EXPERIMENTO N O 06 Transistor de Efeito de Campo OBJETIVO: Estudar o funcionamento do J-FET MATERIAIS: Instrumentos: Osciloscópio duplo traço Gerador de funções Materiais (responsabilidade do aluno): Fonte de alimentação Multímetro Régua de proto-board Data Sheets em anexo a folha tarefa [Obs.:alguns disponíveis http://paginapessoal.utfpr.edu.br/humberto ] 2 Transistores BF245 Resistors diversos Capacitores diversos Potenciômetro linear de 1M, 570k, 4k7 e 1k 3 pares de pontas de provas (banana-jacaré) 2 pontas de provas (BNC-jacaré) para osciloscópio 1 ponta de prova (BNC-jacaré) para o gerador de funções. 2. Resumo teórico A figura 1 apresenta um esboço da polarização de um J-FET canal N: junção PN inversamente polarizada, VGS 0, e VDS positivo (VDS > 0). ID corrente de dreno VDS tensão dreno (drain) fonte (source) G porta (gate) D dreno (drain) S fonte (source) Figura 1 Polarização de um J-FET canal N A figura 2 esboça a evolução da região de depleção de portadores (cinza), para VGS = 0, em função da tensão VDS. Aplicando-se uma pequena tensão positiva no dreno o J-FET comporta-se como um resistor, figura 2(a), ou seja, haverá uma corrente de dreno ID. A corrente ID aumenta proporcionalmente com o aumento de VDS, figuras 2(b) e 2(c). A partir da figura 2(c) a queda tensão ao longo do canal N aumenta a região de transição de forma não uniforme. A partir desse ponto o aumento na tensão VDS, aumenta as regiões de transição, diminuindo a largura do canal e aumentado a sua resistência. Logo, a corrente ID permanece, aproximadamente, constante. O valor de VDS na figura 2(c) é denominado tensão de pinçamento (drainsource pinch-off voltage), abreviada Vpo. Após o pinçamento a largura do canal permanece constante. Já o comprimento do canal aumenta e a corrente ID permanece praticamente constante. Em operação normal a máxima corrente de saturação de um J-FET é denominada de corrente dreno-fonte de saturação, IDSS, e é obtida para VGS=0. O valor de VDS não pode ser aumentado indefinidamente. VDS < VDSmáx, tensão de ruptura VR na qual as junções do JFET se rompem. 1
(a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 2 - Evolução das regiões de depleção em umj-fet canal N Do aumento simultâneo de VDS e da resistência do canal ocorre que ID cresce, a princípio, linearmente, após cada vez mais lentamente, permanecendo quase que constante. O gráfico na figura 3 apresenta a característica de saída do J-FET BF245C. Note que na medida em que VGS é mais negativa o valor da corrente IDS diminui. Figura 3 Características de saída dos J-FETs B (esquerda), e C (direita). 2
Equações para o cálculo dos capacitores: gm 2 I DSS V 1 V GS P 1 VP 3
3. Prática 3.1 Gráfico I D x V DS para V GS =0: No circuito da figura 1, determine os valores de VCC e (P+RD) para que a corrente I D 1. 5 I DSS (VGS=0 consulte o datasheet). Para isso considere que a resistência dreno-fonte como sendo igual a zero. Assim, garante-se que quem limitará a corrente IDSS será o FET e não (P+RD). Escolha um potenciômetro adequado para permitir que a corrente ID varie desde zero até 1.5 I DSS. Preencha a tabela abaixo e trace o gráfico. Indique no gráfico os valores de VPo e IDSS. Figura 1 No circuito da figura 1, o que acontece com ID se curto-circuitarmos (P+RD)? Explique. VDS ID Gráfico de ID x VDS 4
3.2. Medição do valor de VP: No circuito da figura 2, para o valor de (P+RD), que permitiu a corrente IDSS, varie o valor de VGS (note que a gate tem de ser negativo em relação ao terminal de source). Trace o gráfico de ID em função de VGS e indique o valor de VP=VGSoff Figura 2 -VGS 0 ID Gráfico de ID x VGS 5
3.3 Amplificador Fonte-Comum Para uma aplicação qualquer, deseja-se fixar o ponto de trabalho Q segundo os valores de VGS e ID. Escolha VDS para que o transistor opere em classe A (região central da reta de carga): (verificar os valores de VGS e ID nas curvas do data sheet) VCC=15V; BF245A: VGS = -0,5V ID = 2,4mA VDS= BF245B: VGS = -1.5V ID = 4,0mA VDS= BF245C: VGS = -2.0V ID = 8,0mA VDS= Exemplo: Na malha de saída temos que: V V R R ), logo: ( RS D R ) 1500 Ω CC DS ( S D Na malha de entrada não circula corrente (IG=0), temos que: V V R I V 0, logo: RS GS S D GS R S V I GS D ( 1.5) 4mA 375 Ω e RD 1125 Ω Observe que a tensão negativa de polarização VGS é fornecida através do resistor RS, que faz o potencial cair de VS para VT. Como VT < VS e VG = VT (potencial de massa), pois não há circulação de corrente na malha de entrada, temos que VG < VS, isto é, VG-VS=VGS<0. O resistor RS também permite a realimentação negativa que estabiliza o J-FET, de modo similar ao verificado com o resistor de emissor no transistor bipolar. VCC Sabendo que a reta de carga fica determinada pelos pontos P1 (VCC; 0) e P2 (0; ), determine as RD RS coordenadas: P1= P2= Indique esses pontos no gráfico de ID por VDS no gráfico do data sheet correspondente ao J-FET. 6
No circuito amplificador, quando a Vi=0, estaremos no ponto de trabalho e VDS será igual a VDS=VCC-VRDQ, aproximadamente. A medida que Vi cresce, VGS torna-se menos negativo e ID cresce e aumenta a queda de tensão em RD. Cálculo de V GS : Com os valores de IDSS e VP medidos anteriormente e ID da curva, determinar o valor de VGS e compará-lo com o valor fornecido nas curvas. Utilizar esses dados para o projeto Cálculo de g m : Com IDSS, VP e VGS, determine gm : Determinação de r ds : No manual verificar o parâmetro yos (gos) que corresponde a 1. r ds Valor R G : O resistor RG deve ser tal que não represente uma carga excessiva para o circuito anterior. Nesse projeto utilizar-se-á o valor de 22kΩ. Montar o circuito e medir V DS, I D e V GS : 7
Cáculo dos capacitores: Para RL=1k, Rg (medido na Tarefa 5) determine os capacitores para a freqüência de corte de 100Hz. Calcular Gv, Ri e Ro Medir Gv e Ro na freqüência de 1kHz e comparar com os valores calculados. Verificar a freqüência de corte inferior. Trabalho extra-classe: Estudar e preparar uma resenha sobre os transistores do tipo MOS, incluindo circuitos de polarização. Pesquise e inclua a data sheet de pelo menos um MOS-FET que contenha as curvas. A resenha deverá ser entregue em CD, no formato DOC, compatível com o Office 2003. É responsabilidade da equipe garantir que o arquivo esteja compatível. No CD deve estar identificada a equipe e os e-mails. 8
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