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PRACTICA #1, EL TRANSISTOR FET Y MOSFET Patricio Xavier Cuzco A. e-mail:
[email protected]
Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca. Electrónica Analógica II RESUMEN: En esta práctica de laboratorio se obtendrá el conocimiento acerca del funcionamiento y la polarización del transistor fet y mosfet; para lograr estos objetivos lo primero que se debe realizar es investigar acerca del funcionamiento de estos transistores; luego se realizaran los cálculos para las distintas polarizaciones, y finalmente se procederá a armar, medir y simular los distintos circuitos; el paso final será comparar y verificar los datos obtenidos tanto con los valores cálculos los valores medidos y los valores simulados, con todos estos datos se realizara el informe y se sacara las conclusiones de esta práctica . Figura 1.Transistor FET. PALABRAS CLAVE: Calcular, Armar, Medir, Simular. Ventajas:
2 OBJETIVOS
Su impedancia de entrada es extremadamente alta (típicamente 100M Ω o más). Su consumo de potencia es mucho más pequeño que la del BJT. Su velocidad de conmutación es mucho mayor que la del BJT. Es menos ruidoso que el BJT, esto lo hace idóneo para amplificadores de alta fidelidad. Es afectado en menor grado por la temperatura.
1) Explicar las características del transistor fet y mosfet. 2) Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de los siguientes circuitos de polarización fet. a) Polarización con fuente al Gate.
Desventajas: b) Polarización con (Autopolarización).
resistencia
de
Source Su ganancia de voltaje es mucho menor que en el BJT. Es susceptible al daño en su manejo, sobre todo el MOSFET. Su ancho de banda o respuesta en frecuencia es menor que en el BJT.
c) Polarización con divisor de tensión. d) Polarización con fuente doble y Gate a tierra.
3.2 TRANSISTORES MOSFET
3) Realizar el circuito y la simulación de la polarización de los transistores mosfet incremental y decremental.
En el caso de los MOSFET el control no se realiza por medio de la juntura, sino por medio de una capa aislante. Esta capa aislante consiste, por lo general, de un oxido de metal, del cual se deriva el nombre transistor de efecto de campo MOS (Metal-Oxide semiconductor) semiconductor de óxido de metal). También se utiliza la designación FET de capa aislante, para la cual se indica entonces la abreviación IFET o IGFET (del inglés: Insulated Gate = gate aislado).
4) Explique porque se puede quemar un transistor fet y mosfet.
3 MARCO TEORICO 3.1 TRANSISTOR FET Los transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor) son particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser de dos tipos: transistor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET).
MOSFET DE TIPO DECREMENTAL Las similitudes que hay en la apariencia entre las curvas de transferencia de los JFET y de los MOSFET de tipo decremental permiten un análisis similar de cada uno en el dominio de dc. La diferencia más importante entre los dos es el hecho de que el MOSFET de tipo decremental permite puntos de operación con valores positivos de VGS y niveles de ID que excedan lDSS. De hecho, para todas las configuraciones realizadas hasta
Son dispositivos controlados por tensión con una alta impedancia de entrada Figura 1. Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y analógicos como amplificador o como conmutador.
1
. ahora, el análisis es el mismo si el JFET se reemplaza por un MOSFET de tipo decremental. La única parte sin definir en el análisis consiste en la forma de graficar la ecuación de Shockley para los valores positivos de VGS. Para la mayoría de las situaciones este rango necesario estará bien definido por los parámetros del MOSFET y por la recta de polarización que se obtuvo de la red.
Es la peor forma de polarizar al transistor JFET puesto que depende mucho del transistor empleado la cual es una de las pocas configuraciones a FET que pueden resolverse tanto por un método matemático como por uno gráfico. En este circuito (Figura 2) nos imponemos el valor de la corriente de Drain (ID) los datos conocidos son el IDSS y el Vp.
MOSFET DE TIPO INCREMENTAL Las características de transferencia del MOSFET de tipo incremental son muy diferentes de las encontradas para el JFET y los MOSFET de tipo decremental, pero se obtiene una solución grafica muy diferente a las encontradas en secciones precedentes. Lo primero y quizá más importante es recordar que para el MOSFET de tipo incremental de canal-n, la corriente de drenaje es cero para aquellos niveles de voltaje compuerta-fuente, menores que el nivel del umbral VGS (Th), la corriente se define como:
ID = 5mA
Vp = - 4 V
VDD = 15V
Id = Idss(1 - Vgs/Vp) 2 5 mA = 10 mA (1 -
I D k (VGS VGS (Th) ) 2
Vgs 2 ) -4
5 Vgs = 1 (-4) 10
Ya que las hojas de especificaciones por lo general proporcionan el voltaje del umbral y un nivel de corriente de drenaje así como su nivel correspondiente de VGS (encendido) pueden definirse dos puntos de inmediato. Para completar la curva, primero tiene que determinar la constante k de la ecuación a partir de los datos de las hojas de especificaciones mediante la sustitución en la ecuación y resolviendo para k de la siguiente manera:
Vgs = -1.17 V
Vds 7.5 V
Vdd = Id * Rd + Vds 10 = (5 mA * Rd) + 7.5 V
I D k (VGS VGS (Th) ) 2 I D (encendido) k (VGS (encendido) VGS (Th) ) 2 K
IDSS = 10mA
Rd =
I D (encendido) (VGS (encendido) VGS (Th) ) 2
7.5 V 1.5K 5 mA
VRd = ID * Rd
Una vez que k está definida, pueden calcularse otros niveles de ID para los valores seleccionados de VGS.
VRd = 5 mA *1.5 K 7.5V Polarización con resistencia de Source.
3.3 CALCULOS DE LA PRÁCTICA
También conocida como autopolarizado por resistencia de fuente, en este circuito (figura 3) solo se usa una fuente, que es la del drenador suprimiendo la fuente de puerta. Y se acopla una resistencia de surtidor. Este circuito es más estable que el anterior. La configuración de autopolarización elimina la necesidad de dos fuentes de dc. El voltaje de control de la compuerta a la fuente ahora lo determina el voltaje a través del resistor RS. Para el análisis en DC los capacitares pueden reemplazarse una vez más por “circuitos abiertos”, y el resistor RG puede cambiarse por un corto circuito equivalente dado que IG = 0A. El resultado es la red de la figura siguiente para el análisis en dc.
Polarización con fuente al Gate (Fija)
Figura 2. Circuito Polarización Fija.
2
.
Figura 4. Circuito Polarización por partidor de tensión. Figura 3. Circuito Autopolarización.
IDSS = 10mA
ID = 5mA
Vp = - 4 V
VDD = 15 V
Vp = - 4 V
VDD = 12 V
ID 5.5 mA
Vg 3 V
5 Vgs = 1 (-4) 10
Id = Idss(1 - Vgs/Vp) 2 5 mA = 10 mA (1 -
IDSS = 11 mA
Vgs 2 ) -4
Vgs = -1.17 V
5 Vgs = 1 (-4) 10
VRs Vg - Vgs
Vgs = -1.17 V
VRs 4.5 V
VRs 3 V 1.5 V
Vgs -ID * Rs Rs =
4.5V 818 750 5.5mA
RS
-1.5 300 330 - 5 mA
VRD Vdd - Vds - VRs
VRd = Vdd - Vds - VRs
VRD 12 V - 6 V - 4.5 V
VRd 15 V - 7.5 V - 1.5 V
VRD 1.5 V
VRd = 6 V
Rd =
RD =
6V 1.2 K 5 mA
Polarización por partidor de tensión. Es la forma más segura de saber que el punto de funcionamiento que va a estar en el punto que se estabilice. La forma de calcular es exactamente igual que los transistores que se le aplica Thevenin. Recuerde que IB proporciono la relación entre los circuitos de entrada y de salida para la configuración de divisor de voltaje para el BJT, mientras que VGS hará lo mismo en la configuración a FET. Para el análisis en dc se redibuja la red de la figura como se muestra en la figura siguiente Figura 4.
1.5 V 272 270 5.5 mA
Vg = Vdd *
R2 R1 R2
3 V = 12 V *
R2 90 K
R2 =
3 * 90 K 22 K 12
R1 R2 = 90K R1 90K 22K 68K
3
. Polarización con Fuente Doble y Gate a Tierra
5 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
En este circuito se utilizan dos fuentes de cc para polarizar el transistor FET; a continuación describiré los diferentes cálculos para este circuito.
IDSS = 10mA
5.1 MEDICIONES, SIMULACIONES Y RECTAS DE CARGA.
Vp = - 4 V
VDD = 10 V
Vss 5 V
ID 5 mA
VDS 7.5 V
Polarización Fija
5 Vgs = 1 (-4) 10
Valores calculados
Valores Medidos
Valores Simulación
ID = 5 mA VRD = 7.5 V VDS = 7.5 V VGS = -1.17 V
ID = 5.15 mA VRD = 7.54 V VDS = 7.34V VGS = -1.7 V
ID = 5.044 mA VRD = 7.56 V VDS = 7.43 V VGS = 1.47 V
Tabla 1. Tabla de las medidas de la polarización fija
Vgs = -1.17 V Vgs Vss - Id * Rs
-1.17V 5V 5mA * Rs
Rs
6.17V 1234 1.2K 5mA
VDS Vdd Vss - Id(Rs Rd)
7.5V 10V 5V 5mA(1.2K Rd ) 5mA * Rd 15V 7.5V 6V
Rd
1.5V 300 330 5mA
4 LISTA DE MATERIALES Circuito polarización fija
Presupuesto de los materiales #
Componente
Valor Unitario
2
FET MPF 102
$0.35
10 1m
Resistencias Cable multipar
$0.05 $0.50 Total
Valor total $1.4 $0.50 $0.50 $2.4
Herramientas y Equipos Fuentes de tensión variables Voltímetro Amperímetro Pelacables Protoboard Punto de trabajo del circuito polarización fija
4
.
Autopolarización con Rs
Polarización por partidor de tensión
Valores calculados
Valores Medidos
Valores Simulación
Valores calculados
Valores Medidos
Valores Simulación
ID = 6 mA VRD = 6 V VDS = 7.5 V VRS = 1.5 V
ID = 5.89 mA VRD = 6.98 V VDS = 6.19 V VRS = 1.89 V
ID = 4.54 mA VRD = 5.44 V VDS = 8 V VRS = 1.5 V
ID = 5.5 mA VRD = 1.5 V VDS = 6 V VRS = 4.5 V
ID = 5.58 mA VRD = 1.8 V VDS = 5.45 V VRS = 4.67 V
ID = 5.7 mA VRD = 1.5 V VDS = 6.1 V VRS = 4.3 V
VGS = -1.17 V
VGS = -1.7 V
VGS = -1.36 V
VGS = -1.5 V Vg = 3 V
VGS = -1.78 V Vg = 2.9 V
VGS = -1.39 V Vg = 2.9 V
Tabla 2. Tabla valores de la autopolarización con Rs. Tabla 3. Tabla valores polarización por partidor de tensión.
Circuito Autopolarización con Rs
Circuito polarización mediante partidor de tensión
Punto de trabajo del circuito Autopolarización con Rs
Punto de trabajo del circuito polarización mediante partidor de tensión.
5
.
5.2 TRANSISTOR MOSFET INCREMENTAL Y DECREMENTAL
Polarización con fuente doble Valores calculados
Valores Medidos
Valores Simulación
ID = 5 mA VRD = 1.5 V VDS = 7.5 V VRS = 6.17 V
ID = 5.18 mA VRD = 1.9 V VDS = 6.11 V VRS = 6.9 V
ID = 5.36 mA VRD = 1.7 V VDS = 6.7 V VRS = 6.4 V
VGS = -1.17 V
VGS = -1.9 V
VGS = -1.4 V
En el caso del análisis de los transistores mosfet decremental el análisis es muy parecido al realizado con los transistores fet a continuación un ejemplo Figura 5.
Tabla 4. Tabla valores polarización con fuente doble.
Figura 5. Circuito con un transistor Mosfet decremental.
Para el análisis de este circuito primero encontramos la corriente y el valor de Vgs en el punto de trabajo; para ello realizamos la gráfica del punto de trabajo del circuito y encontramos la respuesta gráficamente
ID 3.1mA
Vgs = -1.12
IDSS = 6 mA
Vp = - 3 V
3.1 Vgs = 1 (-4) 6
Circuito polarización del fet mediante fuente doble simétrica.
Vgs = -1.12 V
VDS Vcc ID( Rd Rs) VDS 18V (3.1mA)(1.2K 690)
VDS 18V 5.86V VDS 12.14V VRs Id * Rs VRs (3.1mA) * 690 2.14
VRd Id * Rd
Punto de trabajo del circuito polarización del fet mediante fuente doble simétrica.
VRd (3.1mA) * (1.2K) 3.72V
6
.
Simulación del circuito con un transistor Mosfet decremental.
Simulación de un circuito con transistor Mosfet incremental.
Rectas de carga de un transistor Mosfet Decremental.
Punto de trabajo de un transistor Mosfet incremental.
Ahora analizaremos el caso de un transistor mosfet incremental como se realiza sus cálculos. Para comenzar su fórmula de Id es la siguiente:
6 CONCLUSIONES 1.- En esta práctica tratamos con la polarización de los transistores fet y mosfet; como recomendación para la polarización de los transistores fet, diría que es mejor obtener lecturas reales de los valores de Vgs e IDSS, ya que con estos valores tendremos mejores resultados al momento de armar nuestros circuitos.
Id K (Vgs Vgs(th)) 2 De esta fórmula despejamos el valor de K con los datos del fabricante de este transistor; luego graficamos esta fórmula y obtenemos la recta de carga en el cuadrante positivo por lo tanto el voltaje de Vgs será positivo.
K
K
2.- Para obtener la gráfica de la curva de transferencia de Vgs respecto a ID, debemos medir la corriente del transistor (ID) e ir variando la tensión Vgs entre el valor de Vp y 0V; el punto inicial se genera cuando Vgs = Vp, cuando esto ocurre el valor de la corriente ID = 0A; el punto final se genera cuando Vgs = 0V, y por lo tanto el valor de la corriente I D = IDSS.
Id ( Encendido ) (Vgs (encendido ) Vgs (Th)) 2 6mA (8V 3v)
2
0.24 *10 3 A / V 2
3.- Los transistores fet tienen un óptimo funcionamiento cuando su valor de Vgs está comprendido en los valores medios de Vp y 0V.
Con los datos de Id calculamos el voltaje a través de Rd y el voltaje entre Drain y Source.
4.- La polarización para un transistor mosfet decremental pueden resolverse de igual manera como se tratase de un transistor fet; por ende nos sirven las 7
. mismas formulas y las gráficas para hallar los valores de polarización deseados.
7 REFERENCIAS [1] Robert L. Boylestad 2004, Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos, Editorial Pearson Education. Pág. 412 – 440.
5.- La variación entre los valores calculados con los valores medidos y simulados no tiene mucha diferencia; principalmente se debe al valor comercial de las resistencias calculadas ya que tenemos que aproximarnos al valor comercial más cercano de las mismas y perdemos la precisión. 6.- Los valores de las simulaciones en comparación con los valores medidos, difieren un poco, esto se debe principalmente a que las características técnicas de la construcción del transistor que tiene el simulador; varia en comparación con los valores reales de la corriente IDSS que indica el fabricante y con los valores IDSS de corriente que medimos en la práctica. Conclusions: 1.- In this practice we deal with the polarization of the fet and mosfet transistors, a recommendation for the polarization of FET transistors would say it is better to get actual readings Vgs and IDSS values because these values will have better results when build our circuits. 2.- To obtain the graph of the transfer curve about Vgs ID, we must measure the current of the transistor (ID) and to vary the voltage Vgs between the value of Vp and 0V, the initial point is generated when Vgs = Vp when this occurs the current value ID = 0A, the end point is generated when Vgs = 0V, and therefore the current value ID = IDSS. 3.-FET transistors have their optimum performance when Vgs value falls within the values of Vp and 0V. 4. - The polarization for a decremental mosfet transistor can be solved in the same way as it were a FET transistor, hence we serve the same formulas and graphs to find the desired polarization values. 5. - The variation between the values calculated with measured and simulated values is not much difference, mainly due to the commercial value of the resistance calculated as we have to approach the nearest commercial value thereof and lose accuracy. 6. - Simulations values compared to the measured values differ a little, this is mainly due to the technical characteristics of the construction of the transistor having the simulator; variation compared with the actual values of the current IDSS that indicates the manufacturer and with current IDSS values we measure in practice.
8
