ELT 313 LABORATÓRIO E ELETRÔNICA ANALÓGICA I Laboratório N o 7 Transistor de Efeito de Campo de Junção (JFET) OBJETIVOS: Testar JFET com multímetro digital. esenhar a curva de transcondutância esenhar a curva do dreno Verificar a grande dispersão nos valores dos parâmetros entre um exemplar e outro. Polarizar o JFET e utilizá-lo como amplificador. Utilizar o JFET como Fonte de Corrente, Chave Analógica e como Resistência Variável. LISTA E MATERIAL 2 - Curva de transcondutância Segundo o fabricante do BF245, a curva de transcondutância do JFET, a curva I = f(s ), é necessário manter a tensão V S constante em 15V, portanto poderíamos aplicar a fonte Vcc de 15V diretamente no transistor. Porem, para evitar um curto-circuito acidental na fonte de alimentação Vcc optamos em reduzir esta tensão para 10V através do diodo zener e resistor de 200Ω. A Figura 2b a- presenta uma sugestão para realização desta tarefa. Osciloscópio de dois canais 20MHz Gerador de funções Multímetro digital (2) Fonte de alimentação C ±15V / 1A Proto-Board (1) Componentes eletrônicos. BF245 ABC (1) 1 TESTE 200kΩ 200Ω Figura 1- JFET(N) Testar a junção Gate-rain e Gate-Source direta e reversamente polarizada utilizando o multímetro digital na função apropriada para teste de diodos. Medir a resistência R S(ON) com o multímetro na função RESISTÊNCIA. Gate-Source curtocircuitado (S =0) Figura 2 Circuito de teste 1. Ajuste S =0 e medir I = I SS G-S direto reverso Ajuste S até a corrente I zerar. Considere o limiar do corte quando I =10nA. Este valor de S é denominado S(OFF) G- I SS S(off) R S(ON) Nominal Medido UNIFEI / IESTI Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller www.elt09.unifei.edu.br 1
Consulte a folha de dados do BF245B e verifique se os parâmetros medidos estão de acordo com os dados fornecidos pelo fabricante. Atenção: os transistores BF245A e BF245C possuem faixas de S(OFF) e I SS maiores. Calcule I pela equação (1) (lei quadrática) com os valores de I SS e S(OFF) medidos e preencha a Tabela 1. Compare os resultados com os valores medidos posteriormente. I V GS = ISS 1 (1) VGS ( off ) Ajuste S e anote a leitura de I. Espere até a corrente se estabilizar. Transfira o resultado para o gráfico da Figura 4. Tabela 1 Curva de Transcondutância S I I * 0.0 I SS 2 Ajustar e manter S =0V. Ajustar V S e medir I. Se necessário utilize o osciloscópio como voltímetro ajustando V/IV de acordo com a tensão. Preencha a Tabela 2. Repetir para S = -1.0V e -2.0V. Transfira os resultados da medição para o gráfico da Figura 4. 200Ω Figura 3 - Circuito de teste 2. Tabela 2 Curvas do reno S 0,0-1,0-2,0V V S I I I V ma ma ma * I 10nA V ma ma calculado atraves da Eq.(1) S(off) Verificamos que a equação é bastante precisa. O problema é que os parâmetros S(OFF) e I SS não são precisos, ou seja, variam mais de 100% entre um exemplar e outro. 3- Curvas do dreno I =f(v S ) Para levantar a curva I =f(v S ) a tensão V S deve ser ajustado desde 0V até 15V mantendo a tensão S constante. Na ausência de uma fonte ajustável é sugerido o diagrama esquemático da Figura 3. Para obtermos um gráfico de boa qualidade devemos concentrar as medições no cotovelo da curva e dispersar as medições na região ohmica e na região de corrente constante. UNIFEI / IESTI Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller www.elt09.unifei.edu.br 2
I S Figura 4 S (1V/IV), V S (2V/IV), I (1mA/IV) V S 4 - AMPLIFICAOR Amplificadores a FET apresentam ganho de tensão muito baixo se comparado com amplificadores a BJT, no entanto apresentam elevadíssima resistência de entrada. 100nF G R G 1M +15V R 2k BF245B S R S 1k F R L 2k Figura 5 Amplificador com auto-polarização. Para que o JFET possa operar como amplificador é necessário polarizar o transistor. entre as várias técnicas de polarização a auto polarização é a mais simples porém imprecisa pois depende de S(OFF) e I SS, dois parâmetros que variam muito entre um exemplar e outro. 4.1 - ANÁLISE C - PONTO E OPERAÇÃO Montar o circuito sem os capacitores e sem o Gerador de Funções. Medir e anotar os valores de V e V S. Conferir se =0V. Calcular I S =V S /R S I =(V CC -V )/R d V S =V - V S. esenhe a reta de carga C para R S =1KΩ na curva de transcondutância. Compare o ponto de operação obtido graficamente com o obtido experimentalmente. esenhar a Reta de Carga C e a Reta de Carga AC para R L =2KΩ conectado ao reno. UNIFEI / IESTI Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller www.elt09.unifei.edu.br 3
Tabela 3 Análise C R S 1kΩ 100Ω ELT 313 - Laboratório de Eletrônica Analógica I Laboratório N o 7 teórico medido teórico medido V V V S I S V S I V S Figura 7 Amplificador sem carga Conectar a carga R L =2kΩ no reno, medir o ganho de tensão e calcular a resistência de saída. Mudar a carga para Souce, medir o ganho de tensão e calcular a resistência de saída. EO R out = R L - 1 VO E = V para R = o o L Semelhante ao transistor bipolar, o reno se comporta como fonte de corrente e o Source se comporta como fonte de tensão Tabela 4 Análise AC R S =1kΩ, R =2kΩ, R L =2kΩ s/ R L c/ R L (S) c/ R L() pp V S pp A V(S) R out (S) Figura 6 Reta de carga 4.2 - ANÁLISE AC - AMPLIFICAOR RENO COMUM E FONTE COMUM. V pp A V() R out () Ligue o Gerador de Funções e ajuste em Seno, 2Vpp, 2kHz e observe o sinal do Source e depois o sinal do reno. Preencha a Tabela 4. Instale um capacitor eletrolítico de 10µF/25V em paralelo a Rs UNIFEI / IESTI Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller www.elt09.unifei.edu.br 4
V 5 - FONTE E CORRENTE A configuração apresentada na Figura 10 funciona como fonte de corrente. Uma vez que o transistor deve operar na região linear, V S >V P, a tensão na carga será limitada em aproximadamente e a corrente é dederminada por I SS, S(OFF) e R S V L < V CC V GS (OFF ) V S I R S =0 R S =100 R S =1k Figura 8 Amplificador sem carga Source desacoplado Compare este resultado com o ganho calculado teoricamente A = g.r V m I g m = S g =g g m mo mo 2.I = V V 1- V SS GS(off) GS GS(off) V L(MAX) R out Outra característica importante em uma fonte de corrente é a resistência shunt equivalente. Quanto maior for esta resistência menor será a variação da corrente I com o aumento da carga (com o aumento da tensão V). R o = V L/ I V L=10-0 V O "Current Regulator iode" CR100 da Siliconix por exemplo fornece corrente constante de 1mA± 10% para "burden" de até (VCC-1.35V), VCC<100V e impedância dinâmica de 0.8MΩ. O sinal de saída deve estar distorcido. Mude o comando do osciloscópio para X-Y. Você deverá estar observado uma curva semelhante à curva de transcondutância do FET com inclinação invertida. Ficará mais evidente se aumentarmos o sinal de entrada. O resistor Rs proporciona uma linearização do amplificador fonte comum devido à realimentação negativa. O preço pago por isso é uma redução no ganho. Figura 9 Vo x Vi Figura 10- Fonte de corrente Pra R L =0 (V L =0V), ajuste R S até obter I=1,0mA. Aumente R L e anote o valor de corrente conforme a Tabela 3. Transfira o resultado da medição para o gráfico da Figura 11. Repita a experiência para I=2,0mA. UNIFEI / IESTI Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller www.elt09.unifei.edu.br 5
R S 0 V L I L I L I L 0 1mA 2mA 2 4 6 8 10 Rout de dados da chave analógica G181 (N-FET) e G200A (CMOS) da Siliconix. Vi 100k 1M =-15/0 V Vi=10Vpp / 1kHz G Figura 12-Chave analógica 7 - RESISTÊNCIA VARIAVEL Vo BF245B S O circuito da Figura 13 é utilizado para controlar a amplitude do sinal de saída através de tensão. O JFET opera com resistência variável. Para que o transistor opere como resistência a tensão entre dreno e source não deve ultrapassar 100mV. Esta condição é garantida através do divisor resistivo de 100kΩ-10kΩ Quanto maior for a polarização reversa da junção maior será a resistência R S e como consequência maior será a amplitude do sinal de saída. Vi 100k Vo 4k7-15V 4k7 1M G BF245B S 10k Vi=1Vpp / 1kHz Figura 11: X=I L (0,5mA/IV); Y= V L (1V/IV) 6 - CHAVE ANALÓGICA Os FETs podem ser utilizados como chave analógica série ou paralela. A amplitude máxima do sinal analógico é limitada pela tensão aplicada no gate e pelo S(off) do JFET. No circuito da Figura 12, o JFET irá operar como chave fechada (tensão de saída será praticamente zero) para =0V. Um dos fatores de mérito das chaves analógicas é a amplitude do sinal analógico disponível em relação a tensão de alimentação C. Consulte a folha Fig. 14- Resistência variável. Esta propriedade de uma grandeza física ser controlada através de tensão é muito importante. Ela significa que podemos utilizar este elemento em um sistema de controle automático, ou seja, o FET pode ser utilizado em amplificador que permita o controle do ganho através de tensão (Controle Automático de Ganho). Itajubá, MG, julho de 2016 UNIFEI / IESTI Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller www.elt09.unifei.edu.br 6