Post on 21-Aug-2015
Eletrônica II
Transistores de Efeito de Campo
Introdução Os transistores bipolares são dispositivos controlados por corrente,
isto é, a corrente de coletor é controlada pela corrente de base.
No caso do FET (Field-Effect Transistor ou Transistor de Efeito de Campo) a corrente é controlada pela tensão ou pelo campo elétrico.
Vantagens do FET em relação ao transistor bipolar: altíssima impedância de entrada além de ser um dispositivo de baixo ruído.
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Aspectos Construtivos do JFET
O JFET é um dispositivo unipolar (o que significa apenas um tipo de portador, elétron ou lacuna, é responsável pela corrente controlada).
Fisicamente, podem ser encontrados dois tipos de JFET: JFET-Canal N e JFET Canal-P.
Simbologia:
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Terminais:
Fonte (source)
Dreno (drain)
Porta (gate): faz o controle da passagem dos elétrons.
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Construção do JFET
A figura acima mostra um JFET de canal N.
O aspecto construtivo mostrado na figura é utilizado apenas para fins didáticos.
Na prática, é extremamente complicado o processo de dopagem nos dois lados do substrato.
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Funcionamento do JFET
O objetivo é controlar a corrente iD que circula entre a fonte e o dreno. Isto pode ser feito aplicando-se uma tensão na porta.
Com o potencial de porta igual a zero (VG=0 ou VGS=0), aplicando-se uma tensão entre o dreno e a fonte (VD ou VDS), surge uma corrente iD, como indica a figura.
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Funcionamento A dopagem da região da porta é muito maior do
que a do canal, desta forma a região de depleção (região de carga espacial) será muito maior do lado do canal.
Parâmetros encontrados: IDSS - corrente máxima que o JFET pode produzir, na
qual ocorre o estrangulamento do canal quando VGS=0.
VPO – tensão máxima de saturação ou de estrangulamento (pinch-off).
VP – tensão na qual ocorre o corte do dispositivo.
BVDSS – tensão de ruptura do dispositivo para VGS = 0.
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Consideremos inicialmente VDS=0 e apliquemos uma tensão VGS com a polaridade indicada na figura e que polariza reversamente a junção PN.
Inicialmente o canal estará todo aberto e entre e dreno e fonte existirá um canal com uma determinada resistência.
Como a tensão aplicada na resistência é zero a corrente resultante será zero (ID=0).
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Funcionamento
Se a tensão de porta for aumentada, aumenta a polarização reversa o que faz a região de carga espacial avançar mais no canal até fechá-lo totalmente.
A tensão de porta que provoca o fechamento total do canal é chamada de tensão de pinçamento (pinch-off em inglês), VPO, sendo uma quantidade negativa no caso de canal N e positiva para o canal P.
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Funcionamento
Agora consideremos VGS=0 e apliquemos uma tensão entre dreno e fonte com a polaridade indicada na figura .
O que acontece com a corrente quando VDS varia?
Inicialmente com o VDS pequeno o canal praticamente não se altera e dentro de certos limites o dispositivo se comporta como uma resistência.
À medida que VDS aumenta, a corrente de dreno aumenta provocando uma queda de tensão ao longo do canal que faz com que o estreitamento não seja uniforme.
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Funcionamento
Na figura a corrente de dreno provoca entre o ponto A e a fonte uma tensão VA e entre o ponto B e a fonte uma tensão VB estando claro que VA>VB.
Estas tensões são aplicadas na junção de forma reversa e no ponto onde a tensão reversa é maior a região de carga espacial avança mais no canal,isto é, o estreitamento é maior próximo do dreno.
IDSS = corrente de curto circuito entre dreno e fonte ou drain-source shorted current e corresponde à corrente máxima de dreno que o JFET pode produzir.
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O estreitamento é máximo quando a tensão de dreno for igual à tensão de pinçamento em modulo.
Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, as regiões de carga espacial não se tocam, ao invés disso o estreitamento aumenta ao longo do canal conforme figura e a corrente de dreno se mantém aproximadamente constante em IDSS, isto é, o dispositivo passa a se comportar como uma fonte de corrente constante.
Na pratica existe um pequeno aumento em ID quando VDS aumenta além de VP.
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Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, eventualmente será atingida uma tensão que provocará a ruptura da junção, destruindo o dispositivo. Esta tensão é designada por BVDSS
Aumento da Camada de Depleção e Estreitamento do Canal
A partir de um certo valor de VDS ocorre o estrangulamento do canal (estreitamento máximo), fazendo com que a corrente iD permaneça praticamente constante.
Essa tensão é chamada de tensão de estrangulamento ou pinch off (VPO) e corresponde à tensão máxima de saturação do JFET.
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A corrente de dreno para VGS=0, no seu ponto máximo, é denominada corrente de curto circuito entre dreno e fonte ou drain-source shorted current (IDSS) e corresponde à corrente máxima de dreno que o JFET pode produzir.
Mostramos abaixo a curva característica de dreno.
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Curvas de Dreno Com uma pequena tensão entre dreno e fonte VDS, a região N
funciona como uma resistência e a corrente iD aumenta linearmente conforme VDS aumenta.
Conforme VDS aumenta, aparece uma tensão entre a fonte e a região de porta (VGS), polarizando reversamente essa junção.
Isso faz com que a camada de depleção aumente, estreitando o canal, o que aumenta a resistência na região N, fazendo com que diminua a taxa de crescimento de iD.gustavo.tai@hotmail.com 15
Aplicando-se entre porta e fonte uma tensão de polarização reversa (VGS1<0), haverá um aumento na camada de depleção, fazendo com que o estrangulamento do canal ocorra para valores menores de VDS e ID. O mesmo ocorre para outros valores negativos de VGS.
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Para cada valor de VGS, obtém-se uma curva característica de dreno, até que ele atinja a tensão de corte = VP, na qual iD é praticamente zero.
Para qualquer FET a tensão de corte VP é igual, em módulo, à tensão de estrangulamento do canal (VPO).
VP = VPO
A corrente através da porta (iG) é muito pequena e desprezível, garantindo uma altíssima impedância de entrada (ZE).
Essa resistência pode ser calculada através da tensão máxima VGS que causa o corte do JFET (com VDS=0) e da corrente de porta de corte IGSS
(gate-source shorted current). ZE = VGS(VDS=0)
IGSSgustavo.tai@hotmail.com 17
Exemplo: No JFET BF245, para –VGS = 20V, com VDS = 0, tem-se IGSS =
5nA. Calcule ZE.
Relembrando: ZE = VGS(VDS=0)
IGSS
ZE = 20 / 5x10-9 = 4GΩ
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Há uma grande semelhança entre as curvas do JFET e a curva característica de saída do transistor bipolar, tendo, inclusive, as mesmas regiões: corte, saturação, ativa e de ruptura.
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Parâmetros encontrados:
IDSS - corrente máxima que o JFET pode produzir, na qual ocorre o estrangulamento
do canal quando VGS=0.
VPO – tensão máxima de saturação ou de estrangulamento (pinch-off).
VP – tensão na qual ocorre o corte do dispositivo.
BVDSS – tensão de ruptura do dispositivo para VGS = 0.
Exemplo de Curvas de Dreno Se a tensão de porta foi fixada em VGS=0V, e a tensão de dreno for variada, o gráfico da corrente de dreno em função da tensão de dreno é obtido, IDxVDS, tendo VGS como parâmetro.
A figura mostra o circuito para obter as curvas características de dreno.
O gráfico no próximo slide mostra a curva de dreno do JFET quando VGS=0 e a tensão de dreno varia, para um JFET (2N4393) canal N com VP= - 2,81V.
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Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, eventualmente será atingida uma tensão, BVDSS para a qual a junção PN sofrerá ruptura.
Inicialmente com VDS=0 a corrente de dreno ID também é zero.
Com VDS aumentando e inicialmente bem menor do que VP o comportamento é de uma resistência, isto é, se a tensão de dreno dobrar de valor a corrente de dreno também dobra de valor.
Dizemos que a região de operação é chamada de região ôhmica ou saturação (o JFET se comporta como uma resistência controlada por VGS).
À medida que a tensão de dreno se aproxima da tensão de pinçamento (VPO) e o canal se aproxima do estreitamento máximo, a curva começa a se inclinar (resistência do dreno aumenta).
A corrente de dreno para VDS=VPO é denominada de IDSS, corrente na saturação.
Se a tensão de dreno aumentar além desse valor a variação da corrente de dreno fica constante em IDSS.
Por exemplo para o transistor 2N4393 IDSS=30mA.
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Exemplo de Curvas de Dreno
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Se agora for aplicada uma tensão, de porta de digamos VGS = -1V, e o procedimento é repetido, isto é, a tensão de dreno é variada a partir de zero, será obtida uma curva semelhante à anterior porém com um valor de corrente na saturação menor que IDSS.
O valor de VDS que provocará o pinçamento será menor, neste caso aproximadamente 1,8V.
De uma forma geral o valor de VDS que provoca o pinçamento é dado por:
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O conjunto de curvas para os diferentes valores de VGS é chamado de curvas características de dreno.
Curva de Transferência A curva de transferência ou de transcondutância mostra como iD varia em
função da tensão VGS aplicada à porta, conforme mostra a curva.
Esta curva é obtida para o maior valor de VDS indicado na curva de dreno.
Esta curva é um trecho de parábola que tem como equação:
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Alguns fabricantes não fornecem a curva de transferência. Com a equação anterior é possível obtê-la, esta equação é válida para qualquer JFET.
O JFET possui tolerâncias muito elevadas. Por isso os manuais fornecem as curvas típicas ou médias de
dreno e transferência, ou os valores máximos e mínimos para o par IDSS e VP.
Isso resultaria em duas parábolas, sendo uma para valores máximos e outra para valores mínimos.
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Exemplo de Curva Característica
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Com os dados mínimos e máximos de IDSS e VP e através da equação da curva de transferência, as duas parábolas podem ser traçadas, como mostradas a seguir:
Pontos da parábola mínima:
Para VGS = -0,3V ID = 0,32mA
Para VGS = -0,1V ID = 1,28mA
Pontos da parábola máxima:
Para VGS = -6V ID = 0,41mA
Para VGS = -3V ID = 2,54mA
Para VGS= -1V ID = 5mA
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1,28
As curvas características de transferência relacionam a saída, corrente de dreno (ID), com a entrada, tensão de porta (VGS).
Essas curvas são obtidas para um valor de VDS, por exemplo VDS=5V.
O gráfico de IDxVGS é chamado de curva característica de transferência, pois transfere os valores de entrada para a saída.
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Curva característica de Dreno
Curva Característica De Transferência
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O gráfico de IDxVGS é chamado de
curva característica
de transferência
, pois transfere os valores de
entrada para a saída.
A equação que relaciona corrente de dreno com tensão de porta é dada aproximadamente por:
onde IDSS é a corrente de dreno na saturação
para VGS=0 e VP a tensão de pinçamento.
Exemplo: Se VGS= -1V qual a corrente de dreno considerando o transistor 2N4393?
Como Vp= -2,81V e IDSS=36mA então:
Valor que pode ser obtido diretamente das curvas características.
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Polarização do JFET Polarizar um JFET é determinar o seu ponto quiescente ou de operação (IDQ,
VGSQ e VDSQ).
A potência dissipada pelo JFET polarizado é dada por:
PD = VDSQ . IDQ
Atenção na hora de polarizar um JFET: A tensão VDD deve ser menor que BDVSS;
A potência dissipada pelo JFET deve ser menor que PDmáx, dada pelo fabricante;
A configuração fonte (source) comum é a mais utilizada para o JFET. Assim os tipos de polarização estarão baseados nela.gustavo.tai@hotmail.com 33
Polarização com VGS Constante Impõe-se uma tensão VGSQ constante na porta através de VGG para obter a
corrente IDQ desejada.
Dessa forma a junção está polarizada reversamente, por isso, VGSQ = -VGG.
Assim o resistor RG é utilizado apenas para definir a impedância de entrada do circuito, não influenciando na polarização do JFET.
Para polarizar o transistor basta calcular RD.
Malha de saída:
RD.IDQ + VDSQ – VDD = 0
RD = (VDD – VDSQ) / IDQ
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Exemplo:A) Polarizar o JFET BF245A no seguinte ponto quiescente: IDQ = 1mA, VDSQ
= 15V e VGSQ = -1V.
RD = (VDD – VDSQ) / IDQ = (25 – 15) / 1x10-3
RD = 10 KΩ
B) Analisar as variações do ponto quiescente
em função das tolerâncias do transistor.
Traça-se a reta de VGS constante (VGSQ = -1V) sobre a curva de transferência deste transistor e tem-se:
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Reta com VGS constante (VGSQ = -1V) O ponto quiescente Q poderá se
localizar em qualquer posição entre Q1 e Q2.
A variação de IDQ vai de 0 a 5mA.
Este tipo de polarização apresenta dois inconvenientes:
1º) Necessita de duas fontes de alimentação;
2º) Seu ponto quiescente pode ter variações brutais com VGS constante.
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DATASHEET DO BF 245Localização dos Terminais
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DATASHEET DO BF 245
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DATASHEET DO BF 245
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CURVAS FORNECIDAS PELO DATASHEET DA PHILIPS
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CURVAS FORNECIDAS PELO DATASHEET DA PHILIPS
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Autopolarização Utiliza apenas uma fonte de alimentação, eliminando-se VGG.
Isto é feito utilizando-se um resistor RS em série com a fonte JFET, para gerar uma tensão reversa na junção porta-fonte.
O resistor RS produz uma realimentação negativa.
Se a corrente de dreno iD aumenta, a tensão sobre RS também aumenta.
Isto faz aumentar a tensão reversa porta-fonte (VGS) estreitando o canal, reduzindo novamente a corrente iD.
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Autopolarização Existem duas formas de determinar os valores dos resistores de polarização (RS e
RD): pela reta de carga traçada sobre as curvas de dreno e pela reta de autopolarização traçada sobre a curva de transferência.
É mais interessante utilizar a curva de transferência para definir a polarização, pois os manuais sempre fornecem pelo menos os parâmetros IDSS e VP que a definem.
Determinação da Reta de AutopolarizaçãoÉ traçada sobre a curva de transferência, podemos obtê-la da malha de
entrada.-VGS = RS.ID – RG.IG
IG é praticamente nula devido à alta impedância de entrada, tem-se: -VGS = RS.ID
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Um ponto da reta de autopolarização é a origem o outro deve encontrar a curva de transferência.
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Reta de Autopolarização
Análise das Tolerâncias do JFET
O ponto quiescente pode estar localizado em qualquer posição entre Q1 e Q2.
A variação possível de IDQ na autopolarização é menor que com VGS constante e este circuito é mais estável.
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Determinação dos Resistores de Polarização Da equação da reta de autopolarização, obtém-se:
RS = - VGSQ/ IDQ
Da malha de saída, obtém-se:
VDD = RD.IDQ + VDSQ + RS.IDQ
RD = (VDD- VDSQ + VGSQ) / IDQ
O valor de VDSQ é fixado por RD .
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Exemplo:Dada a curva de transferência do JFET BF245A (PDmáx = 300mW), determinar os valores de
RS e RD do circuito de autopolarização para IDQ = 1mA e VDSQ = 15V.
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Determinação da Reta de Autopolarização 1º Ponto: Q 2º Ponto: Origem
Do ponto Q da reta de autopolarização, obtém-se: VGSQ = -1V
Cálculo de RS e RD:
RS = -VGSQ / IDQ = -(-1) / 1x10-3 RS = 1KΩ
RD = (VDD – VDSQ + VGSQ) / IDQ = (25 – 15 – 1) /1x10-3 = 9KΩ
Potência dissipada pelo JFET (deve ser menor que PDmax):
PD = VDSQ.IDQ = 15. 1x10-3 = 15mW.gustavo.tai@hotmail.com 48
Polarizando o JFET Sem a Curva de Transferência Para isso utiliza-se os valores mínimos de IDSS e VP, fornecidos pelos manuais.
Os dois pontos (IDSS, -VP) e a origem definem a reta de autopolarização.
Com os parâmetros (IDSSmax, -VPmax) e (IDSSmín, -VPmín), calculam-se dois valores para o resistor RS, sendo um para a parábola máxima e outro para a mínima:
RSmax = -VPmax / IDSSmax RSmín = -VPmín / IDSSmín
Um valor intermediário entre RSmín e RSmax garante um ponto quiescente próximo ao da parábola correspondente à dos parâmetros típicos do JFET.
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Exemplo:Para o JFET BF245A, o manual do fabricante fornece os seguintes parâmetros:
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Polarização por Divisão de Tensão na Porta Este tipo de polarização é uma mistura dos dois processos anteriores.
A tensão VGG em RG2 e a tensão em RS, impõem VGS na porta do JFET, sendo que VGG deve ser menor que VRS para garantir polarização reversa entre porta e fonte.
Como a corrente iG é praticamente zero, VGG pode ser calculada por:
VGG = RG2 .VDD
RG1 + RG2 (divisor de tensão)
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Determinação da Reta de Autopolarização A tensão VGS fica definida pela diferença entre a tensão VRS e VGG:
-VGS = RS.ID – VGG
1º Ponto: para ID = 0 VGS = VGG
2º Ponto: para VGS = 0 ID = VGG / RS
Verifica-se que a reta é deslocada de zero para VGG na abscissa (eixo horizontal), diminuindo sua inclinação.
Em relação aos processos de polarização anteriores, este processo tem uma variação ainda menor de IDQ.
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Reta de Autopolarização e Variações do Ponto Q
Malha de entrada:
RS = (VGG – VGSQ) / IDQ
Malha de Saída
RD = VDD – VDSQ – RS
IDQ
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Exemplo: Determinar os valores de RG1, RG2, RS e RD do circuito de autopolarização do JFET
BF245A (PDmax = 300mW), para o ponto quiescente: IDQ = 1mA, VGSQ = -1V e VDSQ = 15V.
Como VGG deve ser menor que VGSQ, será utilizado: VGG = 0,5V.
Para encontrar RG1 e RG2 devemos arbitrar um
deles, neste caso RG2 = 10KΩ.
Relembrando:
VGG = __RG2___. VDD RS.IDQ – VGG + VGS = 0
RG1 + RG2 RD.IDQ + VDSQ + RS.IDQ – VDD =0
Resp: RG1= 490KΩ, RS = 1,5KΩ, RD = 8,5KΩ.
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IG
Chave Analógica Iremos polarizar o JFET para funcionar nas regiões de corte e saturação, como uma chave DC.
Quando VG < VP, o JFET encontra-se na região de corte, isto é ID =0 e VS ≡ 0. É como se ele funcionasse como uma chave aberta.
Quando VG = 0, para um valor adequado de R, a corrente ID pode levar o JFET a operar na região de saturação. É como se ele funcionasse como uma chave fechada, VS ≡ VDD.
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Na região de saturação, a curva de dreno tem uma inclinação que define a resistência entre dreno e fonte para sinais DC, denominada RDS(on), calculada por:
RDS(on) = VDS(sat) / IDSsat
RDS(on) pode variar entre unidades a centenas de Ohm.
Ao lado é mostrado o circuito equivalente para o JFET funcionando como chave DC.
Quando a chave está fechada, a tensão VDD divide-se entre RDS(on) e R.
Para minimizar o efeito de RDS(on) utiliza-se R>> RDS(on).
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Amplificador Fonte Comum A configuração fonte comum é a mais utilizada para o JFET, atuando como
amplificador de pequenos sinais (baixa potência) e baixa frequência.
Os capacitores C1 e C2 têm a finalidade de acoplar o sinal AC, respectivamente, do gerador de entrada à porta e do dreno à carga de saída.
O capacitor CS serve para desacoplar o sinal AC da fonte, desviando-o para o terra.
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Modelo Simplificado do JFET Este modelo é válido para valores de pico a pico de iD correspondentes a no
máximo 10% de IDQ e para frequências menores que a frequência de corte superior natural do JFET.
O parâmetro gfs é denominado condutância de transferência ou, simplesmente, transcondutância, e reflete o quanto a corrente de saída iD está sendo controlada pela tensão de entrada VGS.
Portanto, gfs pode ser obtida por:
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Modelo Simplificado do JFET Os manuais fornecem o valor máximo de gfs, simbolizado por gfso, isto
é, quando VGS=0, porém seu valor pode ser calculado por:
Mas, para a análise do amplificador, o que interessa é o gfs para o ponto quiescente do JFET. Este valor pode ser calculado em função de gfso e por uma das expressões abaixo:
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Modelo Simplificado do Amplificador O amplificador, para sinais AC pode ser representado pelo modelo do JFET
acrescido dos resistores de polarização vistos pelo gerador de entrada, mostrado abaixo.
Determinação dos principais parâmetros do amplificador:
Impedância de Entrada Total – ZET
Como ZE é muitíssimo alta, tem-se:
ZET = RG1 / / RG2
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Modelo Simplificado do AmplificadorImpedância de Saída Total vista pela Carga – ZST
ZST = RD
Ganho de Tensão Total sem Carga – A´vT
Ignorando a presença da carga RL, a tensão na saída é VL = -gfs.VGS.RD.
Dividindo-se a tensão de saída pela tensão de entrada, tem-se:
Circuito equivalente final:
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Exemplo:Para o amplificador a seguir, calcular
a tensão na carga e o ganho de tensão total AvT (considerando a carga). Dados: IDSS =8mA, VP= -2V, IDQ= 2mA, VGSQ= -1V.
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Exemplo:
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DATASHEET DO BF 245
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CURVAS FORNECIDAS PELO DATASHEET DA PHILIPS
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Exercícios JFET
Dados os principais parâmetros do JFET BF256C na tabela:
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1)Calcule os valores para desenhar as parábolas máxima e mínima e desenhe a curva de transferência do BF 256C com base nos valores máximos calculados.
2) Polarize o BF 256C com VGS constante para VDD = 25V, IDQ = 5mA e VDSQ = 10V.
3) Polarize o BF256C pelo processo de autopolarização para VDD = 25V, IDQ = 5mA, VDSQ = 10V e adote –VGSQ = 2,4V.
4)Polarize o BF256C pelo processo de divisor de tensão na porta para VDD = 25V, IDQ = 5mA, VDSQ = 10V, –VGSQ = 2,4V, VGG = 2V e adote RG2 = 1MΩ .
5)Implemente uma chave analógica que funcione de forma inversa à da apresentação apresentada, ou seja, VG = 0 → VS ≡ 0 e para VG < VP → VS ≡ VE.
Exercícios JFET1) Calcule os valores para desenhar as parábolas máxima e mínima e desenhe a curva de transferência do BF 256C com base nos valores máximos calculados.
Parábola mínima:Com VGS= -0,4V ID = 0,44mACom VGS= -0,3V ID = 1,76mACom VGS= -0,2V ID = 3,96mACom VGS= -0,1V ID = 7,04mA
Parábola máxima:Com VGS= -7V ID = 0,28mACom VGS= -5V ID = 2,53mACom VGS= -3V ID = 7,03mACom VGS= -1,5V ID = 11,88mACom VGS= -1V ID = 13,78mA
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Exercícios JFET2) Polarize o BF 256C com VGS constante para VDD = 25V, IDQ = 5mA e VDSQ = 10V.RD.IDQ + VDSQ – VDD = 0 RD = (VDD – VDSQ) / IDQ
RD = (25 -10) / 5m = 3KΩ
3) Polarize o BF256C pelo processo de autopolarização para VDD = 25V, IDQ= 5mA, VDSQ = 10V e adote –VGSQ = 2,4V.
Como IG≡0 (ZE muito alta) -VGS = RS.ID RD = (VDD - VDSQ + VGSQ) / IDQ
RS = 2,4 / 5m = 480Ω RD = (25 – 10 – 2,4) / 5m = 2,52KΩ
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Exercícios JFET4) Polarize o BF256C pelo processo de divisor de tensão na porta para VDD = 25V, IDQ = 5mA, VDSQ = 10V, –VGSQ = 2,4V, VGG = 2V e adote RG2 = 1MΩ.
VGG = __RG2___. VDD -VGS = RS.ID – VGG
RG1 + RG2 (divisor de tensão)
Da malha de saída temos: RD = VDD – VDSQ – RS
IDQ
RS = 4,4 / 5 = 880Ω RG1 = (25M – 2M) / 2 = 11,5MΩ
RD = [ (25 – 10) / 5m] - 880Ω = 2,12KΩ
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Exercícios JFET5) Implemente uma chave analógica que funcione de forma inversa à da
apresentada, ou seja, VG = 0 →VS ≡ 0 e para VG < VP → VS ≡ VE.
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