Máster en Mecatrónica EU4M Master in Mechatronic and MicroMechatronic ystems TRANITORE E EFECTO E 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 e 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 MOFETs de acumulación. MOFET de acumulación de canal N MOFET 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 MOFET de canal N en fuente común. Referencias normalizadas V V 4 Curvas de salida [ma] V = 4,5V Las curvas de entrada no tienen interés porque se considera que la puerta se comporta como un circuito abierto. I 0 2 0 V = 4V V = 3,5V V = 3V V = 2,5V 2 4 6 V [V] V < V TH = 2V
Funcionamiento. Curvas características e estará trabajando en la región de corte siempre que la tensión V no supere un valor umbral V TH. En estas condiciones el FET no conduce ninguna corriente. V < V TH = 0 V 4 [ma] V 2 0 2 4 6 V [V] V < V TH = 2V
Funcionamiento. Curvas características Para trabajar en la región óhmica hay que crear un canal de conducción en el dispositivo, lo que se consigue si V > V TH. En estas condiciones el MOFET se comporta prácticamente como una resistencia entre el drenador y la fuente. A mayor V, menor resistencia. V 4 [ma] V 2 0 2 4 6 V [V] El valor de la resistencia se puede calcular como R = V / en cualquier punto de la curva correspondiente al valor V elegido
Funcionamiento. Curvas características Teniendo V > V TH, se entrará en la región de saturación si la tensión V aumenta verificando V > V V TH. En la región de saturación se tiene = cte V 4 [ma] V 2 0 2 4 6 V [V]
Resolución de circuitos con transistores. Resolución gráfica 2,5KΩ 4 [ma] V = 4,5V V V 10V 2 0 4 8 12 V = 4V V = 3,5V V = 3V V = 2,5V V [V] Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente Comportamiento como circuito abierto
Resolución de circuitos con transistores. Mediante planteamiento de hipótesis R e calcula V. V < V TH Corte V V CC V V > V TH Hipótesis: Región de saturación = cte V = V CC R i V > 0, entonces aturación (Hipótesis correcta) i V < 0, entonces Resistencia (Hipótesis errónea) También se podría considerar como hipótesis que el transistor está en región óhmica, en cuyo caso: = V CC / (RR ) i < I sat (V ), entonces la hipótesis es correcta Resistencia i > I sat (V ), entonces la hipótesis es errónea aturación
Modelos de transistor. Modelo de gran señal Permiten analizar el punto de funcionamiento en continua. Canal N I = 0 I AT I =0 R I =0 =0 aturación Región óhmica Corte Canal P I = 0 I AT I =0 R I =0 =0
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. i g i d u gs g m u gs u ds Fuente común
Circuitos de polarización. Automática Ecuaciones del circuito de polarización automática. V R 1 R R R = R 1 R 2 R 1 R 2 V V R V V R 2 V = V R 1 R 2 R 2 R R V = V R Con estas ecuaciones y la ayuda de las curvas características del MOFET, se debe llevar a cabo un proceso iterativo que de lugar al punto de funcionamiento deseado. V CE = V (R R ) Habitualmente se querrá trabajar en la región de saturación y se conocerá el valor de deseado, lo que fija el valor de V a utilizar.
Ejemplos. Amplificador en fuente común Esquema de un amplificador en fuente común. V R 1 R C 2 C 1 v s R L v e C R 2 R La parte en rojo corresponde al circuito de polarización. Los condensadores adicionales no influyen en este circuito, ya que en continua son circuitos abiertos. ado que en alterna los condensadores son cortocircuitos, C 1 y C 2 acoplan la señal y la carga respectivamente al amplificador (condensadores de acoplo). C 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 (V ) se considera como un cortocircuito. i e g m v gs v e R 1 R 2 R L R v 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 anancia de tensión v e = v gs R C R L i d = g m v gs v s = i R d C R L v s A v = = v e R C R L R C R L g m Impedancia de entrada v e Z e = = R 1 R 2 i e R 1 R 2 Impedancia de salida Z s = R
Ejemplos. Interruptor digital También el uso de un MOFET como interruptor digital da lugar a un inversor lógico. V R R V e V s Carga El funcionamiento deseado del circuito consiste en que el transistor esté en la región óhmica cuando haya tensión a la entrada (V e 0 V s 0) y en corte cuando la tensión de entrada sea nula (V e =0 V s V ) La resistencia R se conoce como resistencia de pullup. ebido a su presencia, cuanto más corriente demande la carga, más alejada de V estará la tensión de salida.