Date post: | 15-Apr-2016 |
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Universidad Politécnica Salesiana. Amplificadores con MOSFET.
1
Resumen— Los amplificadores de pequeña señal utilizan como
elemento principal el transistor BJT el cual presenta múltiples
parámetros tanto en el análisis en DC como en AC. Para casos
especiales en los que se requiera más potencia o una mayor ganancia
para obtener más señal entonces resulta apropiado utilizar los
mismos amplificadores pero con transistores FET’s cuyas ventajas
frente a los BJT son numeradas a igual que las desventajas. En el
presente trabajo se enlistará las diferentes polarizaciones de análisis
con JFET y MOSFET con sus respectivas aplicaciones. Lo anterior
consta como una primera parte del trabajo, después, el análisis
continúa con la segunda parte sobre los IGBT que si bien no está en
el contexto de los amplificadores para nada está aislado de los
transistores FET.
Abstract— Small signal amplifiers using as the main element BJT
transistor, which has multiple parameters analysis in both DC and
AC. For special cases where we need more power or a higher gain
for get a higher signal then use the same amplifiers required but
using FET’s whose advantages over BJT are numbered as
disadvantages. In this paper, the different polarizations of analysis
JFET and MOSFET with their applications are going listed. This
comprises a first part of the work, and then the analysis continues
with the second part of the IGBT that while it is not in the context of
the amplifiers for nothing is isolated from the FET transistors.
Keywords— Bipolar transistors, FET circuits, MOSFET circuits,
Polarizations.
I. INTRODUCCIÓN
n este artículo se refieren algunas de las polarizaciones más
importantes y comunes de los transistores JFET y MOSFET
para obtener amplificadores de potencia o de una señal mucho
mayor que los obtenidos en los BJT. La necesidad de utilizar
los transistores de efecto de campo (FET) se debe a los
inconvenientes que resultan de utilizar transistores de unión
bipolar (BJT) en los amplificadores, por ejemplo, los
amplificadores con BJT aparte de ser para pequeñas señales
presentaban inconvenientes como:
Baja impedancia de entrada (lo cual repercutía en
considerar la resistencia interna βre)
Trabajo sólo en bajas frecuencias (como resultado nos
limitábamos a señales de ingreso dadas por
generadores y no por transductores)
Velocidad de conmutación lenta (representaba un
pequeño desfase entre las señales de ingreso y salida)
Estos factores resultaron en cambiar el dispositivo
amplificador por uno que cubra en gran parte todas esas
desventajas y de hecho para eso se utilizan los FET, siempre
claro está que, según sea la aplicación se utilizarán los
diferentes amplificadores porque tanto BJT como FET cubren
las desventajas del otro. Por tanto, al igual que los
amplificadores ya estudiados con transistores bipolares
podemos utilizar las mismas configuraciones pero
considerando nuevos parámetros internos de análisis tanto en
DC como en AC.
Fig. 1 Analogía entre dispositivos BJT y JFET.
Ya en una segunda parte del artículo se explicará el
funcionamiento de un tipo especial de transistores denominados
IGBT considerados como la unión o fusión de los transistores
BJT con FET. Estos transistores especiales funcionan como
conmutadores de alta potencia pues las cargas que manejan
comprenden voltajes en el orden de los KV y corrientes muy
superiores a la unidad, siendo de gran aplicación en la
electrónica de potencia por su facilidad de control y gran
capacidad de manejo de altas potencias.
II. AMPLIFICADORES CON JFET’S
A. Transistores JFET
El JFET es un dispositivo de tres terminales con una
terminal capaz de controlar la corriente entre las otras dos. Sus
características importantes son:
Amplificadores con JFET, MOSFET; y
Transistores IGBT
Argudo, Andrés; Carpio, Geovanny; Marca, Cristian; Molina, Daniel; Samaniego, Juan
gargudog@\; gcarpios@\; cmarca@\;dmolinav1@\; jsamaniegop@\; \est.ups.edu.ec
Universidad Politécnica Salesiana - Ecuador
E
Universidad Politécnica Salesiana. Amplificadores con MOSFET.
2
Controla la salida por medio del voltaje
Presentan diferentes regiones de polarización
Presentan una impedancia de entrada muy alta
Según la región de polarización en la que se encuentren
funcionan como:
o Resistencias controladas por tensión (Zona
lineal)
o Amplificadores de corriente o tensión (Zona
de saturación)
o Fuentes de corriente (𝑉𝐷𝑆 > 𝑉𝑝 𝑦 𝑉𝐺𝑠 = 0)
o Interruptores lógicos y de potencia (Zona de
corte)
Las ecuaciones más importantes que rigen su
funcionamiento son:
2
0
1
G
D S
GSD DSS
P
I
I I
VI I
V
Donde Vp y IDSS son el voltaje de estrangulamiento y la
corriente de saturación en el drenaje, respectivamente. En la fig.
1 se muestran los símbolos electrónicos del JFET tanto para
canal n (a) como para canal p (b).
Fig. 2 Esquema del JFET.
Para el análisis en DC no nos sumergiremos en las
consideraciones de nodos y mallas para obtener sus ecuaciones
ya que no son objetivo de este trabajo, sino de una manera más
práctica utilizaremos estas ecuaciones directamente para
analizarlas en AC.
Polarización Fija
Fig. 3 Configuración de polarización fija.
Sus ecuaciones más importantes son:
QGS GG
DS DD D S
V V
V V I R
Autopolarización
Fig. 4 Configuración de Autopolarización.
Sus ecuaciones más importantes son:
GS D S
DS DD D D S
V I R
V V I R R
Partidor de Tensión
Fig. 5 Configuración de Partidor de Tensión.
Sus ecuaciones más importantes son:
2
1 2
DDG
GS G D S
DS DD D D S
R VV
R R
V V I R
V V I R R
Configuración de Gate común
Universidad Politécnica Salesiana. Amplificadores con MOSFET.
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Fig. 6 Configuración de Gate común.
Sus ecuaciones más importantes son:
GS SS D S
DS DD SS D D S
V V I R
V V V I R R
Caso especial VGS = 0
Fig. 7 Caso especial VGS = 0.
Sus ecuaciones más importantes son:
0
Q
DS DD D D
D DS
S
D DSS
V V I R
V V
V V
I I
B. Amplificadores de pequeña señal con JFET’s
Ya para los amplificadores JFET lo importante es que van a
ser controlados por voltaje, además, su impedancia de entrada
debe ser alta lo que elimina la resistencia interna de ingreso por
lo que proporcionan una ganancia muy buena de voltaje. Estos
amplificadores son considerados de bajo consumo de potencia.
El análisis en AC requiere un modelo de JFET para obtener el
circuito equivalente al cortocircuitar las fuentes de DC, en la
fig. 8 se muestra el modelo del JFET para análisis en AC.
Fig. 8 Circuito equivalente del JFET en AC.
Es importante notar que el VGS controla la corriente del
drenaje. Ahora, aparecen nuevos parámetros del circuito
equivalente que se definen a continuación:
o gm es el cambio de la corriente del drenaje que resulta
de un cambio en el VGS, a este parámetro se lo conoce
como el factor de transconductancia. Este factor se
puede determinar por dos métodos:
Método de Transferencia: donde gm es la
pendiente de la recta tangente en el punto
Q(VGS, ID).
Método matemático: Se puede derivar la
ecuación de Schottky para obtener: 2
1
21
| |
dId d VGSgm IDSS
dVGS dVGS Vp
IDSS VGSgm
Vp Vp
o rd es la magnitud de la impedancia de salida de los
JFET y se encuentra en la hoja de especificación como
el inverso del Yϴs [medida en Siemens]. También
corresponde a la pendiente de la recta tangente del
punto Q(VDS, ID).
o Zi es la impedancia de entrada. Todos los JFET
comerciales suponen una alta impedancia de entrada
por lo que se aproximan a un circuito abierto.
Con los parámetros predefinidos anteriormente podemos
empezar el análisis en AC para las diferentes polarizaciones:
Polarización Fija (Source Común)
En la fig. 9 se muestra la polarización fija a source común
considerada con carga y su modelo equivalente AC:
(a)
(b) Fig. 9 Polarización fija: (a) Esquema, (b) Modelo AC.
A continuación se presentan una serie de pasos donde se
deduce los diferentes parámetros en AC como impedancias,
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voltajes, pero finalmente llegamos a las ganancias de voltaje
con carga, sin carga, y de la señal.
Polarización Source Seguidor (Drain común)
El circuito de esta polarización se muestra en la fig. 10:
(a)
(b) Fig. 10 Polarización Drain común: (a) Esquema electrónico, (b)
Modelo equivalente en AC.
El análisis en AC considera los parámetros ya estudiados,
es decir, gm, rd, y su modelo equivalente. La fig. 10(b) mostró
el equivalente de esta polarización en AC a partir del cual
deducimos sus ecuaciones. Así en el nodo S tenemos:
𝐼𝑜 + 𝑔𝑚𝑉𝑔𝑠 = ird + iRs
Por ley de Ohm,
𝐼𝑜 + 𝑔𝑚𝑉𝑔𝑠 =𝑉𝑜
𝑟𝑑+
𝑉𝑜
𝑅𝑠
Dado que VGS y Vi son iguales, por tanto,
𝐼𝑜 = 𝑉𝑜 (1
𝑟𝑑+
1
𝑅𝑠− 𝑔𝑚)
Así, la impedancia de salida es,
𝑍𝑜 =𝑉𝑜
𝐼𝑜=
𝑉𝑜
𝑉𝑜 (1
𝑟𝑑+
1𝑅𝑠
− 𝑔𝑚)
𝑍𝑜 = 𝑟𝑑‖𝑅𝑠‖1
𝑔𝑚
Una vez que se obtiene las impedancias se obtiene la
ganancia, pero, se define primero el voltaje de salida:
𝑉𝑜 = 𝑔𝑚𝑉𝑔𝑠(𝑟𝑑‖𝑅𝑠)
𝑉𝑜 = 𝑔𝑚(𝑉𝑖 − 𝑉𝑜)(𝑟𝑑‖𝑅𝑠)
𝑉𝑜 + 𝑔𝑚𝑉𝑜(𝑟𝑑‖𝑅𝑠) = 𝑔𝑚𝑉𝑖(𝑟𝑑‖𝑅𝑠)
Así, la ganancia con carga está definida por:
𝐴𝑣 =𝑉𝑜
𝑉𝑖=
𝑔𝑚(𝑟𝑑‖𝑅𝑠)
1 + 𝑎𝑚(𝑟𝑑‖𝑅𝑠)
Polarización Gate Común
La fig. 11 muestra el esquema electrónico y equivalente AC
de este tipo de polarización:
(a)
(b) Fig. 11 Polarización Gate Común: (a) Esquema electrónico, (b)
Modelo equivalente AC.
Con Vi=0 se anula el efecto de Rs por lo que claramente la
impedancia de salida está definida por:
𝑍𝑜 = 𝑅𝐷‖𝑟𝑑
||
( || )
:
( || )
( || )
( || || )
( || || )
Avs ( || || )
||
gs
gs
Zi RG
Zo rd RD
Vo gmV rd RD
V Vi
Entonces
Vo gmVi rd RD
VoAv gm rd RD
Vi
Vo gmVi rd RD RL
VoAvL gm rd RD RL
Vi
Vo Vi Vo RGgm rd RD RL
Vi Vs Vi RG Rsig
RG Rsig
RD RL rd
Avs
( || )gm RD RL
Universidad Politécnica Salesiana. Amplificadores con MOSFET.
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Para determinar la impedancia de entrada es necesario
primero definir la parte correspondiente al ingreso
considerando la resistencia interna del drenaje (véase la fig. 12),
Fig. 12 Equivalente del circuito de entrada considerando rd.
Por tanto,
𝑍′ =𝑉′
𝐼′ 𝑎𝑑𝑒𝑚á𝑠 𝑉𝐺𝑆 = −𝑉𝑖 = −𝑉′
Por LCK en el nodo a,
𝐼′ + 𝑔𝑚𝑉𝐺𝑆 = 𝐼𝑟𝑑
𝐼′ = 𝐼𝑟𝑑 − 𝑔𝑚𝑉𝐺𝑆
𝐼′ =𝑉′ − 𝐼′𝑅𝐷
𝑟𝑑− 𝑔𝑚𝑉𝐺𝑆
𝐼′ =𝑉′
𝑟𝑑−
𝐼′𝑅𝐷
𝑟𝑑− 𝑔𝑚𝑉′
𝐼′ (1 +𝑅𝐷
𝑟𝑑) = 𝑉′ (
1
𝑟𝑑− 𝑔𝑚)
Finalmente,
𝑍𝑖′ =𝑅𝐷 + 𝑟𝑑
(1 − 𝑔𝑚𝑟𝑑)
Pero la Zi representa el paralelo entre Rs y Zi’,
𝑍𝑖 = 𝑅𝑠‖𝑍𝑖′
Del análisis LTK en la malla del FET tenemos:
𝐼𝑅𝐷 + 𝑔𝑚𝑉𝐺𝑆 + 𝐼𝐷 = 0
𝐼𝐷 = − (𝑉𝑜 − 𝑉𝑖
𝑟𝑑) 𝑅𝐷 + 𝑔𝑚𝑉𝑖
𝑉𝑜 (1 +𝑅𝐷
𝑟𝑑) = 𝑉𝑖 (
𝑅𝐷
𝑟𝑑+ 𝑔𝑚𝑅𝐷)
Finalmente,
𝐴𝑣 =𝑉𝑜
𝑉𝑖=
𝑅𝐷𝑟𝑑
+ 𝑔𝑚𝑅𝐷
1 +𝑅𝐷𝑟𝑑
Este es el análisis general de las polarizaciones, varias
fórmulas difieren de la forma de conexión y la simplificación
del circuito al considerar que rd es muy grande por lo que se
representa como un abierto.
C. Respuesta en frecuencia de los amplificadores FET’s
Al igual que con los BJT se tienen tres capacitores
elementales que cumplen funciones tanto en AC como en DC,
se tiene el capacitor de la fuente de la señal (CG), el capacitor
de la carga (Cc) y el capacitor de puenteo que es opcional para
mejorar la amplificación (Cs). Los capacitores entran a
funcionar en AC cuando se llegue a la frecuencia de corte por
lo que se tienen las siguientes fórmulas:
𝑓𝐿𝐺 =1
2𝜋(𝑍𝑖 + 𝑅𝑠𝑖𝑔)𝐶𝑔
𝑓𝐿𝐶 =1
2𝜋(𝑍𝑜 + 𝑅𝐿)𝐶𝑐
𝑓𝐿𝑆 =1
2𝜋(𝑅𝑒𝑞)𝐶𝑠
Donde, respectivamente, los valores de las resistencias están
dados por,
𝑅𝑒𝑞 = 𝑅𝑠 ‖1
𝑔𝑚
Tomar en cuenta para el diseño que el condensador de
entrada o de la señal es más bajo que el resto de condensadores.
Cuando se realiza el análisis en frecuencia los amplificadores
FET’s tienen la característica de trabajar a diferentes
frecuencias es decir intervalos desde bajas frecuencias hasta
altas frecuencias; considerar lo siguiente:
Los capacitores determinan el ancho de banda del
sistema (diagrama de Bode).
Los capacitores más grandes determinan la
frecuencia de corte inferior (son los capacitores del
circuito)
Los capacitores que se crean en las junturas son los
relativamente más pequeños y dan las frecuencias
de corte superiores.
En la frecuencia de corte la ganancia es 0,707 del
valor de banda media.
El análisis de las polarizaciones quedará flotante hasta este
punto, por tanto es necesario ayudarnos de un ejemplo de diseño
y cálculo para cubrir los valles de confusiones.
D. Ejemplo de análisis para Polarización Fija
Considérese el circuito de la fig. 13:
Fig. 13 Circuito para ejemplo de análisis.
El FET Q1 utilizado presenta una corriente de saturación de
8 mA y un voltaje de estrangulamiento de -6V. A pesar de la
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predefinición de los valores de los capacitores éstos son
exclusivamente referentes pues se los calculará posteriormente.
El análisis DC determina el punto Q de polarización por lo que:
𝑉𝐺𝑆 = −𝐼𝐷𝑅𝑠
𝐼𝐷 = 8𝑚𝐴 (1 −−𝐼𝐷 ∗ 1𝑘Ω
−6𝑉)
2
Resultando en,
𝐼𝐷𝑄 = 2.588𝑚𝐴 𝑉𝐺𝑆 = −2.588𝑉
Para el análisis de AC primero calculamos el factor de
transconductancia,
𝑔𝑚 =2(8𝑚𝐴)
6(1 −
−2.588
−6)
𝑔𝑚 = 1.51𝑚𝑆
Inmediatamente, calculamos la resistencia interna de
drenaje considerando una admitancia de source común de 20
micro-mhos,
𝑟𝑑 =1
𝑦𝑜𝑠=
1
20𝜇𝑆= 50𝑘Ω
Basándose en el modelo de AC, consideramos:
𝑍𝑖 = 𝑅𝐺 = 1𝑀Ω
Calculando la impedancia de salida,
𝑍𝑜 = 𝑟𝑑‖𝑅𝐷‖𝑅𝐿, rd >> 10RD
𝑍𝑜 = 𝑅𝐷‖𝑅𝐿
𝑍𝑜 = 767.44Ω
La ganancia está dada por,
𝐴𝑣 =−𝑔𝑚𝑅𝐷
1 + 𝑔𝑚𝑅𝑠
𝐴𝑣 = −1.98
Finalmente, para el análisis en frecuencia se determinarán
los condensadores para que el circuito trabaje en la frecuencia
de corte y proceda a la amplificación de la señal. Considérese a
frecuencia de corte de 1KHz entonces,
𝐶𝑖 =1
2𝜋(1𝑘𝐻𝑧)(1𝑀Ω + 50)
𝐶𝑖 = 159.14 𝑝𝐹
El condensador de la carga es,
𝐶𝑐 =1
2𝜋(1𝑘𝐻𝑧)(767.44 + 1𝐾)
𝐶𝑜 = 90.05𝑛𝐹
Y el condensador de puente es,
𝑅𝑒𝑞 = 1𝐾 ‖1
1.51𝑚𝑆
𝑅𝑒𝑞 = 398.406Ω
𝐶𝑠 =1
2𝜋(1𝑘𝐻𝑧)(398.406)
𝐶𝑜 = 399.47𝑛𝐹
Volviendo a rediseñar el circuito de la fig. 13 obtenemos el
de la fig. 14(a), las simulaciones de señal están dadas por la fig.
14(b), las mediciones del punto Q en DC están en la fig. 14(c)
y finalmente los diagramas de Bode en la fig. 14(d).
(a)
(b)
(c)
(d) Fig. 14 Ejemplo de Polarización Fija: (a) Esquema rediseñado, (b)
Simulación de ondas, (c) Mediciones del punto Q, (d) Bodes.
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III. AMPLIFICADORES CON MOSFET
A. Amplificadores con MOSFET empobrecimiento
Al igual que el JFET estos dispositivos tienen la misma
transconductancia con la diferencia que en los de canal n el
VGSQ puede ser positivo lo que resulta en un valor de gm mayor
a gm0.
𝑔𝑚 = 𝑔𝑚0 (1 −𝑉𝐺𝑆
𝑉𝑝)
𝑔𝑚0 =2𝐼𝐷𝑆𝑆
|𝑉𝑝|
Así, su circuito equivalente es el mismo que el del transistor
JFET por lo que el análisis AC o DC es muy similar. A
continuación se detallará las similitudes con un ejemplo de
aplicación.
Ejemplo de polarización con partidor de tensión
En la fig. 15 se tiene el esquema de circuito y su modelo
equivalente en AC. Por tanto las deducciones de las ecuaciones
características son:
𝑍𝑖 = 𝑅1||𝑅2
𝑍𝑜 = 𝑟𝑑||𝑅𝐷
𝑉𝑜 = −𝑔𝑚𝑉𝑔𝑠(𝑟𝑑||𝑅𝐷)
𝑉𝑔𝑠 = 𝑉𝑖
𝐴𝑣 = −𝑔𝑚(𝑟𝑑||𝑅𝐷)
(a)
(b) Fig. 15 Partidor de tensión con MOSFET: (a) Esquema electrónico,
(b) Equivalente AC.
B. Amplificadores con MOSFET enriquecimiento
En este tipo de dispositivo la ecuación de Shockley ya no es
aplicable dada que su curva de transferencia universal es
opuesta a la del MOSFET empobrecimiento. Ahora la ecuación
que gobierna este tipo de transistor es la ecuación del tríodo:
𝐼𝐷 = 𝑘(𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝐺𝑆(𝑇𝐻))2
𝑘 =𝐼𝐷(𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜)
(𝑉𝐺𝑆(𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜) − 𝑉𝑇)2
Con la misma consideración para el factor de
transconductancia tenemos,
𝑔𝑚 = 2𝑘(𝑉𝐺𝑆𝑄 − 𝑉𝐺𝑆(𝑇𝐻))
Por tanto el análisis de las polarizaciones sigue siendo el
mismo pero las ecuaciones variarán en tanto con la ecuación
obtenida.
Configuración de realimentación de Drain
(a)
(b) Fig. 16 Realimentación de Drain: (a) Esquema electrónico, (b)
modelo equivalente AC.
El análisis para Zi es como sigue,
𝐼𝑖 = 𝑔𝑚𝑉𝑔𝑠 +𝑉𝑜
𝑟𝑑||𝑅𝐷
𝑉𝑔𝑠 = 𝑉𝑖 𝑉𝑜 = (𝑟𝑑||𝑅𝐷)(𝐼𝑖 − 𝑔𝑚𝑉𝑖)
𝐼𝑖 =𝑉𝑖 − 𝑉𝑜
𝑅𝐹=
𝑉𝑖 − (𝑟𝑑||𝑅𝐷)(𝐼𝑖 − 𝑔𝑚𝑉𝑖)
𝑅𝐹
𝑉𝑖[1 + 𝑔𝑚(𝑟𝑑||𝑅𝐷)] = 𝐼𝑖[𝑅𝐹 + 𝑟𝑑||𝑅𝐷]
𝑍𝑖 =𝑉𝑖
𝐼𝑖=
𝑅𝐹 + 𝑟𝑑||𝑅𝐷
1 + 𝑔𝑚(𝑟𝑑||𝑅𝐷)
Para el análisis de Zo utilizamos el equivalente con Vi=0 y
gmVgs=0 por lo que,
Universidad Politécnica Salesiana. Amplificadores con MOSFET.
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𝑍𝑜 = 𝑅𝐹||𝑟𝑑||𝑅𝐷
Para determinar la ganancia de voltaje, considérese la LCK
en el nodo D,
𝐼𝑖 = 𝑔𝑚𝑉𝑔𝑠 +𝑉𝑜
𝑟𝑑||𝑅𝐷
𝑉𝑖 − 𝑉𝑜
𝑅𝐹= 𝑔𝑚𝑉𝑖 +
𝑉𝑜
𝑟𝑑||𝑅𝐷
𝑉𝑜 [1
𝑟𝑑||𝑅𝐷+
1
𝑅𝐹] = 𝑉𝑖[
1
𝑅𝐹− 𝑔𝑚]
𝐴𝑣 =𝑉𝑜
𝑉𝑖=
[1
𝑅𝐹− 𝑔𝑚]
[1
𝑟𝑑||𝑅𝐷+
1𝑅𝐹
]
Partidor de Tensión
(a)
(b) Fig. 17 Partidor de Tensión: (a) Esquema electrónico, (b) modelo
equivalente AC.
El análisis para Zi es como sigue,
𝑍𝑖 = 𝑅1||𝑅2
Para el análisis de Zo utilizamos el equivalente con Vi=0 y
gmVgs=0 por lo que,
𝑍𝑜 = 𝑟𝑑||𝑅𝐷
Para determinar la ganancia de voltaje, que Vgs=Vi,
𝑉𝑔𝑠 = 𝑉𝑖
𝐴𝑣 = −𝑔𝑚(𝑟𝑑||𝑅𝐷)
Ejemplo de análisis para realimentación de drain
Considérese el circuito de la fig. 18, se pide determinar Zi,
Zo, y Av.
Fig. 18 Ejemplo de realimentación de Drain.
Los datos de fábrica y datos de polarización CD del
transistor MOSFET son:
ID(encendido)=6mA
VGS(encendido)=8V
𝑉𝐺𝑆𝑄𝑇𝐻=3V
Yos=20µS
k=0.24 ∗ 103 [𝐴
𝑣2]
𝑉𝐺𝑆𝑄=6.4V
𝐼𝐷𝑄=2.75mA
Los cálculos correspondientes son como siguen;
𝑔𝑚 = 2(0.24 ∗ 103)(6.4 − 3)
𝑔𝑚 = 1.63𝑚𝑆
𝑟𝑑 =1
𝑌𝑜𝑠=
1
20𝜇= 50𝑘Ω
𝑍𝑖 =𝑅𝐹 + 𝑟𝑑||𝑅𝐷
1 + 𝑔𝑚(𝑟𝑑||𝑅𝐷)=
10𝑀 + (1
50𝑘+
12𝑘
)−1
1 + (1.63𝑚) (1
50𝑘+
12𝑘
)−1
𝑍𝑖 = 2.42𝑀Ω
𝑍𝑜 = 𝑅𝐹||𝑟𝑑||𝑅𝐷
𝑍𝑜 = (1
10𝑀+
1
50𝑘+
1
2𝑘)
−1
𝑍𝑜 = 1.92𝑘Ω
𝐴𝑣 = −𝑔𝑚(𝑅𝐹||𝑟𝑑||𝑅𝐷)
𝐴𝑣 = −(1.63𝑚) (1
10𝑀+
1
50𝑘+
1
2𝑘)
−1
𝐴𝑣 = −3.21
C. Amplificadores en Cascada
La única consideración especial para estos amplificadores
es que al igual que los BJT la ganancia total es el producto de
R1
2kΩ
C1
10nF
R2
10MΩ
V1
12V
C2
10µFQ1
2N7000G
Universidad Politécnica Salesiana. Amplificadores con MOSFET.
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cada etapa incluidos los efectos de carga de la siguiente etapa.
Por tanto,
𝐴𝑣 = 𝐴𝑣1 ∗ 𝐴𝑣2 = (−𝑔𝑚1𝑅𝐷1)(−𝑔𝑚𝑅𝐷2)= 𝑔𝑚1 ∗ 𝑔𝑚2 ∗ 𝑅𝐷1 ∗ 𝑅𝐷2
Fig. 19 Ejemplo de amplificadores en cascada.
IV. TRANSISTORES IGBT
El IGBT es un dispositivo que tiene las características de
conducción de salida de un BJT per es controlado por un voltaje
como un MOSFET. Este dispositivo es la fusión de un transistor
BJT con un MOSFET lo que resulta en la capacidad de manejar
grandes potencias, constituyendo una excelente opción para
aplicaciones de conmutación de altos voltajes y corrientes.
Fig. 20 Transistor IGBT (símbolo).
Una curva característica que diferencia las aplicaciones de
los IGBT con los MOSFET es como la que se muestra en la fig.
21 donde se hace especial énfasis en la alta capacidad para
manejar voltajes a altas frecuencias.
Fig. 21 Curva característica de IGBT vs MOSFET.
Las ventajas de estos dispositivos aparte de las ya
mencionadas son:
Alta resistencia de entrada (MOSFET)
Bajo voltaje de saturación (BJT)
Velocidad de conmutación media
(MOSFET+BJT)
Las consideraciones especiales acerca de este dispositivo es
no sobrepasar los voltajes o corrientes límites ya que se activan
elementos parásitos que son un transistor parásito y una
resistencia parasita pero con el primero ocurre que puede
ocurrir la conducción a pesar de sobrepasar los límites
resultando en un paso no deseado de corriente muy elevada lo
que puede ocasionar graves daños en el circuito.
Fig. 22 Presencia de elementos parásitos en el IGBT.
V. CONCLUSIONES
La amplificación de señales es un tema de alto interés por
sobre todo al momento de considerar las aplicaciones de las
mismas, se tiene una elección entre transistores BJT, JFET,
MOSFET, cada uno cubre las desventajas presentadas por los
otros dispositivos pero de igual manera presentan desventajas
así que queda a la elección del diseñador el uso de un transistor
adecuado.
El análisis de los amplificadores con FET es muy similar
al de los BJT, pero aparecen nuevos parámetros que
dependen de la curva de transferencia universal del FET.
En los FET la única polarización que posee cambio de
fase es la de source común.
Entre MOSFET y FET la diferencia en cálculos es la de
determinar la transconductancia.
Debido a la alta impedancia entre el terminal G y S la
impedancia de entrada equivale a un circuito abierto.
La carga y la señal siempre reducirán la ganancia por
debajo de la ganancia sin carga.
En AC los MOSFET de tipo enriquecimiento hay que
tener en cuenta que la entrada no se conecta con el source
en el circuito.
Primordialmente cuando se va realizar un amplificador
con FET’S hay que determinar de qué tipo es ya que en
uno de ellos el parámetro de control de la fuente de
corriente varia debido a que su comportamiento a nivel
semiconductor lo hace.
Cuando se analiza el comportamiento AC de un mosfet
de tipo enriquecimiento hay que tener en cuenta que la
entrada no se conecta con el source en el circuito
equivalente debido a la alta impedancia de entrada del
circuito, lo que en algunos casos nos presentara otras
Universidad Politécnica Salesiana. Amplificadores con MOSFET.
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condiciones diferentes a las de un JFET o MOSFET de
tipo empobrecimiento.
Los transistores IGBT son adecuados cuando se manejan
altos voltajes y altas corrientes a cualquier frecuencia.
Los IGBT son la combinación de un MOSFET (para el
control por voltaje) y un BJT (para el manejo de la
corriente).
REFERENCIAS
[1] Boylestad Robert, “Teoría de dispositivos electrónicos”.
Editorial: Pearson. Edición: 10.
[2] Floyd, “Dispositivos Electrónicos”. Editorial: Pearson. Edición:
10.
[3] Transistor IGBT. (On-line). Available on:
http://www.ecured.cu/index.php/Transistor_IGBT (Recuperado
en: nov, 05 de 2015)