VGS) y determine el valor de IDSS y VP

En la gráfica se puede observar que cuando el voltaje VGS = 0 se tiene una corriente máxima de drenador de 4.78 mA. Además mientras se aumenta el voltaje negativo de compuerta la corriente de drenador va disminuyendo tal como se puede observar en la gráfica en papel milimetrado mostrado. Cuando el voltaje negativo de compuerta esta en –1.6 V se tiene una corriente de 0 mA.

De donde se deduce que :

IDSS = 4.7 mA

y VP = -1.6 V

En la mediciones experimentales se pudo observar además que la corriente de compuerta es igual a cero (IG = 0)

ANEXO

Para graficar la curva de transferencia se tomaron 17 datos del voltaje VGS y la corriente ID, los cuales nos permitieron encontrar el valor de :

IDSS = 4.78 mA

VP = -1.6 V

Los datos tomados se muestran en la siguiente tabla: