Electrónica I. Guía 9 1 / 9 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Electrónica I. Lugar de ejecución: Fundamentos Generales o Automatización (Ed.3). CARACTERISTICAS DEL JFET. Objetivo general Verificar la operación del transistor de efecto de campo de unión JFET Objetivos específicos Trazar la familia de curvas características del JFET: ID vrs. VDS e ID vrs VGS. Graficar la relación RDS vrs. VDS cuando VGS = 0.0 V. Determinar de forma experimental la frontera entre la zona de operación Óhmica y la zona de Saturación si VGS = 0.0 V. Determinar de forma experimental el valor de los parámetros IDSS, (VGS)off y transconductancia (Gm) cuando VGS = 0.0 V (Gmo). Identificar las diferentes zonas de operación del JFET en sus curvas características. Materiales y equipos 1 Unidad PU-2000 con PU-2200. 1 Placa DEGEM EB-112. 1 Osciloscopio digital PicoScope 2204A. 1 Computadora con el software PicoScope 6 1 Cable USB tipo A/B 1 Par de puntas para osciloscopio. 1 Par de puntas para multímetro. 4 Cables conectores de 2 mm Introducción Teórica El transistor de efecto de campo (FET) es un dispositivo de tres terminales que se utiliza en varias aplicaciones que coinciden, en gran medida, con las del transistor BJT. Las diferencias principales entre los dos tipos de transistor radican en el hecho de que el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, mientras que el transistor JFET es un dispositivo controlado por voltaje.
2 / 9 Electrónica I. Guía 9 Así como hay transistores bipolares npn y pnp, también existen transistores de efecto de campo de canal n y de canal p, sin embargo, es importante tener en cuenta que el transistor BJT es un dispositivo bipolar; el prefijo bi indica que el nivel de conducción es una función de dos portadores de carga, electrones y huecos. El FET es un dispositivo unipolar que depende ya sea únicamente de la conducción de electrones (canal n) o de la conducción de huecos (canal p). Una de las características más importantes del FET es su alta impedancia de entrada. En la Figura 1a se muestra la construcción básica del JFET de canal n, observe que la parte principal de la estructura es el material tipo n, el cual forma el canal entre las capas incrustadas de material p. La parte superior del canal tipo n está conectada mediante un contacto óhmico a un material conocido como drenaje (D), en tanto que el extremo inferior del mismo material está conectado mediante un contacto óhmico a una terminal conocida como fuente (S). Los dos materiales tipo p están conectados entre sí y a la terminal de compuerta (G). En esencia, por consiguiente, el drenaje y la fuente están conectados a los extremos del canal tipo n y la compuerta a las dos capas de material tipo p. Sin potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n en condiciones sin polarización. El resultado es una región de empobrecimiento en cada unión, como se muestra en la figura 1a, la cual se asemeja a la misma región de un diodo en condiciones sin polarización. Recuerde también que una región de empobrecimiento no contiene portadores libres, y por consiguiente es incapaz de conducir. En la Figura 1b se muestran los símbolos de JFET canal n y canal p respectivamente y en la Figura 1c se muestra las características de un JFET canal n con una corriente I DSS=8 ma y Vp=-4 V. (a) (b) Figura 1: (a) Construcción de JFET de canal n, (b) símbolos de JFET canal n y canal p respectivamente y (c) Características de un JFET canal n. Algunas relaciones importantes para un JFET de canal n son las siguientes: I DSS es la corriente máxima y ocurre cuando V GS=0 V y V DS Vp como se muestra en la Figura 2a. (c)
Electrónica I. Guía 9 3 / 9 Para los voltajes de la compuerta a la fuente V GS menores que (más negativos que) el nivel de estrangulamiento, la corriente de drenaje es de 0 A (I D =0 A), como en la Figura 2b. Para todos los niveles de V GS entre 0 V y el nivel de estrangulamiento, la corriente I D oscilará entre I DSS y 0 A, respectivamente como en la Figura 2c. Se puede desarrollar una lista similar para JFET de canal p. (a) (b) (c) Figura 2. (a) VGS=0 V, ID=IDSS; (b) corte (ID=0 A) VGS menor que el nivel de corte; (c) ID oscila entre 0 A e IDSS para VGS 0 V y mayor que el nivel de estrangulamiento. La variación de la corriente de entrada, en general, es mucho mayor para los BJT que para los FET con el mismo cambio del voltaje aplicado. Por esta razón: Las ganancias de voltaje de ca típicas para amplificadores de BJT son mucho mayores que para los FET. En general: Los FET son más estables a la temperatura que los BJT, y en general son más pequeños que los BJT, lo que los hace particularmente útiles en chips de circuitos integrados (CI). Procedimiento PARTE I. CURVAS CARACTERISTICAS DEL JFET. 1. Antes de iniciar la actividad asegúrese que la fuente del PU-2000 se encuentre apagada, además todos los controles se encuentren ajustados a su posición mínima. 2. Sin conectar la placa EB-112 aún, ubique el bloque que contiene al transistor Q1, este se encuentra en la parte izquierda de la placa y tome nota del código de este transistor Q1 =, además obtenga el valor teórico y experimental del resistor R4. R4 =.
4 / 9 Electrónica I. Guía 9 3. Introduzca la placa EB-112 en el bastidor del PU-2000 y déjela firmemente sujeta al conector. 4. Implemente el circuito mostrado en la Figura 3a, conectando R4 a PS-2, la Fuente (surtidor) del JFET a GND, y el amperímetro para medir la corriente de dreno; VDS y VGS se medirán con el osciloscopio más adelante, por el momento no conecte las puntas del osciloscopio al circuito. Figura 3. (a) Circuito de prueba y (b) circuito redibujado. 5. Observe detenidamente la Figura 3 y en el espacio en blanco redibuje el circuito que utilizará, pero eliminando todos los componentes que no intervienen en la operación. 6. Encienda la fuente del PU-2000, coloque la escala del amperímetro en 200mA e incremente lentamente el valor de PS-1, observando como I D aumenta, continúe hasta que la lectura llegue al máximo (ya no aumente). I DSS= ma. 7. Incremente el valor de PS-2 (se hace más negativo), observando como I D se reduce, continúe hasta que la lectura llegue al mínimo (ya no disminuya). NOTA: Será necesario que cambie la escala del amperímetro mientras hace esta medición. 8. Sustituya al amperímetro en el dreno del JFET por un cable. 9. Coloque el canal A del osciloscopio en acople DC y en una escala de voltaje de +/-20V y conéctelo para medir el valor de V GS actual como se muestra en la Figura 3a. V P = V. 10. Ajuste las fuentes PS-1 y PS-2 al mínimo. 11. V GS ahora debe de ser cero, sino es así notifique al docente de laboratorio. 12. A continuación se procederá a llenar la primera fila de la Tabla 1 por lo que el valor de V GS deberá permanecer en cero, se variará V DS y se tomará el dato de corriente I D para cada valor de V DS. Mueva la punta del osciloscopio para medir V DS (ver Figura 3a) y ajuste PS-1 hasta lograr que V DS sea 2.0 V.
Electrónica I. Guía 9 5 / 9 13. Desconecte la punta del osciloscopio, sustituya el puente del dreno por el amperímetro para medir I D y anote el dato de corriente leído en la casilla respectiva de la primera fila de la Tabla 1. 14. Cambie de nuevo el amperímetro por un cable y repita el mismo procedimiento para los otros valores de la primera fila de la Tabla 1 asegurándose que amperímetro y osciloscopio NUNCA estén conectados de forma simultánea al circuito y que V GS se mantenga en 0 V. 15. Para la segunda fila desconecte el amperímetro y coloque la punta del osciloscopio para medir VGS y con PS-2 ajuste hasta obtener un valor de VGS de -0.5V, repita los pasos anteriores para llenar la segunda fila. 16. Proceda como se indicó en los pasos anteriores hasta completar todos los datos que pide la Tabla 1. 17. Apague la fuente del PU-2000 y ajuste PS-1 y PS-2 al mínimo. V DS(V) V GS(V) 0 0.1 0.25 0.5 1.0 2.0 5 10 I D(mA) 0-0.5-1.0-1.5-3 Tabla 1. PARTE II. RESISTENCIA DEL CANAL. 18. Desarme el circuito anterior. 19. Tome nota del valor teórico y experimental del resistor R3. R3=. 20. Arme el circuito que se muestra en la Figura 4a, conectando tanto el resistor R4 como la Fuente (surtidor) del JFET a GND, R3 a PS-1, además del voltímetro para medir V DS y el canal A del osciloscopio para medir el voltaje de entrada (PS-1). 21. Observe detenidamente la Figura 4 y en el espacio en blanco redibuje el circuito que utilizará, pero eliminando todos los componentes que no intervienen en la operación.
6 / 9 Electrónica I. Guía 9 Figura 4. (a) Circuito de prueba y (b) circuito redibujado 22. Ajuste PS-1 a 1.0 V (Canal A). 23. Mida V DS (voltímetro) y anótelo en la casilla correspondiente de la Tabla 2. 24. Ajuste PS-1 para los otros valores de la Tabla 2 y complete la columna V DS. PS-1 (V) VDS (V) RDS (Ω) 0.00 0.10 0.25 0.50 1.00 1.50 2.00 5.00 Tabla 2. 25. Calcule la resistencia de conducción RDS utilizando la siguiente expresión: RDS = (R3)V DS V in V DS Ecuación 1. 26. Apague la fuente del PU-2000 y ajuste PS-1 y PS-2 al mínimo.
Electrónica I. Guía 9 7 / 9 PARTE III. TRANSCONDUCTACIA Gm. 27. Desarme el circuito anterior. 28. Tome nota del valor teórico y experimental de R2 =. 29. Encienda la fuente del PU-2000. 30. Ajuste PS-2 a 0V. 31. Ajuste el Generador de Señales del PU-2200 para entregar una onda senoidal de 1.0 khz y 100 mvpp. 32. Implemente el circuito mostrado en la Figura 5a, conectando R4 a PS-2, la Fuente (surtidor) del JFET a GND y el amperímetro para medir la corriente de dreno. No conecte aún el generador de funciones ni las puntas del osciloscopio al circuito. Figura 5. (a) Circuito de prueba y (b) circuito redibujado 33. Observe detenidamente la Figura 5a y en el espacio en blanco redibuje el circuito que utilizará, pero eliminando todos los componentes que no intervienen en la operación. 34. Coloque el amperímetro en la escala de 200mA 35. Incremente PS-1 hasta que obtenga la corriente máxima I DSS que tomó en un paso anterior. 36. Sustituya el amperímetro por un puente o cable de conexión. 37. Conecte la onda senoidal al capacitor C2, en el borne etiquetado como Vin2 como se muestra en la Figura 5a. 38. Conecte el canal A del osciloscopio en este mismo punto para ver la señal del generador de funciones y el canal B para medir el voltaje V DS (Ver Figura 5a). 39. Observe en pantalla solamente la señal en el Dreno del JFET, realizando TODOS los ajustes necesarios para obtener información útil, pero no cambie el Acople de DC del canal.
8 / 9 Electrónica I. Guía 9 40. Dibuje la señal que observa en el oscilograma de la Figura 6a. Indique los valores máximos y mínimos de la señal que observa. 41. Cambie el acople del osciloscopio a AC en ambos canales y reajuste el instrumento para obtener información útil. 42. Mida el valor del Voltaje pico a pico en el Dreno del JFET. VDS = Vpp. 43. En el osciloscopio observe, de forma simultánea, las señales de entrada y del Dreno de JFET (realice los ajustes necesarios). 44. En la Figura 6b dibuje las señales que observa. Indique los valores máximos y mínimos de las señales que observa. (a) Tiempo: s/div CH-B: v/div (b) Tiempo: s/div CH-A: v/div CH-B: v/div Figura 6. (a) Voltaje en el Dreno del JFET con acople de DC y (b) Señales de entrada y Dreno con acople de AC. 45. Calcule la transconductancia con la siguiente expresión: gm = V DS V in (R2) 46. Desconecte el circuito y deje ordenado su puesto de trabajo. Ecuación 2.
Electrónica I. Guía 9 9 / 9 Análisis de Resultados 1. Utilizando los datos de la Tabla 1 trace (en un mismo gráfico) la familia de curvas del JFET. 2. Tomando datos de la Tabla 1 y con la Ecuación 3 complete la Tabla 3. VGS(V) VDS(V) 0.1 1 10 0-0.5-1.0-1.5-3 Tabla 3. ID(mA) Ecuación 3. 3. Utilizando los datos de la Tabla 3 trace gráficas de I D vrs. V GS, para valores diferentes de VDS (por lo menos dos). 4. Utilizando los datos de la Tabla 2 trace la gráfica R DS vrs. V DS. Investigación Complementaria 1. Realice la simulación en Qucs para obtener las familias de curvas de un JFET. Bibliografía Boylestad, R-Nashelsky, L. Electrónica: Teoría de Circuitos y dispositivos electrónicos, décima edición. PRENTICE HALL 2009. DEGEM SYSTEMS Curso EB-112 Fundamentos de los semiconductores II, Segunda edición. I.T.S Inter Training Systems Ltd 1992. Floyd, T. Dispositivos Electrónicos, octava edición. PEARSON 2008. Savant, C. - Roden M. - Carpenter G. Diseño electrónico: Circuitos y sistemas, tercera edición. PRENTICE HALL 2000.