Polarización del FET

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1 Polarización del FET J.I, Huircán Universidad de La Frontera December 9, 0 Abstract Se muestran las redes de polarización ja y autopolarización para el JFET. En ambas se plantean la malla de entrada y salida, en conjunto con la ecuación de Schockley, los datos requeridos son la corriente de saluración I DSS y el voltaje de estrangulamiento V p. Para el MOSFET de enriquecimiento, se opera de la misma forma pero se usa la ecuación de saturación, son requeridos como datos la constante de fabricación K y el voltaje umbral V T. Circuito de polarización ja para JFET Sea el circuito de la Fig.. V GG V GG (a) (b) Figure : Circuito de Polarización ja para el JFET. Para la malla de entrada, dado que = 0 (la unión compuerta-fuente se encuentra inversamente polarizada). Para la malla de salida V GG = + = V GG ()

2 = + () = + (3) Donde (3) es la recta de carga de salida. Adicionalmente se tiene la ecuación de Shockley = I DSS (4) V p Donde V p es la tensión de estrangulación del canal, también llamado V GS(OF F ) e I DSS la corriente de saturación, datos provistos por el fabricante. I DSS v = 0 GS v GS = - V GG 3 -V p Q V DSQ Figure : Punto de trabajo del JFET. Para un punto Q dado (I DSQ ; V DSQ ), se determina de (), como V DSQ = (5) De (4), se determina, luego de () se obtiene V GG. Circuito de autopolarización para JFET Un JFET se autopolariza usando un resistor en la fuente, de acuerdo a la Fig. 3. Para la malla de entrada + + = 0 (6) = (7)

3 v GS Figure 3: Circuito de autopolarización para el JFET. Para la malla de salida Así la recta de carga de salida será = + ( + ) (8) = ( + ) ( + ) Para un punto Q, ( ; V DSQ ) de (9), se obtiene + : Usando la relación (7), se obtiene y luego : Se puede observar que la recta dada por (7) intersecta la curva de la ecuación de Schockley y de ne el punto de operación como se muestra la Fig. 4. (9) I D I DSS _ V p Q Figure 4: Intersección ecuación de Schockley y la malla de entrada. 3 Polarización del MOSFET de enriquecimiento El MOSFET canal n de enriquecimiento o incremental requiere un voltaje positivo en la compuerta, éste puede ser polarizado de acuerdo al circuito indicado en la Fig.5a. Luego, planteando la malla de entrada y la malla de salida en la Fig. 5b. se tiene 3

4 (a) (b) Figure 5: Polarización del MOSFET Incremental. = + + (0) = + + () Donde de () se obtiene la recta de carga de salida = : Luego usando la ecuación de funcionamiento del MOSFET para zona activa se completa el sistema de ecuaciones Dado = 0, el sistema se simpli ca. = K ( V T ) () = + (3) [ma] [ma] + _ 3 v GS = V GSQ VT V GSQ [V] V DSQ v [V] DS Figure 6: Punto de operación del MOSFET. Donde de ()3 se obtiene la recta de carga de entrada = + : 4

5 Para un punto de operación (I DSQ ; V DSQ ), en conjunto con el voltaje umbral V T y la constante de fabricación K, el sistema () y (3) se determina y. Finalmente usando () se determina. 4 Polarización alternativa de MOSFET de Acumulación El circuito de la Fig.7a usa un divisor de voltaje para alimentar la gate. La fuente queda conectada a tierra. R R TH R V TH (a) (b) Figure 7: Polarización alternativa. Redibujando la malla de entrada, se tiene el circuito de la Fig. 7b. Planteando la malla de entrada Donde V T H = R T H + (4) = + (5) Usando V T H = R T H = R jjr R R + R = K ( V T ) (6) El sistema queda completo. Para el diseño es requerido un valor para R T H, el cual acostumbra a tomar un valor alto por lo general en torno a [M]. Dado que = 0, el sistema se simpli ca, pues = V T H. Al igual que en la con guración anterior, son requeridas las constante K y el voltaje umbral V T. 5

6 5 Circuito de polarización universal del MOS- FET de emprobrecimiento A modo de complemento se ha incorporado un circuito con un MOSFET de empobrecimiento o de deplexión. Esta con guración es de tipo polarización universal. Sea el circuito de la Fig. 8, donde R V T H = (7) R + R R R R T H = (8) R + R R I D + R TH R V TH + I G Figure 8: Circuito de polarización universal para MOSFET canal n. Para la malla de entrada, dado que = 0, se tiene V T H = + (9) Para la malla de salida = + V T H (0) = ( + ) () Como este FET también usa la relación de Schockley para de nir la corriente, para un circuito dado se puede trazar una recta de carga para la malla de entrada, que establece el punto Q, de acuerdo a la Fig. 9. Por otro lado, para un punto Q dado, más, V T H o R T H, se obtiene el diseño. 6 Determinación del punto de trabajo de un JFET Sea el circuito de autopolarización del JFET de la Fig. 0. Considerando V p = 4 [V ], I DSS = 5 [ma], considerando = [V ], determinar, 6

7 I D I DSS Q Q V p V TH V TH Figure 9: Rectas de carga para distintos puntos Q. y. De la ecuación en la malla de entrada se tiene.k I D ID [ma] 5 V =[V] DD _ 470 I G Q Figure 0: Análisis de circuito autopolarizado. = 470 [] Luego, usando la ecuación de de Schockley = 5 [ma] () (3) 4 [V ] Resolviendo el sistema de ecuaciones = :7 [V ] e = :5 [ma], por lo tanto de (8) se determina = :5 [ma] (: [K] []) = 5:33 [V ] : De esta forma, la recta de carga de la salida y la entrada están indicadas en la Fig Calculo de punto de operación de un MOS- FET Sea el circuito de la Fig.. Considerando K = 0:5 ma V y VT = :4 [V ]. Planteando la malla de entrada y la malla de salida. 5 [V ] = [M] + + 4:38 [K] 5 [V ] = 60 [] + + 4:38 [K] 7

8 MΩ 60Ω i D 5[V] MΩ 60Ω 5[V] 4.38KΩ 5[V] 4.38KΩ (a) (b) Figure : MOSFET La ecuación del MOSFET será = 0:5 ma V Considerando = 0. Resolviendo se tiene ( :4[V ]) 5 [V ] = (4:38 [K]) + ma 0:5 V ( :4[V ]) (4:38 [K]) + Se tiene = 3:59 [V ] ; = 6:4 [V ] ; se descarta el primer valor debido a que es menor que V T. De esta forma I D = [ma] ; = 5 [V ] : [ma] [ma] 5V = K _ 4.38K 5V K = V.4V 6.4V 5V 5V 5V Figure : Punto de operación del circuito. 8

9 8 Conclusiones Los circuitos de polarización ja y autopolarización del JFET pueden ser analizados o diseñados mediante el planteamiento de la malla de entrada y salida, en conjunto con la ecuación de Schockley, la cual requiere como datos la corriente de saturación I DSS y el voltaje de estrangulamiento V p. Para el MOSFET de enriquecimiento, para las distintas con guraciones también es requerida la malla de entrada y salida. Esta vez se utiliza la ecuación del MOSFET que indica la zona de saturación. Debido a que la corriente en la gate es cero, las ecuaciones se ven simpli cadas. 9