LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
1
Practica # 4 Amplificadores de pequeña senal con JFET Xavier Andres Macancela Poveda
[email protected] Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca Laboratorio de Analógica II
Resumen—En el siguiente documento, se describe el funcionamiento miento de los amplificadore amplificadoress de pequeña pequeña señal con transistor transistores es JFET, por ejemplo el amplificador source comun, etc. En estos tipos tipos de amplifi amplificad cador ores es tienen tienen una imped impedanc ancia ia muy alta alta de entrad entrada a y imped impedanc ancia ia muy alta alta de salida salida,, ademas ademas tienen tienen una caracteristica especial que estos no tienen mucha ganancia, tienen una ganancia maxima hasta de 10.
(2)
I G = 0A
Ahora bien si analizamos al transistor jfet dentro de AC aparecerán nuevos parámetros como es el factor de transconductancia [2] mostrada en la ecuación 3.
Index Terms—mpf 102, jfets, amplificadores con JFET, Gate Comun, Drain Comun, Source Comun.
O BJETIVOS Diseña Diseñarr calcul calcular ar y compro comprobar bar el funcio funcionam namien iento to de las siguientes configuración usando transistores jfet Drain Común Av=1 RL=3.3k Source Común Av=5 RL=1.5k Gate Común Av=3 RL=4.7k Los requerimientos para el diseño de los diferentes amplificadores se muestra en la cuadro I . Cuadro I PARAMETROS DE D ISEÑO Av Drain Av Source Av Gate Fc
Datos Datos 1 5 3 2khz
I. M ARCO T EÓRICO El análisis de los transistores jfet, como amplificador de pequeñas señales. El transistor jfet es un dispositivo de tres terminales el cual controla la corriente que circula a través de sus 2 terminales D(drain) S(source), mediante una tensión umbral que se aplica en los terminales G (gate) S(source). Cabe recalcar que los transistores jfet no trabajan con corriente aplicada en el G(gate) por lo que en todas sus polarizaciones se tendrá una impedancia en el G(gate) alta. La curva característica del transistor fet se puede obtener de forma directa con la ecuación de Shockley[1] mostrada en la ecuación 1 .
(3)
Continuando con el análisis, los transistores jfet tiene una impedancia de entrada lo bastante grande para suponer que sus terminales en la entradas se aproximan a un circuito abierto. Es decir básicamente:
Z i = ∞Ω ∞Ω
Zo =
(4)
(1)
Una caract caracterí erísti stica ca exist existent entee en el manejo manejo de Jfet Jfet es la ausencia de corriente de gate, como se menciono anteriormente [4], por lo tanto:
1 yos
(5)
También se puede representar por rd r d. En modelo equivalente del transistor [3] se puede ver en al figura 1. El modelo equivalente esta compuesto por una impedancia de entrada, que esta representada como un circuito abierto, una fuente de corriente y su respectiva resistencia rd r d.
2
V GS I D = IDSS = IDSS ∗ ∗ 1 − V P
En cambio la Impedancia de salida de los transistores jfet son muy parecidos a las impedancias de salida de los transistores bjt. Estos parámetros en las hojas de especificaciones generalmente aparece como yos con las unidades de uS . Es decir como se muestra en la ecuación 5:
Resist Resistenc encia ia de Carga Carga 3.3kΩ 1.5kΩ 4.7kΩ
2 ∗ IDSS V GS gm = gm = ∗ 1 − V P P V P
Figura 1. Circuito equivalen equivalente te Jfet
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
I-A.
Source común
I-B.
Circuito amplificador con RS punteado, el capacitor Cs en el análisis CD se comporta como un circuito abierto, mientras que en ca se comporta como cortocircuito en la RS. En la figura2 se aprecia la configuración de la polarización del amplificador jfet de source común.
2
Gate Comun
El capacitor Cg en el análisis CD se comporta como un circuito abierto, mientras que en ca se comporta como cortocircuito en la RG. En la figura4 se aprecia la configuración de la polarización del amplificador jfet de gate común.
Figura 4. Configuración Gate Comun
Su circuito equivalente se muestra en al figura 5 .
Figura 2. Amplificador Source comun
Haciendo el respectivo análisis del circuito equivalente en ca, como se muestra en al figura 3.
Figura 5. Circuito Equivalente Gate Comun
Analizando el circuito equivalente, la Zi:
Figura 3. Equivalente source comun
Cabe recalcar que entre los terminales vi, vo de las figuras 2 y 3 van colocadas la señal de ingreso y la carga correspondientemente. Analizando el circuito equivalente, la Zi:
Zi = RG
1 gm
(9)
Una vez encontrada al impedancia de ingreso como se muestra en la ecuación 9 , se procede a calcular Zo que se muestra en la ecuación 10.
(6)
Como la impedancia entre G(gate) S(source) se aproxima a 0 nos queda las impedancia de ingreso como aparece en la ecuación 6. La impedancia de salida Zo, se analiza haciendo que la fuente de corriente se abra y quedaría como se aprecia en la ecuación 7. Entonces nos queda:
Zo = rdRD
Zi = RS
(7)
Zo = RD
(10)
La ganancia para la configuración de gate común , se muestra en la ecuación11 .
Av = −gm ∗ (rdRD)
(11)
La ausencia del signo negativo en al ganancia da a entender que no hay desfasamiento en la señal de ingreso.
La ganancia para la configuración de source común, se I-C. Drain común muestra en la ecuación8 . El capacitor de Cd en el análisis CD se comporta en este como en la demás polarizaciones como un circuito abierto, (8) mientra que en ca se comporta como cortocircuito en la RD. Av = −gm ∗ (rdRD) Es por este motivo que viene su nombre de polarización de El signo negativo presente en la ecuación 8 indica que existe drain común. Este tipo de polarización se puede apreciar en un desfasamiento entre Vi y Vo. la figura 6.
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
3
Como se puede apreciar el costo de la practica es relativamente elevado. Los precios son aproximados ya que puede variar de donde se los puede conseguir cada uno de los componentes. III. D ESARROLLO Figura 7. Circuito Equivalente Drain Comun
III-A.
Amplificador Jfet-Source Común
En el diseño del mismo, en el cuadro III se observa los datos iniciales para el comienzo del diseño. Cuadro III DATOS S OURCE C OMÚN Descripción Idss Vp Fc Av Rl RG
Valor 10.31mA -3.239v 2kHz 5 1.5kΩ 1MΩ
Circuito propuesto se observa en la figura8 . Figura 6. Configuración Drain Comun
El circuito equivalente nos queda como se observa en al figura 7. Analizando el circuito equivalente, la Zi:
Zi = RG
(12)
Encontrada la impedancia de entrada como se observa en la ecuación 12 , se precede a calcular Zo como se observa en la ecuación 13. Zo = RS
(13)
La ganancia de la configuración de drain común, se muestra en la ecuación 14: Av =
RS ∗RL RS +RL ∗RL ∗ ( RS RS +RL )
gm ∗ 1 + gm
Figura 8. Circuito Source comun
Su circuito equivalente se observa en al figura ??.
(14)
Una vez realizado todos los análisis procederemos al calculo de los mismos. Figura 9. Equivalente source comun
II. M ATERIALES Y H ERRAMIENTAS En esta sección se presenta los materiales y herramientas que se necesito en la practica. La listas de estos materiales se presentan en el cuadro .
Utilizando la máxima transferencias de potencia RS = RL
Entonces
Cuadro II
D ESCRIPCION DE MATERIALES Y HERRAMIENTAS Descripción Jfet Resistencias Cable Multipar Condensadores electrolíticos Condensadores cerámicos Total
Cantidad 3 24 1 10 7 45
Precio 7.50$ 7.2$ 1$ 3$ 1.05$ 19.75$
RS = RD
Por lo tanto RD = 1,5kΩ
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
4
La impedancia de entrada es relativamente alta por lo que el transistor jfet no maneja corriente de Gate.
RS = 5Ω
Analizando la malla entre VDD y GROUND. Zi = 1MΩ
Procedemos al calculo RPD
RP D =
V DD = V RD + V DS + V RS
RD ∗ RL RD + RL
V DD = 10 ∗ 10 2
Remplazamos datos de RD Y RL
−3
∗ (RS + RD)
V DD = 30V RP D =
1,5kΩ ∗ 1,5kΩ 1,5kΩ + 1,5kΩ
Calculo de los capacitores para una frecuencia de corte de 2 kHz
RP D = 750Ω
1 2 ∗ π ∗ ∗ (rs + Zi)
CI =
f
Una vez obtenida RPD, se obtendrá el valor de gm para un valor ganancia de 7 CI =
AV = −gm ∗ RP D
gm =
CO =
6,667 ∗ 10
−3
V GS ∗ (1 − −2,906 )
Aplicando la ecuación de Shorckley [1], se va a observar que se despeja la corriente de drain común. 2
ID = IDSS ∗ 1 − ID = 10,31 ∗ 10
−3
V GS
f
−0,151 ∗ 1 − −3,239
CO =
2 ∗ π ∗
2000Hz 10
1 ∗ (1,5kΩ + 1,5kΩ )
CS =
CS =
1
2 ∗ π ∗ (f ) ∗
1 gm 1 gm
Rs
∗
+RS
1
2 ∗ π ∗
2000 10
Hz ∗
400 ∗1172 400+1172
CS = 47uF
El diagrama de Bode con el Simulador MULTISIM
V P
1 2 ∗ π ∗ ∗ (Zo + RL)
CO = 0,265uf
V GS = −0,151V
1 ∗ (50Ω + 1M Ω )
10
2 ∗ IDSS V GS gm = ∗ (1 − ) V P V P 2 ∗ 10,31 ∗ 10 = −3,239
2000Hz 10
CI = 795,73 pF
Con la ecuación 3 , se va a observar que se obtiene el valor de VGS.
−3
2 ∗ π ∗
5 750Ω
gm = 6,667mA/V
Entonces.
10
2
ID = 10mA
El calculo de los componentes se puede observar a continuación. V GS = −ID ∗ RS −0,151 = −10 ∗ 10
−3
RS
Figura 10. Recta de carga SC
La salida del Osciloscopio con el Simulador MULTISIM
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
5
Figura 14. Circuito equivalente GC
Figura 11. Recta de carga SC
Las rectas de carga correspondiente se observa en la figura 12.
Figura 13. Circuito Gate comun
Su circuito equivalente se observa en al figura 14. Utilizando la máxima transferencias de potencia. Zo = RL = 4,7kΩ
Entonces Zo = RD Figura 12. Recta de carga Source Comun
Por lo tanto RD = 4,7kΩ
La impedancia de entrada es relativamente alta por lo que el transistor jfet no maneja corriente de Gate. III-B.
Amplificador Jfet-Gate Común
Antes del diseño del mismo, en el cuadro IV se observa los datos iniciales para el comienzo del diseño.
Cuadro IV DATOS G ATE C OMÚN Descripción Idss Vp Fc Av Rl RG
Valor 10.3163mA -3.23931v 2kHz 3 4.7kΩ 1MΩ
Zi = 1M Ω
Procedemos al calculo RPD
RP D =
RD ∗ RL RD + RL
Remplazamos datos de RD Y RL
RP D =
4,7kΩ ∗ 4,7kΩ 4,7kΩ + 4,7kΩ
RP D = 2,35kΩ
Circuito propuesto se observa en la figura 13.
Una vez obtenida RPD, se obtendrá el valor de gm para un valor ganancia de 3
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
6
Cuadro V F RECUENCIA DE CORTE -D IAGRAMA DE BUDE
AV = −gm ∗ RP D
gm =
f Av
3 2,35kΩ
gm = 1,2766mA/V
fc/10 200Hz 0.238
Ci =
Con la ecuación 3 , se va a observar que se obtiene el valor de VGS.
Entonces. 1,2766 ∗ 10
2 ∗ 10,3163 ∗ 10 = −3,23931
−3
V GS ) ∗ (1 − −3,23931
Co =
1 2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (9,4kΩ ) Co = 8,46569nF
ID = 10,3163 ∗ 10
−3
CG =
2
V GS V P
CG =
2
∗ 1 −
10*fc 20kHz 2.873
1 2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (Zo + RL)
Co =
Aplicando la ecuación de Shorckley [1], se va a observar que se despeja la corriente de drain común. ID = IDSS ∗ 1 −
5*fc 10kHz 2.794
1 2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (746,098Ω )
V GS = −2,59007V
fc 2kHz 1.783
Ci = 106,658nF
2 ∗ IDSS V GS gm = ∗ (1 − ) V P V P −3
fc/5 400Hz 0.407
−2,59007
1 2 ∗ π ∗ (f ) ∗ (ZG)
1 2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (1000000)
−3,23931
CG = 79,5775 pF
ID = 0,414408mA
El calculo de los componentes se puede observar a continuación.
Realizando la máxima Dinámica. VDSp = I D ∗ RP D
V GS = −ID ∗ RS −2,59 = 0,414408 ∗ 10
−3
VDSp = 0,9738588V
∗ RS
Entonces RS = 6,25006 kΩ
V DSpp = 2 ∗ (V DSpp)
Analizando la malla entre VDD y GROUND. Conociendo que VDS=VCC/2.
V DSpp = 1,9477176V V DD = V RD + V DS + V RS V DD = 9,07558V
Nos queda que: espp =
V DSpp AV
V DS = 4,53779V
espp = 0,6492392V
Calculo de los capacitores para una frecuencia de corte de 2 kHz
Con sus respectivos puntos mostrados en el cuadro V,tomado desde fc/10 y 10*fc. Las rectas de carga correspondiente se observa en la figura 15.
Ci =
1 2 ∗ π ∗ (f ) ∗ (Zi + rs)
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
Cuadro VI DATOS D RAIN C OMUN Descripción Idss Vp Fc Av Id Vdd Vds
100 ∗ 10
Valor 10.31mA -3.239v 2kHz 1 100mA 15v 7.5v
−6
7
V GS = 10,31 ∗ 10 3 ∗ 1 − −3,239 −
2
V GS = −2,49V
Con la ecuación 3 , se va a observar que se obtiene el valor de VGS.
2 ∗ IDSS V GS gm = ∗ (1 − ) V P V P Entonces. 2 ∗ 10,31 ∗ 10 −2,49 gm = ∗ (1 − −3,239 ) −2,77 −3
−3
gm = 5,7414
Figura 17. Circuito Equivalente Drain Comun
Analizando las malla nos queda que: V DD − V RD − V DS − V RS = 0 4,5 − 2,49 = V RD
Conociendo anteriormente ID=100uA RD = 4,7kΩ
Analizando V GS = −ID ∗ RS
Entonces queda que:
Figura 15. Reca de carga GC
−6
III-C.
−2,49 = −100 ∗ 10
Amplificador Jfet-Drain Común
Antes del diseño del mismo, en el cuadro VI se observa los datos iniciales para el comienzo del diseño. Circuito propuesto se observa en la figura 16.
∗ RS
RS = RL = 4,7kΩ
La impedancia de entrada es relativamente alta por lo que el transistor jfet no maneja corriente de Gate. Zi = 1M Ω
La impedancia de salida Zo = 4,7kΩ
Una vez se obtuvo estos valores al ganancia total seria AV =
RS ∗RL RS +RL
gm ∗ 1 + gm ∗
Figura 16. Circuito drain comun
RS ∗RL RS +RL
718,163 ∗ 10 6 ∗ 12,5 ∗ 103 1 + 718,163 ∗ 10 6 ∗ (12,5 ∗ 103 ) −
Su circuito equivalente se observa en al figura ??. Aplicando la ecuación de Shorckley [1], se va a observar que se despeja la corriente de drain común.
2
V GS ID = IDSS ∗ 1 − V P
AV =
−
AV = 0,9
Calculo de los capacitores para una frecuencia de corte de 2 kHz
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
8
Cuadro VII F RECUENCIA DE CORTE -D RIAGRAMA DE BUDE fc/2 1000Hz -6.35 0.481
f Av Avdb
fc/10 200Hz -17.44 0.134
fc 2kHz -3.071 0.702
10*fc 20kHz -1.225 0.868
1 2 ∗ π ∗ ∗ (rs + (Zi))
CI =
f
10
CI =
2 ∗ π ∗
2000Hz 10
1 ∗ (50Ω + 1MΩ )
Figura 19. Diagrama de bode SC-2
CI = 795,73 pF
CO =
1 2 ∗ π ∗ ∗ (Zo + RL) f
10
CO = 27,65nF
CD =
CD =
1 2 ∗ π ∗ (f ) ∗ (RD)
1 2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (20,1kΩ ) CD = 17,374nF
Con sus respectivos puntos mostrados en el cuadro VII,tomado desde fc/10 y 10*fc.
Figura 20. Diagrama de bode SC-3
La señal de entrada es la señal de color verde y al amplificada se encuentra de color azul, estas graficas se observa en la figura 21.
IV. MEDICIONES Y A NALISIS IV-A.
Amplificador Jfet-Source Común
Se utilizo la DAQ como instrumento de adquisición de datos para las gráficas. El diagrama de bode del Source común, se puede apreciar en la figuras 18, 19 y 20.
Figura 21. Señal de ingreso-Salida SC
IV-B.
Figura 18. Diagrama de bode SC
Amplificador Jfet-Gate Común
Se utilizo la myELVIS II como instrumento de adquisición de datos para las gráficas. El diagrama de bode del Source común, se puede apreciar en la figuras22, 23, 24, ??.
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
Figura 23. Bode Gate comun-en Fc
9
Figura 24. Bode Gate comun-en 10*Fc
Figura 25. Entrada y Salida del Osciloscopio Gate Comun
Las señales de entrada son las señal de color verde y al amplificada se encuentra de color azul, estas gráficas se observa en la figuras 26, ?? ?? y ??.
Figura 22. Bode Gate Común fc/10
Las señales de entrada son las señal de color verde y al amplificada se encuentra de color azul, estas gráficas se observa en la figuras ??. IV-C.
Amplificador Jfet-Drain Común
Se utilizo la myELVIS II como instrumento de adquisición de datos para las gráficas. El diagrama de bode del Source común, se puede apreciar en la figuras ??
Figura 26. Señal de ingreso-DC
LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA.
Figura 27. Diagrama de Bode Drain Comun
C ONCLUSIONES JFET amplifiers are more likely to perform as they are more stable, also to differences of BJT transistors, that draw current unlike the JFET transistors working with voltages applied between G (gate) S (source). The design of this type of amplifier is performed considering that the JFET transistors do not work with current G (gate). So to design one high volume resistance was in the order of Mega ohms Zi (input impedance). The voltage gain for all these types of amplifiers was less than BJT amplifiers worked. The calculation was simplified to make the hybrid circuit regardless rd in the analysis. R EFERENCIAS [1] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boylestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 378 [2] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boylestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 475 [3] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boylestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 479 [4] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boylestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 376
10
