Amplificadores de Pequeña Señal FET

LAB. ANALOGICA II. PRACTICA # 4: AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL CON JFET. X. MACANCELA. 1

Practica # 4 Amplificadores de pequeña senal conJFET

Xavier Andres Macancela [email protected]

Universidad Politécnica Salesiana, Sede CuencaLaboratorio de Analógica II

Resumen—En el siguiente documento, se describe el funciona-miento de los amplificadores de pequeña señal con transistoresJFET, por ejemplo el amplificador source comun, etc. En estostipos de amplificadores tienen una impedancia muy alta deentrada y impedancia muy alta de salida, ademas tienen unacaracteristica especial que estos no tienen mucha ganancia, tienenuna ganancia maxima hasta de 10.

Index Terms—mpf 102, jfets, amplificadores con JFET, GateComun, Drain Comun, Source Comun.

OBJETIVOS

Diseñar calcular y comprobar el funcionamiento de lassiguientes configuración usando transistores jfet

Drain Común Av=1 RL=3.3kSource Común Av=5 RL=1.5kGate Común Av=3 RL=4.7k

Los requerimientos para el diseño de los diferentes amplifica-dores se muestra en la cuadro I .

Cuadro IPARAMETROS DE DISEÑO

Datos Resistencia de CargaAv Drain 1 3.3kΩ

Av Source 5 1.5kΩAv Gate 3 4.7kΩ

Fc 2khz

I. MARCO TEÓRICO

El análisis de los transistores jfet, como amplificador depequeñas señales. El transistor jfet es un dispositivo de tresterminales el cual controla la corriente que circula a travésde sus 2 terminales D(drain) S(source), mediante una tensiónumbral que se aplica en los terminales G (gate) S(source).Cabe recalcar que los transistores jfet no trabajan con corrienteaplicada en el G(gate) por lo que en todas sus polarizacionesse tendrá una impedancia en el G(gate) alta.

La curva característica del transistor fet se puede obtenerde forma directa con la ecuación de Shockley[1] mostrada enla ecuación 1 .

ID = IDSS ∗(

1− V GS

V P

)2

(1)

Una característica existente en el manejo de Jfet es laausencia de corriente de gate, como se menciono anteriormente[4], por lo tanto:

IG = 0A (2)

Ahora bien si analizamos al transistor jfet dentro de ACaparecerán nuevos parámetros como es el factor de transcon-ductancia [2] mostrada en la ecuación 3.

gm =2 ∗ IDSS‖V P‖

∗[1− V GS

V P

](3)

Continuando con el análisis, los transistores jfet tiene unaimpedancia de entrada lo bastante grande para suponer que susterminales en la entradas se aproximan a un circuito abierto.Es decir básicamente:

Zi′ =∞Ω (4)

En cambio la Impedancia de salida de los transistores jfetson muy parecidos a las impedancias de salida de los tran-sistores bjt. Estos parámetros en las hojas de especificacionesgeneralmente aparece comoyos con las unidades de uS. Esdecir como se muestra en la ecuación 5:

Zo′ =1

yos(5)

También se puede representar por rd.En modelo equivalente del transistor [3] se puede ver en

al figura 1. El modelo equivalente esta compuesto por unaimpedancia de entrada, que esta representada como un circuitoabierto, una fuente de corriente y su respectiva resistencia rd.

Figura 1. Circuito equivalente Jfet


I-A. Source común

Circuito amplificador con RS punteado, el capacitor Cs enel análisis CD se comporta como un circuito abierto, mientrasque en ca se comporta como cortocircuito en la RS. Enla figura2 se aprecia la configuración de la polarización delamplificador jfet de source común.

Figura 2. Amplificador Source comun

Haciendo el respectivo análisis del circuito equivalente enca, como se muestra en al figura 3.

Figura 3. Equivalente source comun

Cabe recalcar que entre los terminales vi, vo de las figuras2 y 3 van colocadas la señal de ingreso y la carga correspon-dientemente.

Analizando el circuito equivalente, la Zi:

Zi = RG (6)

Como la impedancia entre G(gate) S(source) se aproximaa 0 nos queda las impedancia de ingreso como aparece en laecuación 6.

La impedancia de salida Zo, se analiza haciendo que lafuente de corriente se abra y quedaría como se aprecia en laecuación 7. Entonces nos queda:

Zo = rd‖RD (7)

La ganancia para la configuración de source común, semuestra en la ecuación8 .

Av = −gm ∗ (rd‖RD) (8)

El signo negativo presente en la ecuación 8 indica que existeun desfasamiento entre Vi y Vo.

I-B. Gate Comun

El capacitor Cg en el análisis CD se comporta como uncircuito abierto, mientras que en ca se comporta como corto-circuito en la RG. En la figura4 se aprecia la configuración dela polarización del amplificador jfet de gate común.

Figura 4. Configuración Gate Comun

Su circuito equivalente se muestra en al figura 5 .

Figura 5. Circuito Equivalente Gate Comun


Zi = RS‖ 1

gm(9)

Una vez encontrada al impedancia de ingreso como semuestra en la ecuación 9 , se procede a calcular Zo que semuestra en la ecuación 10.

Zo = RD (10)

La ganancia para la configuración de gate común , semuestra en la ecuación11 .

Av = −gm ∗ (rd‖RD) (11)

La ausencia del signo negativo en al ganancia da a entenderque no hay desfasamiento en la señal de ingreso.

I-C. Drain común

El capacitor de Cd en el análisis CD se comporta en estecomo en la demás polarizaciones como un circuito abierto,mientra que en ca se comporta como cortocircuito en la RD.Es por este motivo que viene su nombre de polarización dedrain común. Este tipo de polarización se puede apreciar enla figura 6.


Figura 7. Circuito Equivalente Drain Comun

Figura 6. Configuración Drain Comun

El circuito equivalente nos queda como se observa en alfigura 7.


Zi = RG (12)

Encontrada la impedancia de entrada como se observa enla ecuación 12 , se precede a calcular Zo como se observa enla ecuación 13.

Zo = RS (13)

La ganancia de la configuración de drain común, se muestraen la ecuación 14:

Av =gm ∗ RS∗RL

RS+RL

1 + gm ∗ ( RS∗RLRS+RL )

(14)

Una vez realizado todos los análisis procederemos al calculode los mismos.

II. MATERIALES Y HERRAMIENTAS

En esta sección se presenta los materiales y herramientasque se necesito en la practica. La listas de estos materiales sepresentan en el cuadro .

Cuadro IIDESCRIPCION DE MATERIALES Y HERRAMIENTAS

Descripción Cantidad PrecioJfet 3 7.50$

Resistencias 24 7.2$Cable Multipar 1 1$

Condensadores electrolíticos 10 3$Condensadores cerámicos 7 1.05$

Total 45 19.75$

Como se puede apreciar el costo de la practica es relativa-mente elevado. Los precios son aproximados ya que puedevariar de donde se los puede conseguir cada uno de loscomponentes.

III. DESARROLLO

III-A. Amplificador Jfet-Source Común

En el diseño del mismo, en el cuadro III se observa losdatos iniciales para el comienzo del diseño.

Cuadro IIIDATOS SOURCE COMÚN

Descripción ValorIdss 10.31mAVp -3.239vFc 2kHzAv 5Rl 1.5kΩRG 1MΩ

Circuito propuesto se observa en la figura8 .

Figura 8. Circuito Source comun

Su circuito equivalente se observa en al figura ??.

Figura 9. Equivalente source comun

Utilizando la máxima transferencias de potencia

RS = RL

Entonces

RS = RD

Por lo tanto

RD = 1,5kΩ


La impedancia de entrada es relativamente alta por lo queel transistor jfet no maneja corriente de Gate.

Zi = 1MΩ

Procedemos al calculo RPD

RPD =RD ∗RLRD +RL

Remplazamos datos de RD Y RL

RPD =1,5kΩ ∗ 1,5kΩ

1,5kΩ + 1,5kΩ

RPD = 750Ω

Una vez obtenida RPD, se obtendrá el valor de gm para unvalor ganancia de 7

AV = −gm ∗RPD

gm =5

750Ω

gm = 6,667mA/V

Con la ecuación 3 , se va a observar que se obtiene el valorde VGS.

gm =

∥∥∥∥2 ∗ IDSSV P

∥∥∥∥ ∗ (1− V GS

V P)

Entonces.

6,667 ∗ 10−3 =

∥∥∥∥2 ∗ 10,31 ∗ 10−3

−3,239

∥∥∥∥ ∗ (1− V GS

−2,906)

V GS = −0,151V

Aplicando la ecuación de Shorckley [1], se va a observarque se despeja la corriente de drain común.

ID = IDSS ∗(

1− V GS

V P

)2

ID = 10,31 ∗ 10−3 ∗(

1− −0,151

−3,239

)2

ID = 10mA

El calculo de los componentes se puede observar a conti-nuación.

V GS = −ID ∗RS

−0,151 = −10 ∗ 10−3RS

RS = 5Ω

Analizando la malla entre VDD y GROUND.

V DD = V RD + V DS + V RS

V DD

2= 10 ∗ 10−3 ∗ (RS +RD)

V DD = 30V

Calculo de los capacitores para una frecuencia de corte de2 kHz

CI =1

2 ∗ π ∗(

f10

)∗ (rs+ Zi)

CI =1

2 ∗ π ∗(2000Hz

10

)∗ (50Ω + 1MΩ)

CI = 795,73pF

CO =1

2 ∗ π ∗(

f10

)∗ (Zo+RL)

CO =1

2 ∗ π ∗(2000Hz

10

)∗ (1,5kΩ + 1,5kΩ)

CO = 0,265uf

CS =1

2 ∗ π ∗ (f) ∗( 1

gm∗Rs1

gm+RS

)CS =

1

2 ∗ π ∗(200010 Hz

)∗(

400∗1172400+1172

)CS = 47uF

El diagrama de Bode con el Simulador MULTISIM

Figura 10. Recta de carga SC

La salida del Osciloscopio con el Simulador MULTISIM


Figura 11. Recta de carga SC

Las rectas de carga correspondiente se observa en la figura12.

Figura 12. Recta de carga Source Comun

III-B. Amplificador Jfet-Gate Común

Antes del diseño del mismo, en el cuadro IV se observa losdatos iniciales para el comienzo del diseño.

Cuadro IVDATOS GATE COMÚN

Descripción ValorIdss 10.3163mAVp -3.23931vFc 2kHzAv 3Rl 4.7kΩRG 1MΩ

Circuito propuesto se observa en la figura 13.

Figura 14. Circuito equivalente GC

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

Por lo tanto

RD = 4,7kΩ


Zi = 1MΩ

Procedemos al calculo RPD

RPD =RD ∗RLRD +RL

Remplazamos datos de RD Y RL

RPD =4,7kΩ ∗ 4,7kΩ

4,7kΩ + 4,7kΩ

RPD = 2,35kΩ

Una vez obtenida RPD, se obtendrá el valor de gm para unvalor ganancia de 3


AV = −gm ∗RPD

gm =3

2,35kΩ

gm = 1,2766mA/V


gm =


∥∥∥∥ ∗ (1− V GS

V P)

Entonces.

1,2766 ∗ 10−3 =

∥∥∥∥2 ∗ 10,3163 ∗ 10−3

−3,23931

∥∥∥∥ ∗ (1− V GS

−3,23931)

V GS = −2,59007V

Aplicando la ecuación de Shorckley [1], se va a observarque se despeja la corriente de drain común.

ID = IDSS ∗(

1− V GS

V P

)2

ID = 10,3163 ∗ 10−3 ∗(

1− −2,59007

−3,23931

)2

ID = 0,414408mA

El calculo de los componentes se puede observar a conti-nuación.

V GS = −ID ∗RS

−2,59 = 0,414408 ∗ 10−3 ∗RS

RS = 6,25006 kΩ

Analizando la malla entre VDD y GROUND. Conociendoque VDS=VCC/2.

V DD = V RD + V DS + V RS

V DD = 9,07558V

V DS = 4,53779V


Ci =1

2 ∗ π ∗ (f) ∗ (Zi+ rs)

Cuadro VFRECUENCIA DE CORTE-DIAGRAMA DE BUDE

fc/10 fc/5 fc 5*fc 10*fcf 200Hz 400Hz 2kHz 10kHz 20kHz

Av 0.238 0.407 1.783 2.794 2.873

Ci =1

2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (746,098Ω)

Ci = 106,658nF

Co =1

2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (Zo+RL)

Co =1

2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (9,4kΩ)

Co = 8,46569nF

CG =1

2 ∗ π ∗ (f) ∗ (ZG)

CG =1

2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (1000000)

CG = 79,5775pF

Realizando la máxima Dinámica.

V DSp = ID ∗RPD

VDSp = 0,9738588V

Entonces

V DSpp = 2 ∗ (V DSpp)

V DSpp = 1,9477176V

Nos queda que:

espp =V DSpp

AV

espp = 0,6492392V

Con sus respectivos puntos mostrados en el cuadroV,tomado desde fc/10 y 10*fc.

Las rectas de carga correspondiente se observa en la figura15.


Cuadro VIDATOS DRAIN COMUN

Descripción ValorIdss 10.31mAVp -3.239vFc 2kHzAv 1Id 100mA

Vdd 15vVds 7.5v

Figura 17. Circuito Equivalente Drain Comun

Figura 15. Reca de carga GC

III-C. Amplificador Jfet-Drain Común

Antes del diseño del mismo, en el cuadro VI se observa losdatos iniciales para el comienzo del diseño.

Circuito propuesto se observa en la figura 16.

Figura 16. Circuito drain comun

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.

ID = IDSS ∗(

1− V GS

V P

)2

100 ∗ 10−6 = 10,31 ∗ 10−3 ∗(

1− V GS

−3,239

)2

V GS = −2,49V


gm =


∥∥∥∥ ∗ (1− V GS

V P)

Entonces.

gm =

∥∥∥∥2 ∗ 10,31 ∗ 10−3

−2,77

∥∥∥∥ ∗ (1− −2,49

−3,239)

gm = 5,7414−3

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:

−2,49 = −100 ∗ 10−6 ∗RS

RS = RL = 4,7kΩ


Zi = 1MΩ

La impedancia de salida

Zo = 4,7kΩ

Una vez se obtuvo estos valores al ganancia total seria

AV =gm ∗ RS∗RL

RS+RL

1 + gm ∗(

RS∗RLRS+RL

)AV =

718,163 ∗ 10−6 ∗ 12,5 ∗ 103

1 + 718,163 ∗ 10−6 ∗ (12,5 ∗ 103)

AV = 0,9



Cuadro VIIFRECUENCIA DE CORTE-DRIAGRAMA DE BUDE

fc/2 fc/10 fc 10*fcf 1000Hz 200Hz 2kHz 20kHz

Av -6.35 -17.44 -3.071 -1.225Avdb 0.481 0.134 0.702 0.868

CI =1

2 ∗ π ∗(

f10

)∗ (rs+ (Zi))

CI =1

2 ∗ π ∗(2000Hz

10

)∗ (50Ω + 1MΩ)

CI = 795,73pF

CO =1

2 ∗ π ∗(

f10

)∗ (Zo+RL)

CO = 27,65nF

CD =1

2 ∗ π ∗ (f) ∗ (RD)

CD =1

2 ∗ π ∗ (2000Hz) ∗ (20,1kΩ)

CD = 17,374nF

Con sus respectivos puntos mostrados en el cuadroVII,tomado desde fc/10 y 10*fc.

IV. MEDICIONES Y ANALISIS

IV-A. Amplificador Jfet-Source Común

Se utilizo la DAQ como instrumento de adquisición de datospara las gráficas. El diagrama de bode del Source común, sepuede apreciar en la figuras 18, 19 y 20.

Figura 18. Diagrama de bode SC

Figura 19. Diagrama de bode SC-2

Figura 20. Diagrama de bode SC-3

La señal de entrada es la señal de color verde y al amplifi-cada se encuentra de color azul, estas graficas se observa enla figura 21.

Figura 21. Señal de ingreso-Salida SC

IV-B. Amplificador Jfet-Gate Común

Se utilizo la myELVIS II como instrumento de adquisiciónde datos para las gráficas. El diagrama de bode del Sourcecomún, se puede apreciar en la figuras22, 23, 24, ??.


Figura 23. Bode Gate comun-en Fc

Figura 22. Bode Gate Común fc/10

Las señales de entrada son las señal de color verde yal amplificada se encuentra de color azul, estas gráficas seobserva en la figuras ??.

IV-C. Amplificador Jfet-Drain Común

Se utilizo la myELVIS II como instrumento de adquisiciónde datos para las gráficas. El diagrama de bode del Sourcecomún, se puede apreciar en la figuras??

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 yal amplificada se encuentra de color azul, estas gráficas seobserva en la figuras 26,?? ?? y ??.

Figura 26. Señal de ingreso-DC


Figura 27. Diagrama de Bode Drain Comun

CONCLUSIONES

JFET amplifiers are more likely to perform as they aremore stable, also to differences of BJT transistors, that drawcurrent unlike the JFET transistors working with voltagesapplied between G (gate) S (source). The design of this typeof amplifier is performed considering that the JFET transistorsdo not work with current G (gate). So to design one highvolume resistance was in the order of Mega ohms Zi (inputimpedance). The voltage gain for all these types of amplifierswas less than BJT amplifiers worked. The calculation wassimplified to make the hybrid circuit regardless rd in theanalysis.

REFERENCIAS

[1] Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos,Robert L. Boy-lestad,Louis Nashelsk- Decima edición-Editorial Prentice Hall-pagina 378




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Amplificadores de Pequeña Señal FET