UNIDAD 3. TRANSISTOR UNIPOLAR. 3.1. Configuraciones de polarizacin .
Una diferencia diferencia entre el análisis análisis de transistores transistores BJT y FET es que: La !aria"le de con#rol de en#rada para un #ransis#or $%T es un ni!el de corrien#e& en #an#o 'ue para el ()T la !aria"le de con#rol es un !ol#a*e.
En ambos casos, sin embargo, la variable controlada en el lado de salida es un nivel de corriente que también define los niveles de voltae im!ortantes del circuito de salida. "as relaciones generales que se !ueden a!licar al análisis de cd de todos los am!lificadores de FET son #$.%& #$.'& "a ec e cuaci(n de d e )* )*oc+ley se se a!lica a los JFET, a los -)FET ti!o em!obrecimiento y a los E)FET !ara relacionar sus cantidades de entrada y salida:
#$.&
/ara lo l os -)FET titi!o la siguiente ecuaci(n es a!licable:
enriquecimiento y los E)FET,
#$.0& Es en !articular muy im!ortante darse cuenta que todas las cantidades anteriores son 1s(lo !ara el dis!ositivo2 dis!ositivo2 3o cambian con cada configuraci(n configuraci(n de red mientras mientras el dis!ositivo dis!ositivo se encuentre encuentre en la regi(n activa. "a red sim!lement sim!lemente e define el nivel de corriente y voltae asociado con el !unto de o!eraci(n mediante su !ro!io conunto de ecuaciones. En realidad, la soluci(n de cd de redes con BJT y FET es la soluci(n de ecuaciones ecuaciones simultáneas simultáneas establecidas establecidas !or el dis!ositivo dis!ositivo y la red. "a soluci(n se obtiene utili4ando un método matemático o gráfico. 3.1.1. (i*a.
"a configuraci(n de !olari4aci(n más sim!le !ara el JFET de canal n a!arece en la figura $.%. 5onocida como configuraci(n de !olari4aci(n fia, es una de las !oca !ocass conf config igur urac acio ione ness de FET FET de un modo modo dire direct cto o tant tanto o con con un méto método do matemático como con un gráfico.
"a configuraci(n de la figura $.% incluye niveles de 6i y 6o y los ca!acitores de aco!lamiento #5% y 5'&. 7ecuerde que los ca!acitores de aco!lamiento son 8circuitos abiertos9 !ara el análisis de cd y baas im!edancias #en esencia cortocircuitos& !ara el análisis de ca. "a !resencia del resistor 7 garanti4a que 6i a!arecerá a la entrada del am!lificador de FET !ara el análisis de ca. /ara el análisis de cd, y "a ca;da de voltae de cero volts a través de 7 !ermite reem!la4ar 75 con un equi equiva vale lent nte e de cort cortoc ocir ircu cuit ito, o, como como a!ar a!arec ece e en la red red de la figura gura $.', $.', es!ec;ficamente dibuada de nuevo !ara el análisis de cd.
El *ec*o de que la terminal negativa de la bater;a esté conectada directamente al !otencial !otencial !ositivo !ositivo definido de 6) dea ver con claridad claridad que la !olaridad de 6) es directamente o!uesta a la de 6.
"a a!licaci(n de la ley de voltaes de
#$.=& 5omo 6 es una fuente de cd fia, la magnitud del voltae 6) es fia, de a*; la design designaci aci(n (n de 8config 8configura uraci( ci(n n de !olari !olari4aci 4aci(n (n fia9. fia9. "a ecuaci ecuaci(n (n de )*oc+l )*oc+ley ey controla a*ora el nivel resultante de la corriente de drenae >?:
5omo 6) es una cantidad fia !ara esta configuraci(n, su magnitud y signo sim!lemente se sustituyen en la ecuaci(n de )*oc+ley !ara calcular el nivel de >?. @sta es una de las !ocas instancias en que la soluci(n matemática de una configuraci(n de FET es bastante directa. Un análisis gráfico requerir;a una gráfica de la ecuaci(n de )*oc+ley como se muestra en la figura $.. 7ecuerde que al seleccionar corriente de drenae de
I DSS / 4
V GS=Vp /2
obtendrá una
cuando grafique la ecuaci(n. /ara el análisis de
este este ca!;t ca!;tul ulo, o, los los tres tres !unt !untos os defi defini nido doss !or !or I DSS , 6! y la intersecci(n que acabamos de describir bastarán !ara tra4ar la curva.
En la figura $.0, el nive nivell fio fio de 6)
se su!er!uso como una l;nea vertical tra4ada !or
V GS=−V ¿
. En cualquier !unto
de la l;nea vertical, el nivel de V GS es −V ¿ : sim!lemente, el nivel de I se determina en esta l;nea vertical. El !unto donde las dos curvas se cortan es la solu soluci ci(n (n comA comAn n de la conf config igur uraci aci(n (n,, comA comAnm nmen ente te conoc conocid ido o como como !unt !unto o de o!eraci(n o quiescente. El sub;ndice se a!licará a la corriente de drenae y al voltae de la com!uerta a la fuente !ara identificar sus niveles en el !unto . -bserve en la figura $.0 que el nivel quiescente quiescente de >? se determina determina tra4ando una l;nea *ori4ontal del !unto al ee vertical >?. Es im!ortante darse cuenta que una ve4 que se construya y o!ere la red de la figura $.%, los niveles de >? y 6) que leerán los medidores de la figura $.= son los valores quiescentes definidos !or la figura $.0. D
3.1.+. Au#opolarizacin.
"a configuraci(n de auto!olari4aci(n elimina la necesidad de dos fuentes de cd. El voltae de control de la com!uerta a la fuente a*ora lo determina el voltae a través de un resistor 7) introducido en la rama de la fuente de la configuraci(n como se muestra en la figura $.C.
/ara el análisis de cd, de nueva cuenta, los ca!acitores !ueden ser reem!la4ados !or 8circuitos abiertos9 y el resistor 7 !or un equivalente de cortocircuito, !uesto que
I G =0
. El resultado resultado es la red de la figura $.D !ara el im!ortante im!ortante análisis análisis de
cd. cd. "a corr corrie ient nte e a trav ravés de
RS
través
I S= I D
de
la
fuente,
!ero
es la corr corriient ente
I S
a
y
/ara la malla indicada de la figura $.D, vemos que
-bserve en este caso que 6) es una funci(n de la corriente de salida >? y no de magn magnititud ud fia fia como como ocur ocurri ri( ( !ara !ara la conf config igur urac aci( i(n n de !ola !olari ri4a 4aci ci(n (n fia fia.. "a configuraci(n de la red define la ecuaci(n #$.%& y la ecuaci(n de )*oc+ley relaciona las cantidades de entrada y salida del dis!ositivo. mbas ecuaciones relacionan relacionan las mismas dos variables, variables, lo que !ermite !ermite o una soluci(n matemática matemática o una soluci(n gráfica. )e !odr;a obtener una soluci(n matemática con s(lo sustituir la ecuaci(n #$.%& en la ecuaci(n de )*oc+ley como sigue:
l reali4ar el !roceso de elevaci(n al cuadrado indicado y reordenando los términos, obtenemos una ecuaci(n de la siguiente forma:
/or consiguiente, la ecuaci(n cuadrática se resuelve !ara obtener la soluci(n a!ro!iada !ara >?. "a secuencia anterior define el método matemático. El método gráfico requiere que !rimero estable4camos las caracter;sticas de transferencia del dis!ositivo como se muestra en la figura $.%
El segundo !unto !ara la ecuaci(n #$.%& requiere que se seleccione un nivel de 6) o >? y el nivel corres!ondiente de la otra cantidad se determine con la ecuaci(n #$.%&. "os niveles resultantes de >? e 6) definirán entonces otro !unto sobr sobre e la l;ne l;nea a rect recta a y !ermi ermiti tirá rán n tra4a ra4arl rla. a. )u!on u!onga ga,, !or !or ee eem!lo m!lo,, que que seleccionamos un nivel de >? igual a la mitad del nivel de saturaci(n. Es decir,
El resultado es un segundo !unto !ara la l;nea recta como se muestra en la figura $.%%. Entonces se tra4a la l;nea recta definida !or la ecuaci(n #$.%& y el !unto quiescente se obtiene en la intersecci(n de la gráfica de la l;nea recta y la curva caracter;stica del dis!ositivo. "os valores quiescentes de >? y 6) se determinan y utili4an !ara encontrar las demás cantidades de interés. El nivel de 6?) se determina a!licando la ley de voltaes de
3.,. Polarizacin de -OS()T. -OS()T. -OS()T TIPO )-PO$R)CI-I)NTO
"a semean4a entre las curvas de transferencia de los JFET y de los -)FET ti!o em!obrecimiento !ermite anali4arlos de la misma manera en el dominio de cd. "a diferen diferencia cia !rinci !rinci!al !al entre entre los dos es que los -)FET -)FET ti!o em!obre em!obrecim cimien iento to !ermiten !untos de o!eraci(n con valores !ositivos de 6) y niveles de >? mayores que >?)). En realidad, !ara todas las configuraciones descritas *asta a*or a*ora, a, el anál anális isis is es el mism mismo o si al JFET JFET lo reem reem!l !la4 a4a a un -)F -)FET ET ti!o ti!o em!obrecimiento. "a Anica !arte indefinida del análisis es c(mo tra4ar la ecuaci(n de )*oc+ley !ara valores !ositivos de 6). Gué tan adentro de la regi(n de valores !ositivos de 6) y de valor de >? mayores que >?)) tiene que eHtenderse la curv curva a de tran transf sfere erenc ncia iaI I En la mayo mayor; r;a a de las las situ situaci acion ones, es, este este inte interva rvalo lo requerido quedará bien definido !or los !arámetros del -)FET y la l;nea de !olari4aci(n resultante de la red. lgunos eem!los revelarán el efecto de los cambios del dis!ositivo en el análisis resultante. -OS()T TIPO )NRIU)CI-I)NTO
"as "as carac caracte ter; r;st stic icas as de tran transf sfer erenc encia ia del del -)F -)FET ET ti!o ti!o enriq enrique ueci cimi mien ento to son son bastante bastante diferentes de las del JFET y de los -)FET -)FET ti!o em!obrecimie em!obrecimiento, nto, que llev llevan an a una una solu soluci ci(n (n gráf gráfic ica a bast bastan ante te dife difere rent nte e de las las de las las secc seccio ione ness !recedentes. nte todo, recuerde que !ara el -)FET ti!o enriquecimiento de canal n, la corriente corriente de drenae es cero con niveles del voltae voltae de la com!uerta com!uerta a la fuente menores que el nivel de umbral 6)#T*&, como se muestra en la figura $.$. /ara niveles de 6) mayores que 6) #T*&, la corriente de drenae se define como
5omo las *oas de es!ecificaciones en general dan el voltae de umbral y un nivel de la corriente de drenae #>? #encendido&& y su nivel corres!ondiente de 6) #encendido&, se definen dos !untos de inmediato como se muestra en la figura
$.$. /ara com!letar la curva, se debe determinar la constante + de la ecuaci(n #$.& en la *oa de es!ecificaciones es!ecificaciones y luego sustituyendo sustituyendo en la ecuaci(n ecuaci(n #$.& y resolviendo !ara + como sigue:
5on 5on + def definid inida, a, se !ued !ueden en det determi ermina narr otro otross niv niveles eles de >? con con valo valore ress seleccionados seleccionados de 6). En general, un !unto entre 6)#T*& y 6)#encendid 6)#encendido& o& y uno a!enas mayor que 6)#encendido& 6)#encendido& serán suficientes suficientes !ara tra4ar la ecuaci(n #$.& #observe y en la figura $.$&. Configuracin de polarizacin por reali/en#acin
"a configuraci(n de la figura $.C es una configuraci(n de !olari4aci(n muy !o!ular !ara los -)FET ti!o enriquecimiento. El resistor 7 a!orta un voltae a!ro!iadamente grande a la com!uerta !ara 8encender9 el -)FET. -)FET. 5omo > m y 67 6, la la red equivalente a!arece a !arece como se muestra m uestra en la figura $.D.
*ora eHiste una coneHi(n directa entre el drenae y la com!uerta, y el resultado es
!ara el circuito de salida
la que se escribe como sigue des!ués de sustituir en la ecuaci(n #$.'$&:
#$.K&
El resultado es una ecuaci(n que relaciona las mismas dos variables que la ecuaci(n #$.&, el cual !ermite tra4arlas en el mismo sistema de ees. 5omo la ecua ecuaci ci(n (n #$.K $.K&& es la de una una l;ne l;nea a rect recta, a, se !uede uede em!le m!lear ar el mism mismo o !rocedimiento antes descrito !ara determinar los dos !untos que definirán la curva en la gráfica. )ustituyendo >? m en la ecuaci(n #$.K& se obtiene #$.$& )ustituyendo 6) 6 en la ecuaci(n #$.K&, tenemos #$.C&
"as curvas definidas !or las ecuaciones #$.& y #$.K& a!arecen en la figura $.0 con el !unto de o!eraci(n resultante.
