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Máster en Mecatrónica
EU4M Master in Mechatronic and Micro-Mechatronic Systems
TRANSISTORES DE
EFECTO DE CAMPO
Fundamentos de Ingeniería Eléctrica
Contenidos
• Funcionamiento
Tipos de transistores FET
Curvas características
• Resolución de circuitos con FETs
• Modelos de transistor FET
• Circuitos de polarización
De base fija
Automática
• Ejemplos
Amplificador en fuente común
Interruptor digital
Funcionamiento. Tipos de transistores
Como en los BJTs, la tensión entre los terminales de entrada
determina el comportamiento eléctrico de la salida, que puede ser:
Fuente de corriente controlada (región de saturación)
Resistencia (región óhmica)
Circuito abierto (región de corte)
Hay distintos tipos de FET, pero nos centraremos en los MOSFETs
de acumulación.
D
G
D
G
S
MOSFET de acumulación
de canal N
S
MOSFET de acumulación
de canal P
Los FET de canal P se comportan igual que los correspondientes
de canal N, salvo por las polaridades de las tensiones y los sentidos
de las corrientes.
Funcionamiento. Curvas características
También en este caso las curvas características dependen de la
configuración del transistor.
Curvas características de un MOSFET de canal N en fuente común.
Referencias
normalizadas
G
+
VGS
-
D
ID
Curvas de salida
ID [mA]
+
VDS
S -
VGS = 4,5V
4
VGS = 4V
Las curvas de entrada no
tienen interés porque se
considera que la puerta se
comporta como un circuito
abierto.
IG ≈ 0
2
VGS = 3,5V
VGS = 3V
VGS = 2,5V
0
2
4
6
VDS [V]
VGS < VTH = 2V
Funcionamiento. Curvas características
Se estará trabajando en la región de corte siempre que la tensión
VGS no supere un valor umbral VTH.
ID
En estas condiciones el FET
no conduce ninguna corriente.
VGS < VTH
ID = 0
+
VGS
-
ID [mA]
4
2
VDS [V]
0
2
4
6
VGS < VTH = 2V
+
VDS
-
Funcionamiento. Curvas características
Para trabajar en la región óhmica hay que crear un canal de
conducción en el dispositivo, lo que se consigue si VGS > VTH.
ID
En estas condiciones el MOSFET se
comporta prácticamente como una
resistencia entre el drenador y la fuente.
A mayor VGS, menor resistencia.
ID [mA]
+
VGS
-
+
VDS
-
4
2
VDS [V]
0
2
4
6
El valor de la resistencia se puede
calcular como
RDS = VDS / ID
en cualquier punto de la curva
correspondiente al valor VGS elegido
Funcionamiento. Curvas características
Teniendo VGS > VTH, se entrará en la región de saturación si la
tensión VDS aumenta verificando VDS > VGS – VTH.
ID
En la región de saturación se tiene
ID = cte
+
VGS
-
ID [mA]
4
2
VDS [V]
0
2
4
6
+
VDS
-
Resolución de circuitos con transistores.
Resolución gráfica
2,5KΩ
+
-
VGS = 4,5V
4
D
G
ID [mA]
ID
S
+
VDS
-
VGS = 4V
10V
2
VGS = 3,5V
VGS = 3V
VGS
VGS = 2,5V
0
4
8
12 VDS [V]
Comportamiento resistivo
Comportamiento como fuente de corriente
Comportamiento como circuito abierto
Resolución de circuitos con transistores.
Mediante planteamiento de hipótesis
ID
R
Se calcula VGS.
VGS < VTH
→
D
Corte
+
-
VGS > VTH
→
G
S
+
VDS
-
VCC
VGS
Hipótesis: Región de saturación
ID = cte
VDS = VCC – R · ID
Si VDS > 0, entonces Saturación
Si VDS < 0, entonces Resistencia
(Hipótesis correcta)
(Hipótesis errónea)
También se podría considerar como hipótesis que el transistor está en región óhmica, en cuyo caso:
ID = VCC / (R+RDS)
Si ID < Isat (VGS), entonces la hipótesis es correcta → Resistencia
Si ID > Isat (VGS), entonces la hipótesis es errónea → Saturación
Modelos de transistor. Modelo de gran señal
Permiten analizar el punto de funcionamiento en continua.
ID
ID
Canal N
ID=0
IG=0
IG = 0
G
ISAT
IG=0
G
RDS
G
S
S
Saturación
S
Región óhmica
S
Canal P
D
D
D
Corte
S
IG = 0
S
IG=0
G
ISAT
IG=0
G
RDS
ID
ID
D
G
D
ID=0
D
Modelos de transistor. Modelo de pequeña señal
Permiten analizar el funcionamiento en alterna (amplificadores).
Consideran comportamiento del transistor como cuadripolo.
El circuito equivalente en pequeña señal más habitual queda tan
simplificado como el que se muestra.
ig
id
G
D
ugs
gm·ugs
S
uds
S
Fuente común
Circuitos de polarización. Automática
Ecuaciones del circuito de polarización automática.
VDD
ID
R1
ID
RG =
RD
RD
RG
VDS
VDS
VDD
VG
R2
RS
VG =
R1 · R2
R1 + R2
R2
R1 + R2
· VDD
RS
VGS = VG – RS · ID
Con estas ecuaciones y la ayuda de las curvas
características del MOSFET, se debe llevar a cabo un
proceso iterativo que de lugar al punto de
funcionamiento deseado.
VCE = VDD – (RD + RS) · ID
Habitualmente se querrá trabajar en la
región de saturación y se conocerá el
valor de ID deseado, lo que fija el valor
de VGS a utilizar.
Ejemplos. Amplificador en fuente común
Esquema de un amplificador en fuente común.
VDD
R1
RD
C2
C1
+
vs
ve
RL
CS
R2
RS
La parte en rojo corresponde al circuito de polarización. Los condensadores
adicionales no influyen en este circuito, ya que en continua son circuitos abiertos.
Dado que en alterna los condensadores son cortocircuitos, C1 y C2 acoplan la
señal y la carga respectivamente al amplificador (condensadores de acoplo). CS se
denomina condensador de desacoplo y hace que en alterna la fuente del transistor
sea común a entrada y salida.
Ejemplos. Amplificador en emisor común
El circuito equivalente en pequeña señal analiza sólo el
comportamiento en alterna, por lo que la fuente continua (VDD) se
considera como un cortocircuito.
ie
G
+
D
gm·vgs
v e R1
R2
RD
vs
RL
S
Haciendo cálculos sobre este circuito, se consigue determinar la ganancia,
impedancia de entrada e impedancia de salida del amplificador.
Este circuito es válido únicamente a frecuencias medias. A bajas
frecuencias los condensadores ya no son cortocircuitos, y a altas frecuencias
podría ser necesario usar otro modelo de transistor.
Ejemplos. Amplificador en emisor común
Ganancia de tensión
ve = vgs
id = gm · vgs
Av =
vs
=–
ve
RC · RL
RC + RL
Impedancia de entrada
Ze =
ve
ie
=
R1 · R2
R1 + R2
Impedancia de salida
Zs = RD
vs = –
· gm
RC · RL
RC + RL
· id
Ejemplos. Interruptor digital
También el uso de un MOSFET como interruptor digital da lugar a
un inversor lógico.
VDD
RD
RG
Ve
Vs
Carga
El funcionamiento deseado del circuito consiste en que el transistor esté en
la región óhmica cuando haya tensión a la entrada (Ve≠0 → Vs ≈ 0) y en corte
cuando la tensión de entrada sea nula (Ve=0 → Vs ≈ VDD)
La resistencia RD se conoce como resistencia de pull-up. Debido a su
presencia, cuanto más corriente demande la carga, más alejada de VDD estará
la tensión de salida.