eletrônica aplicada - elt 12 transistor de efeito de campo

eletrônica aplicada - elt 12 transistor de efeito de campo

(Parte 1 de 2)

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ELIÉSIO 1

ESCOLA TÉCNICAREZENDE-RAMMEL
NOMETURMA _ ANO _

Os transistores que utilizam à tecnologia FET (Field-Effect Transistor) são dispositivos unipolares, significando que apenas um tipo de portador (elétron ou lacuna) é responsável pela corrente, apresentam alta impedância de entrada e baixo ruído.

Uma rápida comparação com o transistor bipolar, que são dispositivos em que a análise de corrente pode ser feita através de portadores de cargas positivas (lacunas) e portadores de cargas negativas (elétrons). Podemos verificar que os dispositivos bipolares são controlados por corrente, ou seja, a corrente de coletor é controlada pela corrente de base. O FET, no entanto possui sua corrente controlada pela tensão ou pelo campo elétrico.

O JFET (Junction Field-Effect Transistor) é um dispositivo unipolar, portanto seus portadores de cargas que formaram a corrente ou serão positivos (lacunas) ou negativos (elétrons).

PORTA(GATE)
FONTE(SOURCE) DRENO(DRAIN)

A construção de um JFET na prática é bastante complicada, pois é necessário uma tecnologia de dopagem nos dois lados de um substrato de semicondutor tipo P ou tipo N.

Conforme podemos observar a estrutura de um JFET é formado por um estreito canal semicondutor tipo

P ou tipo N em cujas extremidades são feitos contatos que recebem as denominações de DÆDRENO (DRAIN), de onde as cargas elétricas saem e SÆFONTE(SOURCE), por onde as cargas elétricas entram. O

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ELIÉSIO 2 terminal ligado ao semicondutor tipo oposto recebe o nome GÆPORTA OU GATILHO(GATE) que faz o controle da passagem das cargas.

JFET CANAL NJFET CANAL P
DD
GG
S S

Para VGS=0 quando for aplicada uma tensão VDS, surge uma corrente ID. A região N do canal funciona como uma resistência e a corrente de dreno (ID) irá aumentar linearmente com a elevação da tensão VDS. Com a tensão VDS aplicada aparece uma diferença de potencial entre o source e a região do gate polarizando reversamente a junção. Esta polarização reversa diminui os portadores de carga na região do canal aumentando a resistência, fazendo com que a taxa de variação de ID diminua não acompanhando a variação de VDS.

A partir de um certo valor de VDS, ocorre o estrangulamento do canal limitando a capacidade de condução e a corrente de dreno permanecerá praticamente constante mesmo com elevação da tensão entre dreno e source.

Este valor de tensão VDS é conhecido por tensão de estrangulamento ou PINCH-OFF (Vpo) e corresponde à tensão máxima de saturação do JFET. A corrente de dreno para VGS=0, no seu ponto máximo, é denominada corrente de curto-circuito entre dreno e fonte ou DRAIN-SOURCE SHORTED CURRENT (IDSS). É a corrente de dreno quando VGS for igual a zero (0) volts e corresponde à corrente de dreno máxima que o JFET pode conduzir.

DD
N
GG
P
S S
D
PP
D
VDS
PP
VDSG
PP

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ELIÉSIO 3

ID
IDSS
Vpo VDS

CURVA DE CORRENTE DE DRENO PARA VGS=0

Ao aplicarmos entre o gate e o source uma fonte de tensão de polarização reversa (VGS< 0 ) haverá uma elevação na região de depleção, fazendo com que o estrangulamento do canal ocorra com valores menores de VDS e ID

ID
D VGS=0
G VGS1
VDS
VGS2
VGSS
Vp
Vpo VDS

Observando as curvas de dreno verificamos que para cada valor de VGS, teremos uma curva característica de dreno, até que ele adquira o valor da TENSÃO DE CORTE (Vp), na qual ID é praticamente zero.

É importante notar que, para qualquer JFET, a tensão de corte Vp é igual em módulo, à tensão de estrangulamento do canal (Vpo).

Vp = |Vpo|

Pelo fato de VGS polarizar inversamente a junção, isto faz com que a corrente através do gate (IG) seja muito pequena , o que a torna de valor desprezível. Isto garante uma impedância de entra (ZE) muito elevada.

Essa impedância pode ser determinada através dos dados fornecidos pelo fabricante do JFET nos seus manuais.

Como exemplo o JFET BF 247, para VGS=20V com VDS=0, tem-se uma IGSS=5ηA

Tensão
de

estrangulamento

Corrente praticamente constante

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ELIÉSIO 4

24ηΩIGSSÆ Corrente de gate para VDS=0

VGS=0

VpoBVDSS VDS

Vp

20 ID(mA)

15 VGS=0

10 VGS=−1V

VGS=−2V
5

VGS=−3V

−VGS(V)8 6 4 2 10 20 VDS(V)

IDSSÆ Corrente máxima que o JFET pode conduzir, na qual ocorre o estrangulamento do canal quando VGS=0

VpoÆ Tensão máxima de saturação ou de estrangulamento ( pinch-off) VpÆ Tensão na qual ocorre o corte do dispositivo.

BVDSSÆTensão de ruptura do dispositivo para VGS=0.

TIPO VDS(V) Ptot

(mW) IDSS (mA) IGSS

(ηA) −Vp (V)

BF-256 30 300 3/18 5- Amplificadores de VHF e UHF

BF-245 30 300 2/6,5 5 0,5/8 Amplificadores de C, BF ou RFTV BF-410 20 300 0,7/18 10 0,8/3 Amp de VHF,estágios de RF recep de FM BFW10 30 300 8/20 0,1 8,0 Amp. de banda larga, amp diferênciasi BFW11 30 300 4/10 0,1 8,0 Amp. De banda larga, amp. Diferênciais BFW61 25 300 2/20 1,0 8,0 Amplificadores de uso geral

de

Região saturação

Região de ruptura

Região de corte

Região ativa

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ELIÉSIO 5

CARACTERÍSTICA CORRENTE x TENSÃO

A curva de transferência ou de transcondutância de um JFET mostra como ( iD ) varia em função da

ID
• IDSS

tensão( vGS ) aplicada ao gate.

iI DSS VGS

VGS iD(mA)
Vp8
EXEMPLO: Î Para o BF-245min max
IDSS(mA)2.0 6,5
Vp(V)−0,5 −8 6
Pontos da parábola mínimaiVGSD=×−−⎛⎝⎜⎞⎠⎟−210105

Para VGS= −0,1Î iD = 1,28 mA 2

Pontos da parábola de máximaiVGSD=×−−⎛⎝⎜⎞⎠⎟−651018
Para VGS = −6 V Î iD=0.41mA−VGS(V)
Para VGS = −3 V Î iD=2,54mA8 6 4 2 0

Para VGS = −1 V Î iD=5mA

Para o processo de polarização de um JFET devemos levar em consideração as curvas típicas para que a tolerância seja observada e o ponto ótimo seja obtido.

A polarização do JFET tem por objetivo determinar o ponto quiescente ou ponto de operação (IDQ, VGSQ e VDSQ).

É muito importante ao projetar ou analisar um circuito com JFET , verificar a potência de dissipação do transistor.

Na utilização do JFET alguns cuidados devem ser observados:

♦ A tensão VDD deve ser menor que BVDSS

♦ A potência dissipada pelo JFET deve ser menor que o PD(max) , fornecido pelo manual do fabricante

Através desta equação, que é válida para qualquer JFET, é possível determinar a curva de transferência quando não for fornecida pelo fabricante.

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ELIÉSIO 6

Nesta polarização a tensão quiescente VGSQ é fixada através de uma tensão constante VGG para que assim obtenha-se a corrente IDQ desejada.

RD
VDD
VDSQ
RG
−VGSQ
VGG
VDDVRDVDSQ++=0RD

O resistor RD será determinado verificando a equação da malha de saída: VDD VDSQIDQ = −

IDRDVDDVDSQ×=−IDQ

EXEMPLOÆ Polarizar o JFET BF-254 com polarização VGS constante no seguinte ponto quiescente: IDQ=1mA / VDSQ =15 V / VGSQ = − 1V / VDD = 25 V

VDD VDSQIDQ V mA

RDK=10Ω

RG irá depender da impedância de entrada que o circuito deverá apresentar.

A junção gate-source é polarizada reversamente, desta forma teremos uma alta impedância de entrada e a corrente IG é muito pequena, podendo ser considerada zero (IG=0) Desta forma não teremos queda de tensão em RG e a tensão VGSQ = −VGG.

O resistor RG é utilizado para definir a impedância de entrada, não influenciando na polarização do circuito. Assim seu valor irá depender da impedância da fonte de sinal.

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ELIÉSIO 7

A autopolarização utiliza apenas uma fonte de alimentação. Isto é conseguido através de um resistor RS colocado em série com a fonte de alimentação do dreno, que desta forma gera uma tensão reversa no gate em relação ao source.

IDRD
VDSVDD
RGRS

Ao utilizar o JFET, temos duas formas para determinar os resistores de polarização.

1Æ Pela reta de carga traçada sobre a curva característica de dreno. Sendo que neste caso é necessário a curva dada pelo fabricante.

2ÆPela reta de autopolarização traçada sobre a curva de transferência

Quando trabalhamos com JFET é mais interessante à utilização da curva de transferência, pois os manuais sempre fornecem pelo menos os parâmetros IDSS e Vp.

A reta de autopolarização (reta RS) é traçada sobre a curva de transferência, e corresponde à LEI DE OHM aplicada ao resistor RS.

−=×−×VGSRSIDRGIG Como IG é praticamente nulo, pois temos uma alta impedância de entrada, teremos:

ID
IDQ
VGS
VpVGSQ

Reta de autopolarização

O resistor RS produz uma realimentação negativa. Como IS é igual a ID, se a e a corrente de dreno ID aumentar a tensão sobre RS também aumenta. Isto faz aumentar a tensão reversa gate-source (VGS) estreitando o canal e reduzindo a corrente ID

Utilizando a curva de transferência, com pontos IDQ e VGSQ, marcamos o ponto Q. O outro ponto é a origem da curva de transferência.

Para definir o ponto ótimo de trabalho, a polarização deve colocar o ponto Q no meio da curva de transferência.

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ELIÉSIO 8

ID
IDSSmax
IDSS
QIDSSmin ∆IDQ
Q2
VGS
Como Î −=×VGSQIDQRSteremos RS
VDDRDIDQVDSQRSIDQ=×++×teremos RD

O valor de VDSQ é fixado por RD para todos os valores de VDS > Vp ( região ativa da curva de dreno).

EXEMPLO Î Determine os valores de RS e RD para o circuito abaixo para um VGS= −1V

11013ΩRS = 1kΩ

RDK=9Ω

PDmW=15Deve ser menor que Pdmax do JFET.

Conhecida a tolerância do JFET encontrada no manual do fabricante através dos valores ou da própria curva de transferência, notamos que uma vez determinada a reta de autopolarização, o ponto quiescente (Q) pode estar em qualquer posição entre Q1 e Q2.

Notamos que a autopolarização apesar de ainda possuir uma variação do ponto Q, esta é bem menor que a encontrada na polarização com VGS constante. A realimentação negativa imposta por RS para variação de IDQ provoca neste tipo de polarização uma

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ELIÉSIO 9

RG1ID RD
VGVDS VDD.
−VGS
RG2RS
IS

Como a corrente IG pode ser considerada zero (alta impedância de entrada do JFET) a tensão VG é determinada pelo divisor resistivo:

DETERMINAÇÃO DA RETA DE AUTOPOLARIZAÇÃO A tensão VGS fica determinada pela diferença entre VRS e VG.

A reta de polarização é deslocada de zero para VGG, diminuindo sua inclinação

IDSS max

Q1VGG/RS
∆IDQQ Q2
VpmaxVp Vpmin 0 VGG
1º PONTOÎpara ID=0 VSVG= Observamos que a reta
2º PONTOÎ para VGS=0ID
=deslocado de zero para

de autopolarização é VGRS VG, diminuindo assim inclinação da reta. Em relação aos outros tipos de polarização já verificado, a variação de IDQ é bem menor.

A polarização com divisor resistivo no gate de um

FET é a mistura da autopolarização com a polarização de VGS constante, pois teremos o resistor RS mantendo a realimentação negativa e o divisor resistivo fixando a tensão VG.

A tensão VG em RG2 e a tensão VRS em RS, determinam VGS no gate do JFET. A diferença entre VG e VRS forma o valor de VGS que irá polarizar reversamente o gate em relação ao source.

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ELIÉSIO 10

ENTRADARS

Da equação da malha de VGG VGSQIDQ = −

RESISTOR DE DRENO (RD) Da equação da malha de

SAÍDARD

RESISTOR DO DIVISOR (RG2)

Basta adotar o valor de RG2 tornando como base a impedância de entrada do circuito. Pois a impedância de entrada do JFET é muito elevada. (Dá ordem de 109Ω )

ZinRBZGS=2// ComoZGSRB∠∠2

ZinRB=2

RESISTOR DO DIVISOR (RG1)

O valor de VRG2 =VG deverá ser fornecido pelo divisor resistivo, e este valor deverá garantir VGSQ. Porém, num JFET VGS pode variar de vários volts de um componente para outro. Por esta razão, a polarização por divisor de tensão é menos eficiente nos JFETs que para os transistores bipolares, onde o VBE ± 0,7V pode ser considerado constante.

A tensão VG em RG2 e a tensão RS, impõe VGS no gate do JFET, sendo que VG deve ser menor de VRS para garantir a polarização reversa entre gate e source.

Como a corrente IG é praticamente zero, VG pode ser calculada por:

CÁLCULO DE RG2

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ELIÉSIO 1

Exemplo: Calcular os valores de RG1, RG2, RS e RD no circuito abaixo para o JFET BF245A com PDmax=300 mW trabalhe no ponto quiescente de: IDQ=1 mA, VGSQ= −1V e VDSQ= 15V com VDD de 25V.

Como VG deve ser menos que VGSQ, deve ser utilizado um VG= 0,5 (metade de VGSQ)

O resistor RG2 será para uma impedância de entrada de 10KΩ. RGK110=Ω

CÁLCULO DE RG1

RG1= 470KΩ Æ valor comercial CÁLCULO DE RS

RD=8K2Ω Æ Valor comercial

POLARIZAÇÃO POR FONTE Como VSS≅VRS e ID≅IS

Para que a polarização por fonte funcione bem, VSS deve ser muito maior que VGS. Entretanto uma faixa de variação típica de VGS é de -1 para -5V, logo podemos ver que uma realimentação perfeita não pode ser obtida com as tensões de alimentação típicas.

Para conseguir uma forma de obter o ponto Q firme em circuito com JFETs, é preciso uma corrente de dreno que seja independente de VGS. A polarização por divisor de tensão e a polarização pela fonte também fazem isto, realimentando para a entrada as variações de VGS. Mas, como foi visto, é difícil de realimentar completamente VGS com as tensões de alimentação típica porque VGS podem sofrer variações de vários volts.

IDRD
VGVDS
−VGS
RGRS
IS

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ELIÉSIO 12

ALIMENTAÇÃO SIMÉTRICA Quando se dispõe de alimentações simétricas, pode ser feita uma polarização por fonte de corrente utilizando um transistor bipolar com fonte de corrente constante.

Como VEE, VBE, RE são constantes, IE será também constante.

também constante

A fonte de corrente constante formada pelo transistor bipolar força um ID

ID IDSSmax

Q1Q2 IC

IDSSmin i

Como IC é constante, os dois pontos Q tem o mesmo valor de corrente de dreno. A fonte de corrente constante tira efetivamente a influência de VGS. Embora VGS seja diferente para cada ponto Q, ela não influencia mais no valor da corrente de dreno.

Quando se dispõe de uma fonte positiva, pode ser usado o transistor bipolar polarizado por divisor de tensão para estabelecer uma corrente de dreno constante. Admitindo-se um divisor de tensão regulado, as correntes do emissor e do coletor são constantes para todos os transistores bipolares. Isto força a corrente de dreno do JFET a se igualar à corrente do coletor do transistor bipolar.

Para VGS=−2V, calcule todas as correntes e tensões.

RD T1

T2 RG VBE RE

R1RD

T1 RG

T2 R2 VBE RE

20KΩ8K2Ω

+30V

T1 10MΩ

10KΩ 0,7V

10KΩE

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ELIÉSIO 13

Transcondutância representa a variação de corrente provocada por uma variação de tensão através do transistor. A transcondutância é abreviada por gm e é representada no JFET por:

Como as variações em ID com VGS são equivalentes à corrente e tensão (CA), a equação de transcondutância pode ser representada assim:

gm iD vgs =

Esta equação pode ser usada em pequenos sinais, quando o valor de pico do sinal for menor que dez por cento da corrente de dreno no ponto quiescente.

ID (pico) < 0,1 IDQ

EXEMPLO: Para um valor de iD=0,2 mA e vgs= 0,1V, então gm iD vgs mA V

A unidade de transcondutância é o siemens (S), anteriormente denominada mho. A unidade representa a condutância, isto é, a razão entre a corrente e a tensão.

As maiorias dos manuais continuam a usar o mho em vez do siemens. Eles também usam o símbolo Yfs

(que representa a admitância). Como exemplo, nas folhas de dados do 2N5451 encontramos Yfs típico de 2000 µ mhos para uma corrente de dreno de 1 mA. ID

Valores de transcondutância
gm MAIS ALTOD

Quando VGS=0, gm tem seu valor máximo, que é denominado gm0, ou Yf s 0.

gm gm VGS

gm MAIS BAIXOC
AB

VGS Entre os pontos A e B uma variação em VGS produz uma variação em ID. A razão da variação em ID pela variação em VGS é igual a gm entre A e B. Se for escolhido outro par de pontos mais para cima da curva em C e D, obtemos mais uma variação em ID para uma dada variação em VGS. Portanto gm tem um valor maior. Verificamos assim o controle de gm sobre a corrente ID. Assim quanto mais alto for gm, mais eficiente é a tensão da porta do controle da corrente do dreno.

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