1/6/2010
IFBA
1a Parte
JFET´s – Análise CC
CELET – Coordenação
ç do Curso Técnico em Eletrônica
Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE
Vitória da Conquista - 2009
JFET´s - estrutura e símbolo
• Transistor de junção por efeito de campo (Junction Field-Effect
Transistor);
)
• É um transistor unipolar, depende somente de um tipo de carga,
ou as lacunas ou os elétrons;
• Fonte porque os elétrons livres entram no
dispositivo nesse ponto;
• Dreno por onde os elétrons livres saem;
• Porta
P
= gate.
• É um dispositivo sensível a tensão
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JFET´s - Funcionamento
 Polarização (funcionamento)
– Uma alimentação positiva VDD é ligada entre o dreno e a fonte, o que estabelece
um fluxo de elétrons livres;
– A tensão reversa VGG aplicada na junção porta-fonte cria uma camada de
depleção em volta das regiões p;
– Quanto mais negativa essa tensão, mais estreito torna-se o canal. Ou seja a
tensão reversa controla o fluxo de elétrons livres;
 A impedância de entrada alta (dezenas ou centenas de megohms).
• Curvas de Dreno – Análise
JFET´s
– De 0 a 4 V a corrente sobe rapidamente, região de saturação;
– De 4 a 30 V se comporta como uma fonte de corrente, região ativa;
– Acima de 30 V, o JFET rompe-se, região de ruptura;
– Para VGS(desligado) = -4 V, a corrente de dreno ID é aproximadamente 0, região de
corte;
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• Curvas de Dreno – Análise
JFET´s
– Ob
Observe que VGS(desligado) = -4
4 V é igual
i l em módulo
ód l a VDS, máximo
á i
na região
iã de
d
saturação;
– VGS = 0, equivale a um curto entre a porta e a fonte, e
IDSS = 10 mA = máxima corrente do Dreno;
– Fazendo VGS mais negativa podemos reduzir ID.
JFET´s
• Curva de Transcondutância
– A curva é um trecho de parábola;
– A equação para qualquer JFET é:
– Muitas folhas de dados só fornecem IDSS e VGS(desligado);
– Pode-se traçar essa curva usando os pontos:
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JFET´s – Análise CC
• Polarização da Porta
– É a pior forma possível de polarização do JFET;
– Em razão da variação na corrente de dreno ser
tão grande;
(a) Polarização da Porta
(b) Figura simplificada
(c) O ponto Q varia demais com
polarização da porta
JFET´s – Análise CC
• Autopolarização
– Usa RS para estabilizar o circuito;
– Em um 1o momento:
 A corrente ID aumenta, logo VS aumenta pois RS é fixo;
 Isso aumenta a tensão reversa VG, que por sua vez estreita o canal e reduz
ID;
– Em um 2o momento:
 A corrente ID diminui, logo VS diminui pois RS é fixo;
 Isso diminui a tensão reversa VG, que por sua vez aumenta o canal e
aumenta ID;
– O que compensa parcialmente a diminuição inicial em ID estabilizando o
circuito.
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JFET´s – Análise CC
• Autopolarização – Tensão porta-fonte
– C
Como a porta
t tem
t polarização
l i ã reversa, flui
fl i uma corrente
t de
d porta
t
desprezível através de RG, assim:
VG = 0
– A tensão da Fonte ao terra:
VS = IDRS
– A tensão da porta-fonte:
VGS = VG –V
VS = 0 – IDRS
VGS = – IDRS
JFET´s – Análise CC
• Linha de Autopolarização
ID = – VGS
RS
– Exemplo:
→VGS = 0
ID = 0 = 0
500
→VGS = -1 V
ID = -(-1) = 2 mA
500
→V
VGS = -22 V
ID = -(-2)
( 2) = 4 mA
A
500
– A corrente de dreno varia linearmente com VGS.
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JFET´s – Análise CC
Autopolarização
• Efeito da Resistência da Fonte
• Projeto gráfico
RS = – VGS
ID
• Projeto conveniente
RS = VGS(desligado)
IDSS
JFET´s – Análise CC
Autopolarização
• Tolerância
– Devido às variações de VGS(desligado) e IDSS para valor de RS a ser usada em
grande escala;
– A folha de dados incluem duas curvas, a mínima e a máxima.
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1/6/2010
JFET´s – Análise CC
• Polarização por Divisor de Tensão
VTH =
R2___ VDD
R1 + R2
VS = VTH – VGS
ID = VTH – VGS
VD = VDD – IDRD
RS
– Se VTH for suficientemente grande para sobrepujar VGS,
ID será aproximadamente constante;
– Problema – num JFET, VGS,
pode variar vários volts de um JFET para outro;
– Fica difícil estabelecer o valor de VTH.
JFET´s – Análise CC
• Polarização por Divisor de Tensão
Linha de polarização
– Quanto maior for VTH, mais horizontal a linha de
polarização, porém há um limite;
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JFET´s – Análise CC
• Polarização por Fonte
– A idéia aqui
q é de sobrepujar
p j as variações
ç
de VGS, fazendo VSS >> VGS,
porém isso é difícil.
ID = VSS – VGS
RS
JFET´s – Análise CC
• Polarização
ç por
p Fonte de Corrente
– A idéia aqui é produzir uma corrente do dreno que seja independente de VGS.
Uma corrente constante.
– Duas Alimentações:
IC = VEE – VBE
RE
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JFET´s – Análise CC
• Polarização por Fonte de Corrente
– O transistor bipolar, fonte de corrente, força a corrente do dreno ser igual à
d coletor,
do
l
que é constante.
I D = IC
– Uma Alimentação:
IFBA
2a Parte
JFET´s - Análise CA
CELET – Coordenação
ç do Curso Técnico em Eletrônica
Prof. Edvaldo Moraes Ruas (EE)
Vitória da Conquista - 2010
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Transcondutância
• É a razão: gm = ∆ID .
∆VGS
• Como as variações em ID e em VGS são equivalentes à correte e à tensão
CA, a equação fica
gm = id .
vgs
que é uma fórmula para pequeno sinal, exata para variações
infinitesimais.
• Usaremos está equação
q ç como uma aproximação
p
ç ppara gm toda vez qque o
valor de pico a pico de id for menor do que 10% da corrente do dreno no
ponto Q.
• Exemplo:
id = 0,2 mA
vgs = 0,1 V
gm = 0,2 m .= 2000 µS
0,1
Transcondutância
• A transcondutância gm nos informa sobre o controle que a tensão da porta
tem sobre a corrente do dreno. Q
Quanto mais alto gm mais eficiente é a
tensão da porta no controle da corrente do dreno.
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1/6/2010
• Modelo π
Esse modelo é para baixas frequências.
• Outra equação
gm = gm0 [ 1 – VGS/VGS(desligado)]
onde: gm0 para VGS = 0;
VGS(desligado) para gm = 0.
0
• Um valor preciso de VGS(desligado)
VGS(desligado) = – 2IDSS .
gm0
Amplificador Fonte Comum (SC)
• Quando um pequeno sinal CA é acoplado à porta, ele produz variações na
tensão da pporta-fonte;
• Isto produz uma corrente de dreno que varia também e que flui através do
resistor do dreno;
• Obtendo assim uma tensão CA amplificada na saída semelhante ao
pequeno sinal CA da porta.
 Inversão de fase
• Um aumento na tensão da porta-fonte
porta fonte
produz mais corrente de dreno, portanto
diminui a tensão de dreno.
• Assim, inverte a tensão de saída.
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Ganho de Tensão (Amplificador SC)
 R1 || R2;
 RGS >> 0
circuito aberto;
 vsaída = – gmvgsRD
sinal “–”
 vent = vgs
inversão de fase
onde:
A= ganho de tensão sem carga;
gm= transcondutância;
gm
RD = resistência do dreno.
 vsaída . = – gmRD
vent
 A = – gmRD
 Modelo CA do estágio SC
Distorção
• Este tipo de distorção é chamado distorção por lei quadrática porque a
curva de transcondutância é parabólica;
• Uma forma de se minimizar a distorção
ç é manter o sinal ppequeno;
q
;
• Um sinal é pequeno quando a corrente do dreno tem um valor de pico a
pico menor do que 10% da corrente do dreno quiescente.
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Resistor de linearização (Amplificador SC)
• Se rS for suficientemente grande, a linearização local poderá reduzir a não
linearidade da curva de transcondutância.
• Tensão de entrada
RGS >> 0
vent – vgs – gmvgsrS = 0
vent = (1 + gmrS ).vgs
• Tensão de saída
vsaída = – gmvgsRD
• Ganho
vsaída = – gmRD
vent 1 + gmrS
A = – RD
rS + 1/gm
rS reduz o ganho de tensão;
gm têm menos efeito no ganho de tensão;
Para se reduzir por linearização as variações em
gm, rS precisa ser muito maior do que 1/gm.
Amplificador de Dreno Comum (DC)
 N
Neste
t caso a tensão
t ã de
d saída
íd é aproximadamente
i d
t igual
i l a tensão
t ã de
d entrada
t d
e esta em fase com ela.
 Por isso o circuito é chamado de seguidor de fonte;
 Devido a sua alta impedância de entrada ele é geralmente usado no
terminal de entrada de instrumentos de medição.
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Amplificador de Dreno Comum (DC)
• Tensão de entrada
vent – vgs – gmvgsRS = 0
vent = (1 + gmRS ).v
) gs
• Ganho
vsaída = gmRS
vent 1 + gmRS
A=
RS
RS + 1/gm
• Tensão de saída é:
vsaída = gmvgsRS
O seguidor de fonte tem menor distorção que um
amplificador SC devido ao resistor da fonte não
derivado.
Amplificador de Dreno Comum (DC)
• Tensão de saída
vsaída = RS . vent
RS + 1/gm
Isto lembra um divisor de tensão.
logo:
zsaída(fonte) = 1 .
gm
 Impedância de Entrada e Saída
zent = RS + (1/gm)
zsaída = RS || (1/gm)
•
•
zent = R1 || R2 para um Divisor de Tensão
zent = RG para Autopolarização
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Amplificador de Porta Comum (GC)
• Corrente CA de entrada
ient = id = gm vgs
Rearranjado
vgs = 1 .
ient gm
Como vgs = vent
zent = 1 .
gm
Por exemplo, se g = 2000 µS,
zent =
1 . = 500 Ω
2000 µ
• Portanto a impedância de entrada é baixa, por isso ele tem apenas
algumas aplicações.
Chave Analógica JFET
• A idéia consiste em usar somente dois pontos da linha de carga:
corte e saturação.
Saturação
VGS = 0
Corte
VGS ≤ VGS(desligado)
 Resistência CC do Estado Ligado
A Chave JFET não é perfeita porque uma pequena resistência aparece na
saturação.
RDS(ligado) = VGS .
ID
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1/6/2010
Chave Analógica JFET
 Resistência CA do Estado Ligado
A Resistência CA aparece quando o transistor esta saturado e é aplicado
um sinal CA.
rds(ligado) = ΔVDS .
Δ ID
 Chave Shunt
 Chave Série
Chave Analógica JFET
 Multiplexando
Normalmente somente um dos sinais de entrada aparece na saída, ou seja,
um dos sinais de controle é zero.
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Chave Analógica JFET
 Chopper JFET (Interruptor Pulsante)
• Se utilizarmos acoplamento direto, sem capacitores de acoplamento e de
derivação, e se ligarmos em vários estágios, a desvantagem é o drift ou
deriva;
• Drift é um lento desvio na tensão de saída produzido pelas variações da
alimentação e do transistor.
• Para resolver esse problema é que utilizamos o método Chopper.
Outras Aplicações JFET
Algumas aplicações dos JFET´s em que suas propriedades dão uma
vantagem sobre o TBJ.
 Amplificador Buffer
• Um buffer isola o estágio anterior do posterior;
• Idealmente, um buffer deve ter uma alta impedância de entrada (na faixa
dos megohms em baixas frequências), que significa uma carga baixa para
o estágio anterior;
• E deve ter uma baixa impedância de saída para que ele de conta de cargas
pesadas;
• Seguidor da Fonte é um amplificador buffer.
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1/6/2010
Outras Aplicações JFET
 Amplificador de Baixo Ruído
• Ruído é qualquer perturbação indesejada superposta ao sinal útil;
• Qualquer dispositivo eletrônico produz uma certa quantidade de ruído;
• O JFET é um dispositivo de baixo ruído;
• Isto é especialmente desejável na seção de entrada, justamente porque os
estágios subsequentes amplificam o ruído com o sinal de entrada.
Outras Aplicações JFET
 Resistência Variável com a Tensão
• A região de saturação de um JFET também é chamada região ôhmica;
• Na região ôhmica, rds(ligado) pode ser controlada por VGS;
• Quanto mais negativo VGS, maior torna-se rds(ligado);
Exemplo, de um 2N5951
 Para VGS = 0 V, ID = 0,75 mA e VDS = 100 mV
rds(ligado) = 100 m =133 Ω
0,75 m
 Para VGS = – 2 V,
V ID = 0,4
0 4 mA e VDS = 100 mV
rds(ligado) = 100 m = 250 Ω
0,4 m
• Quando usado dessa forma, o JFET não precisa de uma tensão CC de
dreno de alimentação, e sim, um sinal de entrada.
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Outras Aplicações JFET
 Controle Automático de Ganho
• Para contrabalançar as variações de volume indesejadas, a maioria dos
receptores utilizam um controle automático de ganho.
A = – gm rD
Outras Aplicações JFET
 Amplificador Cascode
• Amplificador Cascode é um amplificador de fonte comum que alimenta
um amplificador com porta comum;
• O amplificador SC tem ganho de
A1 = – gm RD
• A impedância de entrada do amplificador GC é 1/gm; logo
A1 = – gm RD = – gm 1 . = – 1
gm
• O amplificador GC tem um ganho de
A2 = gm RD
• Logo, o ganho total dos dois é
A2 = A1 A2 = – gm RD
• Portanto o amplificador cascode tem o mesmo ganho do amplificador SC.
A vantagem é a sua baixa capacitância de entrada.
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1/6/2010
Outras Aplicações JFET
 Limitador de Corrente
• O Limitador é capaz de proteger uma carga contra uma corrente
excessiva;
• Por exemplo, suponha que a corrente de carga normal seja
de 1 mA. Se IDSS = 10 mA e rDS(ligado) = 200 Ω, então uma
corrente de carga normal de 1 mA significa que o JFET
está na região ôhmica;
VDS = 1 m .200 = 0,2 V
• Praticamente toda a tensão da alimentação aparece na carga;
• Suponha agora que a carga esteja em curto; a corrente de carga tenta
aumentar excessivamente, forçando o JFET a ir para região ativa, onde
esta limitada a corrente de 10 mA, e funciona agora como uma fonte de
corrente.
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