IFBA. CELET Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE. Vitória da Conquista

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1 IFBA 1 a Parte CELET Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE Vitória da Conquista 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 = gate. É um dispositivo sensível a tensão 1

2 JFET s - Funcionamento Polarização (funcionamento) Uma alimentação positiva V DD é ligada entre o dreno e a fonte, o que estabelece um fluxo de elétrons livres; A tensão reversa V GG 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 V GS(desligado) = -4 V, a corrente de dreno I D é aproximadamente 0, região de corte; 2

3 Curvas de Dreno Análise JFET s Observe que V GS(desligado) = -4Véi igual em módulo a V DS, máximo na região de saturação; V GS = 0, equivale a um curto entre a porta e a fonte, e I DSS = 10 ma = máxima corrente do Dreno; Fazendo V GS mais negativa podemos reduzir I D. JFET s Curva de Transcondutância A curva é um trecho de parábola; A equação para qualquer JFET é: Muitas folhas de dados só fornecem I DSS e V GS(desligado); Pode-se traçar essa curva usando os pontos: 3

4 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 Autopolarização Usa R S para estabilizar o circuito; Em um 1 o momento: A corrente I D aumenta, logo V S aumenta pois R S é fixo; Isso aumenta a tensão reversa V G, que por sua vez estreita o canal e reduz I D ; Em um 2 o momento: A corrente I D diminui, logo V S diminui pois R S é fixo; Isso diminui a tensão reversa V G, que por sua vez aumenta o canal e aumenta I D ; O que compensa parcialmente a diminuição inicial em I D estabilizando o circuito. 4

5 Autopolarização Tensão porta-fonte Como a porta tem polarização reversa, flui uma corrente de porta desprezível através de R G, assim: V G = 0 A tensão da Fonte ao terra: V S = I D R S A tensão da porta-fonte: V GS = V G V S = 0 I D R S V GS = I D R S Linha de Autopolarização I D = V GS R S Exemplo: V GS = 0 I D = 0 = V GS = -1 V I D = -(-1) = 2 ma 500 VV GS = -2V I D = -(-2) = 4 ma 500 A corrente de dreno varia linearmente com V GS. 5

6 Autopolarização Efeito da Resistência da Fonte Projeto gráfico Projeto conveniente R S = V GS I D R S = V GS(desligado) I DSS Autopolarização Tolerância Devido às variações de V GS(desligado) e I DSS para valor de R S a ser usada em grande escala; A folha de dados incluem duas curvas, a mínima e a máxima. 6

7 Polarização por Divisor de Tensão V TH = R 2 V DD V S = V TH V GS R 1 + R 2 I D = V TH V GS V D = V DD I D R D R S Se V TH for suficientemente grande para sobrepujar V GS, I D será aproximadamente constante; Problema num JFET, V GS, pode variar vários volts de um JFET para outro; Fica difícil estabelecer o valor de V TH. Polarização por Divisor de Tensão Linha de polarização Quanto maior for V TH, mais horizontal a linha de polarização, porém há um limite; 7

8 Polarização por Fonte A idéia aqui é de sobrepujar as variações de V GS,, fazendo V SS >> V GS,, porém isso é difícil. I D = V SS V GS R S Polarização por Fonte de Corrente A idéia aqui é produzir uma corrente do dreno que seja independente de V GS. Uma corrente constante. Duas Alimentações: I C = V EE V BE R E 8

9 Polarização por Fonte de Corrente O transistor bipolar, fonte de corrente, força a corrente do dreno ser igual à do coletor, que é constante. Uma Alimentação: I D = I C IFBA 2 a Parte JFET s - Análise CA CELET Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Prof. Edvaldo Moraes Ruas (EE) Vitória da Conquista

10 Transcondutância É a razão: g m = I D. V GS GS Como as variações em I D e em V GS são equivalentes à correte e à tensão CA, a equação fica g m = i d. v gs que é uma fórmula para pequeno sinal, exata para variações infinitesimais. Usaremos está equação como uma aproximação para g m toda vez que o valor de pico a pico de i d for menor do que 10% da corrente do dreno no ponto Q. Exemplo: i d =0,2mA g m = 0,2 m.= 2000 µs v gs = 0,1 V 0,1 Transcondutância A transcondutância g m nos informa sobre o controle que a tensão da porta tem sobre a corrente do dreno. Quanto mais alto g m mais eficiente é a tensão da porta no controle da corrente do dreno. 10

11 Modelo π Esse modelo é para baixas frequências. Outra equação g m =g m0 [1 V GS /V GS(desligado) ] onde: g m0 para V GS =0; V GS(desligado) para g m = 0. Um valor preciso de V GS(desligado) V GS(desligado) = 2I DSS. g m0 Amplificador Fonte Comum (SC) Quando um pequeno sinal CA é acoplado à porta, ele produz variações na tensão da porta-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 Um aumento na tensão da porta-fonte produz mais corrente de dreno, portanto diminui a tensão de dreno. Assim, inverte a tensão de saída. 11

12 Ganho de Tensão (Amplificador SC) R 1 R 2 ; R GS >> 0 circuito aberto; v saída = g m v gs R D sinal inversão de fase v ent = v gs v saída. = g m R D v ent A = g m R D Modelo CA do estágio SC onde: A= ganho de tensão sem carga; gm= transcondutância; R D = resistência do dreno. 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 é manter osinalpequeno; pq 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. 12

13 Resistor de linearização (Amplificador SC) Se r S for suficientemente grande, a linearização local poderá reduzir a não linearidade da curva de transcondutância. Tensão de entrada R GS >> 0 v ent v gs g m v gs r S =0 v ent =(1+g m r S ).v gs Tensão de saída Ganho v saída = g m v gs R D v saída = g m R D A = R D v ent 1+g m r S r S +1/g m r S reduz o ganho de tensão; g m têm menos efeito no ganho de tensão; Para se reduzir por linearização as variações em g m, r S precisa ser muito maior do que 1/g m. Amplificador de Dreno Comum (DC) Neste casoa tensão de saída é aproximadamente igual a tensão de entrada eestaemfasecomela. 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. 13

14 Amplificador de Dreno Comum (DC) Tensão de entrada v ent v gs g m v gs R S =0 v ent = (1 + g m R S ).v gs Tensão de saída é: v saída =g m v gs R S Ganho v saída = g m R S A = R S v ent 1+g m R S R S +1/g m 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 v saída =R S. v ent R S +1/g m Isto lembra um divisor de tensão. logo: z saída(fonte) = 1. g m Impedância de Entrada e Saída z ent = R S + (1/g m ) z saída =R S (1/g m ) z ent =R 1 R 2 para um Divisor de Tensão z ent =R G para Autopolarização 14

15 Amplificador de Porta Comum (GC) Corrente CA de entrada i ent =i d =g m v gs Rearranjado v gs = 1. i ent g m Como v gs =v ent z ent = 1. g m Por exemplo, se g = 2000 µs, z ent = 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 V GS =0 Corte V GS V GS(desligado) Resistência CC do Estado Ligado A Chave JFET não é perfeita porque uma pequena resistência aparece na saturação. R DS(ligado) = V GS. I D 15

16 Chave Analógica JFET Resistência CA do Estado Ligado A Resistência CA aparece quando o transistor esta saturado e é aplicado um sinal CA. r ds(ligado) = ΔV DS. Δ I D Chave Shunt Chave Série Multiplexando Chave Analógica JFET Normalmente somente um dos sinais de entrada aparece na saída, ou seja, um dos sinais de controle é zero. 16

17 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. Algumas aplicações dos JFET s em que suas propriedades dão uma vantagem sobre o TBJ. Amplificador Buffer Outras Aplicações JFET 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. 17

18 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, r ds(ligado) pode ser controlada por V GS ; Quanto mais negativo V GS, maior torna-se r ds(ligado) ; Exemplo, de um 2N5951 Para V GS =0V,I D =0,75mAeV DS = 100 mv r ds(ligado) = 100 m =133 Ω 0,75 m Para V GS = 2 V, I D = 0,4 ma e V DS = 100 mv r ds(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. 18

19 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 = g m r D Amplificador Cascode Outras Aplicações JFET Amplificador Cascode é um amplificador de fonte comum que alimenta um amplificador com porta comum; O amplificador SC tem ganho de A 1 = g m R D A impedância de entrada do amplificador GC é 1/g m ; logo A 1 = g m R D = g m 1.= 1 g m O amplificador GC tem um ganho de A 2 =g m R D Logo, o ganho total dos dois é A 2 =A 1 A 2 = g m R D Portanto o amplificador cascode tem o mesmo ganho do amplificador SC. A vantagem é a sua baixa capacitância de entrada. 19

20 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 I DSS =10mAer DS(ligado) = 200 Ω, então uma corrente de carga normal de 1 ma significa que o JFET está na região ôhmica; V DS = 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 estalimitadaacorrentede10ma,efuncionaagoracomoumafontede corrente. 20