UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOAO DEL REI
Transistor de
Efeito de Campo
Trabalho de Eletrônica I
Taumar Morais Lara
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1 Introdução
A ...
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  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOAO DEL REI Transistor de Efeito de Campo Trabalho de Eletrônica I Taumar Morais Lara Engenharia Elétrica Eletrônica I Matrícula: 0809048-3 U N I V E R S I D A D E F E D E R A L D E S Ã O J O Ã O D E L R E I
  2. 2. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 2 Sumário 1 Introdução 3 1.1 FET – Transistor de Efeito de Campo 3 1.2 Características do FET 5 2 Principio de Funcionamento do FET 6 2.1.1 Operações Básicas 6 2.1.2 Controle de Porta do FET 11 2.2 Configurações do FET 14 2.3 Polarização e Reta de Carga 15 2.4 A curva de Transcondutância 17 2.5 A curva do Dreno 19 2.6 REGIÃO DE OPERAÇÃO 20 2.7 Especificações de um JFET 21 3 Funcionamento 21 4 Aplicações 23 4.1 Fonte de Corrente 23 4.2 Amplificadores 23 4.2.1 Amplificador de Fonte Comum 26 4.2.2 Amplificador com Realimentação Parcial 27 4.2.3 Amplificador Seguidor de Fonte 28 5 Exercícios Resolvidos 29 6 Referências Bibliográficas 32
  3. 3. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 3 1 Introdução A invenção do transistor foi um marco para a engenharia elétrica e eletrônica, assim como para toda humanidade. Com o desenvolvimento dos transistores foi possível a construção de equipamentos eletrônicos verdadeiramente portáteis funcionando apenas com pilhas ou baterias. Além disso, o reduzido volume destes componentes a possibilidade de associação para implementar funções analógicas ou digitais, das mais diversas, proporcionou um desenvolvimento sem igual na indústria de equipamentos eletroeletrônicos. Por tudo isso, o contato com estes dispositivos é essencial para o estudante de engenharia, além do que, a grande maioria dos circuitos eletrônicos emprega um ou milhares destes componentes. Os transistores bipolares se baseiam em dois tipos de cargas: lacunas e elétrons, e são utilizados amplamente em circuitos lineares. No entanto existem aplicações nos quais os transistores unipolares com a sua alta impedância de entrada são uma alternativa melhor. Uma importante classe de transistores de 3 terminais são os dispositivos de efeito de campo. Para estes, o parâmetro de controle é o campo elétrico através da junção, em oposição à corrente do BJT. Já que um campo elétrico está associado a uma tensão, a vantagem importante dos dispositivos de efeito de campo é que não precisa haver uma corrente no elemento de controle (a porta). Isso resulta em uma impedância de entrada bastante elevada, e uma corrente de fuga bastante baixa. Este tipo de transistor depende de um só tipo de carga, daí o nome unipolar. Há dois tipos básicos: os transistores de efeito de campo de junção (JFET - Junction Field Effect transistor), que será o objetivo deste trabalho e os transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET). 1.1 FET – Transistor de Efeito de Campo Primeira referência foi apresentada numa patente feita em 1930, por Julius Edgar Lilienfeld, um pesquisador ucraniano nascido em 1882 e que imigrou para os EUA na
  4. 4. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 4 década de 20 do século passado. Sua idéia era controlar a condutividade de um material, por um campo elétrico transversal; mas o sistema proposto por Lilenfeld não funcionaria na prática. O domínio de semicondutores e da física necessária para a construção dos FETs só apareceria no início dos anos cinqüenta do século passado. O FET é um desenvolvimento tecnológico posterior ao transistor de junção; mas é o elemento dominante, por suas características, em sistemas lógicos modernos. Da teoria dos dispositivos semicondutores que identifica lacunas, portadores minoritários e majoritários podemos entender o funcionamento do Transistor de Efeito de Campo. Existem a grosso modo, duas classes de FETs:  FET de junção, chamado de JFET  FET de contato, chamado de MOS-FET. Além do tipo portador (canal N ou P), existem diferenças em como o elemento de controle é construído (Junção vs Isolado), e esses dispositivos devem ser usados de formas diferentes. * (FETs e IGFETs de porta isolado são a mesma coisa que MOSFETs) O FET é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente acontece por apenas um tipo de portador (elétron ou lacuna), dependendo do tipo do FET, de canal n ou de canal p. O nome “efeito de campo” decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle. O Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção.
  5. 5. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 5 A figura 01 apresenta um JFET de canal n (existe também o JFET de canal p). Seu diagrama construtivo simplificado representa uma “barra” de silício semicondutor tipo n (semicondutor dopado com impurezas doadoras) e contendo incrustadas duas regiões tipo p. O JFET da figura 01 tem as seguintes partes constituintes:  FONTE: (source) fornece os elétrons livres  DRENO: (drain) drena os elétrons,  PORTA: (gate) controla a largura do canal, controlando o fluxo dos elétrons entre a fonte e o dreno. As regiões p da porta são interligadas eletricamente. Ainda observando a figura 01, a seta apontando para dentro representa uma junção pn de um diodo. O JFET de canal p tem as mesmas partes constituintes de um JFET de canal n, porém seu símbolo apresenta a seta em sentido contrário, e as correntes e tensões são consideradas invertidas em relação ao JFET de canal n. 1.2 Características do FET  Controle por Tensão: a corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela tensão aplicada na porta, em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de coletor é controlada pela corrente de base.
  6. 6. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 6  Alta Impedância de Entrada: para que seja possível o controle de corrente do canal n é necessário que se produza uma polarização reversa das junções da porta, provocando desta forma um aumento na região de depleção destas junções e em decorrência disto um estreitamento do canal; com isto, têm-se baixas correntes de porta, e conseqüentemente, alta impedância.  Curvas Características: o comportamento do JFET pode ser sumarizado por suas curvas de dreno e de transcondutância.  Outras Características: os transistores JFET apresentam menores ganhos em relação aos transistores BJT e em decorrência disto têm maior estabilidade térmica; geometricamente, os JFET têm dimensões menores quando comparados com os transistores BJT. 2 Principio de Funcionamento do FET Assim como ocorre com os BJTs, há sempre dois tipos de transistores, npn e pnp. A diferença está no portador majoritário (elétrons ou lacunas). Já que os FETs são controlados por variações no campo elétrico através da junção, é possível construir um capacitor no elemento de controle a, dessa forma, reduzir ainda mais a corrente de fuga. O óxido de metal de um MOSFET forma o capacitor na entrada do elemento de controle (a porta). 2.1.1 Operações Básicas Passo 1: O processo mais simples para se obter um JFET começa com Si dopado por N. Onde temos: fonte – terminal no qual a corrente de portador é injetada (tipo n; portadores e-)
  7. 7. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 7 Nesse nível, o dispositivo é simplesmente um resistor. Portanto, a corrente flui através do canal em proporção à tensão do dreno/fonte. A ação básica de um JFET pode ser compreendida considerando-se um canal de condução. Comece com silício dopado por n e adicione dois terminais em cada extremidade. O dispositivo agora é um resistor, cuja resistência é fornecida pelo nível de dopagem. Os três terminais do JFET são denominados fonte, dreno e porta. A fonte é análoga ao emissor do BJT. A fonte é a fonte dos portadores majoritários. Portanto, em um material de tipo n, os portadores são elétrons, e a fonte é, assim, a fonte de elétrons. O dreno é análogo ao coletor do BJT e, portanto, a corrente dos portadores majoritários flui a partir da fonte para o dreno. Mais uma vez, em materiais do tipo n, os portadores são elétrons e a corrente convencional flui na direção oposta. Passo 2: Adicione uma estrutura de porta para formar um canal. As duas regiões da porta são, na verdade, conectadas para definir um canal para a corrente do portador. O controle da corrente do FET (resistência) é atingido mudando- se o tamanho das zonas de depleção que circundam as portas. As portas são duas regiões de um material do tipo p que são dispostas para criar um canal para condução da fonte para o dreno. As duas regiões de porta são, quase sempre, conectadas para que o usuário veja apenas a conexão da porta. Observe que o dispositivo acima é um JFET npn, já que a fonte é do tipo n, a porta é do tipo p e o dreno é do tipo n.
  8. 8. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 8 Passo 3: Ao redor de cada porta há uma zona de depleção, como em qualquer junção PN. A zona de depleção reduz o tamanho efetivo do canal dopado por N e, dessa forma aumenta a resistência aparente do canal. Modulando-se o dreno para potencial de porta, o campo elétrico na zona de depleção entre a porta e o dreno varia e, conseqüentemente, o tamanho da zona de depleção varia. Assim como ocorre com todas as junções PN, há uma zona de depleção ao redor da porta. Essa zona de depleção obviamente reduz a área transversal do canal do tipo n que está disponível para condução elétrica. A ação do JFET é regida variando- se a porta para potencial de dreno e, dessa forma, modificando-se o tamanho da zona de depleção. Passo 4: Aqui, a tensão de dreno para fonte, VDS, é igual à tensão dreno para porta. À medida que VDS aumenta, as zonas de depleção se movem juntas; e a resistência de fonte aumenta. Um exemplo simples é conectar à terra a tensão da porta para a fonte, de forma que a tensão do dreno para a porta seja igual à tensão do dreno para a fonte.
  9. 9. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 9 À medida que a tensão do dreno para a porta aumenta, a zona de depleção aumenta e, dessa forma, a condução do canal diminui. Para pequenas tensões, a resistência aumenta com a tensão, e isso é descrito como a região ôhmica. Acima da tensão obstruída o canal é saturado, e a resistência se torna constante. A tensão obstruída pode ser descrita como a tensão na qual as zonas de depleção das duas portas se encontram. Passo 5: Defina uma resistência aparente através do FET, a resistência de canal RC. Iremos caracterizar o dispositivo pela resistência efetiva da junção. Agora, obviamente, a medida típica para caracterizar um transistor é medir a corrente de dreno como uma função da tensão dreno-fonte para um conjunto de correntes (ou tensões) aplicadas à porta. Lembre-se de que é exatamente assim que executamos os testes com o BJT. Depois que medirmos a corrente de dreno como uma função da tensão dreno-fonte, temos as informações para calcular uma resistência CC efetiva para esse ponto de operação.
  10. 10. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 10 À medida que VDS aumenta, a zona de depleção cresce, e a resistência efetiva diminui lentamente.  À medida que VDS = VP (a tensão obstruída), as duas zonas de depleção se encontram, nenhuma corrente adicional pode fluir, e a resistência aumenta rapidamente com VDS.  Em VBR, há uma “avalanche dreno-para-porta”, que iremos descrever mais adiante. À esquerda encontra-se a corrente de dreno Vs a tensão de dreno para fonte para uma porta ligada a terra. A região de tensão zero para a tensão obstruída é a região ôhmica, a região plana é a área de saturação e, em tensões mais altas, há uma região de ruptura, onde a condução do canal aumenta rapidamente. Muitos dispositivos serão destruídos se operados nessa região de ruptura, embora (assim como com os diodos zeners) existam dispositivos que são projetados para funcionar nessa região de avalanche. O gráfico à direita mostra a resistência correspondente. Na região ôhmica, a resistência aumenta apenas lentamente e, em seguida, na região de saturação, a resistência aumenta mais rapidamente. É importante observar que a corrente de dreno do JFET é independente da tensão dreno-fonte na região de saturação. Como iremos ver brevemente, nessa região a corrente de dreno permanece muito sensível ao potencial dreno-porta. Portanto, se quisermos obter controle via porta, normalmente iremos projetar o dispositivo para operar na região de saturação.
  11. 11. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 11 Se, contudo, estivermos buscando controle baseado na tensão do dreno, então o dispositivo será posicionado na região ôhmica. 2.1.2 Controle de Porta do FET O tamanho da zona de depleção pode ser aumentado por polarização reversa da junção PN na porta, portanto a polarização da porta controla ID, e, já que a porta tem polarização reversa, essencialmente não há corrente da porta. Aqui, mostramos a variação da curva IV como uma função da tensão da porta. Lembre-se de que, na obstrução, as zonas de depleção das duas portas se encontraram, e, portanto, à medida que a tensão da porta muda, esse de operação, se move. É mais comum polarizar a porta de forma reversa (como mostrado no circuito), aumentando assim o campo ao longo da função PN e, de forma correspondente, aumentando o tamanho da zona de depleção para uma tensão constante de dreno- fonte. Podemos então identificar dois tipos de comportamento do transistor: a) O transistor se comportando como uma resistência variável controlada por tensão. O JFET opera deste modo na região A da figura 2, a seguir.
  12. 12. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 12 Notamos que ID varia diretamente proporcional a VDS, como se fosse uma resistência. Entretanto, essa variação, ou resistência, será maior ou menor, dependendo do valor de VGS, daí a denominação de “Resistência Variável Controlada por tensão”, que é a tensão VGS. RD = ∆VD /∆ID ... (resistência dinâmica), para VGS = cte. RD= VD /ID ... (resistência estática - no ponto), para VGS= cte. Na região B da fig. 02, a corrente ID não aumenta mais, apesar do aumento de VDS. O terminal positivo da fonte de tensão VDD é ligado ao dreno e o negativo à fonte. O negativo da fonte de tensão VGG é conectado ao gate e o positivo à fonte. estrangulamento A curva característica de um FET é determinada pela medida da corrente no dreno (ID) em função da tensão aplicada entre dreno e fonte (VDS), para uma tensão entre gate e fonte nula (VDS=0[V]).
  13. 13. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 13 O FET apresenta uma região inicial de polarização das junções, seguida de um patamar estável ou de saturação e a região de ruptura. Parâmetros importantes na modelagem de um FET observados sob essas condições: - IDSS : corrente de saturação, Ids com G em curto (valor máximo que o JFET pode gerar = limite) - VGS : tensão entre gate e fonte (quanto maior, menor é a Id)  Vgscorte = -Vp - VP : tensão de constrição ou de “pinch off” É a tensão associada ao "estreitamento" do canal de condução, localizada no "joelho" da curva. (Vp é um valor de Vds para nivelar Id com Vgs=0V) Polarização básica ID aumenta até que VDS=VP  resistência do canal varia muito pouco, dado que a região de depleção é pouco extensa para produzir um efeito significativo: zona ôhmica Nesta região VDS e ID estão relacionadas pela lei de Ohm: Idss Vp Rds  No intervalo em que ID é praticamente constante, a zona de depleção alarga-se, aumentado a resistência, o que anula o efeito do aumento de VDS.
  14. 14. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 14 2.2 Configurações do FET A exemplo dos transistores bipolares, são três as configurações básicas para os transistores unipolares, como mostra a figura abaixo: As equivalências são as seguintes: Fonte comum = emissor comum Porta comum = base comum Dreno comum = coletor comum A configuração dreno comum também é denominada seguidor de fonte. POLARIZAÇÃO CONVENCIONAL: A figura abaixo mostra um FET de canal n polarizado de forma convencional. É importante verificar a polaridade das baterias VGG e VDD . Quando o FET é de canal n a tensão de dreno é positiva. O FET também pode ser usado como amplificador de sinal, desde que adequadamente polarizado. A grande vantagem na utilização do mesmo está na sua impedância muito elevada de entrada e sua quase total imunidade a ruídos. O FET possui uma impedância de entrada extremamente alta, da ordem de 100M ou mais. Por ser praticamente imune a ruídos é muito utilizado para estágios de entrada de
  15. 15. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 15 amplificadores de baixo nível, mais especificamente em estágios de entrada de receptores FM de alta fidelidade. A figura abaixo mostra um amplificador convencional: Trata-se de um amplificador com autopolarização, pois possui uma única fonte de alimentação e um resistor RS para se obter a tensão de polarização gate-source. A presença do resistor RS resulta em uma tensão devido a queda de tensão IDRS, provocando uma queda de tensão em RS. Como a tensão no gate é zero, pois não há corrente DC no gate ou no resistor RG, a tensão entre gate e source é uma tensão negativa, que constitui a tensão de polarização VGS. Assim teremos: VGS = 0 - IDRS = - IDRS 2.3 Polarização e Reta de Carga Para um JFET funcionar corretamente devemos ter uma polarização reversa entre a PORTA e FONTE. Na fig. 03 temos um JFET canal N polarizado, ou seja, com resistores ligados aos terminais para limitar tensões e correntes adequadamente, como vimos na polarização dos transistores Bipolares (NPN e PNP). Na figura 03, a seguir, temos um tipo de polarização chamada de “auto polarização”, pois a tensão VGS aparece devido à corrente ID sobre RS, o que resulta em VRS. Esta tensão se distribui entre RG e a junção reversa, que, como tal, possui uma alta resistência. Logo, temos VRG e VGS que somadas perfazem VRS.
  16. 16. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 16 Como a junção da porta está reversamente polarizada, tem-se que IG é muito pequena (da ordem de nA ou pA). Portanto, VRS é de valor desprezível em relação à VRS. Logo: VRS = VGS e, portanto: VGS = RS.ID. A fim de polarizarmos um JFET devemos saber a função do estágio, isto é, se o mesmo irá funcionar como um “resistor controlado por tensão” ou como um amplificador. Como amplificador irmos trabalhar na região B da fig. 02, ou seja, à direita da linha de VP e à esquerda da região de VDS de ruptura. A figura 6, a seguir, apresenta o circuito de polarização de um transistor JFET de canal n. Observa-se que para que seja possível o controle da corrente de dreno são necessárias as seguintes condições: VDD > 0 ou VGG < 0 O fluxo de elétrons da fonte para o dreno depende da largura do canal, isto é, polarização reversa na porta causa aumento das regiões de depleção, diminuindo a largura do canal e dificultando desta forma a passagem da corrente entre o dreno e a
  17. 17. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 17 fonte (é uma região de íons, formada pela difusão pela junção). Desta forma temos as seguintes condições: a) LARGURA DO CANAL: depende da tensão VGG, isto é, quanto mais negativa, maior será a região de depleção e portanto, mais estreito o canal. b) TENSÃO DE CORTE (VGS): é a tensão suficiente para desaparecer o canal (VGScorte) também conhecida como Tensão de Deslocamente (pinch-off). c) CORRENTE DE FUGA DA PORTA: Como a junção da porta opera em polarização reversa, tem-se uma corrente baixa; desta forma, a CORRENTE DE DRENO é igual à CORRENTE DA FONTE (ID). Esta é a causa da alta impedância de entrada dos JFET. OBS: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (VGS) não consome corrente e a largura do canal depende de VGS, o controle de ID é efetivamente feito pela tensão da porta. 2.4 A curva de Transcondutância A curva de transcondutância relaciona a corrente de saída com a tensão de entrada de um JFET. Através da Equação de Schokley relaciona-se a corrente ID com a tensão VGS, segundo uma relação quadrática: Como o JFET apresenta uma relação quadrática entre a corrente de dreno- fonte e a tensão de controle VGS, diz-se que este dispositivo é um dispositivo de Lei Quadrática. VGS.
  18. 18. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 18 Na região ôhmica, o JFET apresenta a seguinte relação para a sua resistência de canal: Idmax=KV2 onde K é uma constante especificada pelo fabricante. O FET tem dois modos principais de operação: 1. Baixas tensões Vds, onde Vds/Ids é constante e denominado Rds. Neste modo, usa-se o FET como um atenuador, ou como um resistor variável. 2. Altas tensões Vds, começando em Vp (também chamado de Vgs (off)), onde Id permanece quase constante enquando Vds é aumentado. Neste modo, usa-se o FET como amplificador ou como fonte de corrente. 3. A figura a seguir mostra o gráfico de transferência da corrente de dreno ID em função da tensão gate-source (VGS), para um valor constante de VDS. No gráfico acima, observa-se a característica de transferência quando VGS = 0, ID = 0, VGS = Vp . A figura abaixo nos mostra que quando ocorre o estrangulamento, este estrangulamento se verifica com valores menores de VDS e quando mais negativa for à tensão VGS. Esta curva recebe o nome de curva de dreno.
  19. 19. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 19 Normalmente o FET é polarizado para operar após o estrangulamento na região de saturação da corrente, onde nesta região o dispositivo tem sua operação definida mais facilmente pela equação de Schockley. 2.5 A curva do Dreno Curva Característica de Dreno A curva do Dreno é análoga à característica de coletor do transistor bipolar, e semelhante à característica de placa e uma válvula pentodo. Descreve o comportamento nas três regiões de operação, para diversos valores de Vgs.
  20. 20. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 20 A curva abaixo mostra que aumentando VGS (mais negativa para um FET de canal n), a corrente de saturação será menor, e desta forma, o gate atua como controle. Nestas condições, ID diminui a medida que VGS fica mais negativa (observe o ponto de saturação com -2V). Tornando VGS mais negativa, haverá um momento em que não haverá mais ID, independentemente do valor de VDS. Essa tensão denomina-se tensão de estrangulamento gate-source representada por VGS(OFF) ou Vp . A figura abaixo mostra a curva para um FET de canal p. A única diferença é a polaridade de VGS que neste caso é positiva. 2.6 REGIÃO DE OPERAÇÃO Na região ativa, a corrente de dreno é controlada pela tensão Vgs, e quase não varia com tensão Vds (compartimento de fonte de corrente controlada). Nesta o JFET pode funcionar como multiplicador de fonte-de-corrente. O JFET está nesta região quando Vds > Vescorte nas curvas características é a parte horizontal da curva para uma certa Vgs (toda a área fora de saturação, hachurada, e entre as curvas Vgs1 e Vgs6). A saturação ocorre quando Vds < Vgscorte. Aqui a corrente ID depende tanto de Vgs como Vds (comportamento de resistor controlado). Nas curvas características de dreno, é a reta inclinada que une cada curva a origem do gráfico. Repare que as inclinação,
  21. 21. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 21 relacionada à resistência do canal, é diferente em cada uma das curvas (valores de Vgs). Nesta região, o JFET atua como resistor controlado por tensão, ou chave, conforme a aplicação. 2.7 Especificações de um JFET região ôhmica – JFET atua como um resistor variável. região de saturação – JFET é independente da tensão de fonte-dreno, mas fortemente dependente da tensão da porta. VOFF,GS = tensão de corte, tensão porta fonte, onde JFET atua como um circuito aberto. BVDS = tensão dreno-fonte, que leva a uma ruptura de corrente do canal JFET. IDS = corrente de dreno para polarização de porta zero. 3 Funcionamento Consideremos o FET canal n conforme mostra a figura abaixo, para VGS = 0. a) VDD normal b) Aumento de VDD
  22. 22. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 22 A medida que a tensão VDD aumenta, aumenta a polarização inversa e a corrente de dreno circula através do canal, produzindo uma queda de tensão ao longo do canal, que é mais positiva no terminal drain (dreno), produzindo a região de depleção. Conforme a tensão VDD aumenta, a corrente ID também aumenta, resultando em uma região de depleção maior. O aumento da região de depleção provoca um aumento da resistência entre drain e source. O aumento da região de depleção pode ser feito até que todo o canal seja abrangido (veja fig. b). A partir daí, qualquer aumento de VDD resultará apenas em aumento da tensão nos terminais da região de depleção e a corrente ID permanece constante. A curva a seguir mostra que o aumento de ID ocorre até que toda a região de depleção esteja totalmente formada, após o que, a corrente de dreno satura e permanece constante para qualquer aumento de VDD. IDSS é um parâmetro importante usado para especificar a operação de um FET,que significa corrente de drain para source com gate-source em curto (VGS = 0)
  23. 23. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 23 4 Aplicações 4.1 Fonte de Corrente O valor de RS e a curva do JFET determinam a corrente ID. O circuito opera o JFET fica na região ativa, ou seja, Vds> Vgscorte, isso impõe limite ao valor de RL. O circuito é usado em polarização, sendo freqüência dentro dos amplificadores operacionais e outros CI's analógicos. 4.2 Amplificadores Na operação como amplificadores, usamos o conceito da Transcondutância, que define o ganho dos FET's. A Transcondutância, gm é a relação entre a variação na corrente Id e a variação em Vgs que a provoca. Assim, gm é a inclinação da curva de transcondutância para cada pequena variação de VGS. Ou em outras palavras, é uma medida de como a tensão de entrada controla efetivamente a corrente de saída. A unidade é o mho, (razão entre a corrente e a tensão - 1/Ohm). O equivalente formal é o Siemens. A Figura a seguir mostra o circuito equivalente ca simples para um JFET válida para baixas freqüências. Há uma resistência RGS muito alta entre a porta e a fonte. Esse
  24. 24. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 24 valor está na faixa de centenas de MΩ. O dreno do JFET funciona como uma fonte de corrente com um valor de gm VGS. A equação abaixo mostra como obter VGS(Off) a partir da corrente máxima de dreno e da transcondutância para VGS= 0V (gmo). o valor de gm para um dado VGS. Nos FET, a Transcondutância é maior para tensão Vgs de polarização menor e corrente ID maior. (Assim o ganho é determinado pela polarização, como nos bipolares e válvulas), e o tipo de FET. a) Polarização: A corrente de dreno de JFET segue a relação quadrática.
  25. 25. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 25 Os valores de IDSS e Vgscorte variam conforme o tipo e o exemplar, dentro de limites amplos. Uma polarização somente pode ser feita através de ajuste de trimpot, ou através de uma fonte de corrente com bipolar. O tipo mais comum é a auto polarização. Obs.: Nos amplificadores dreno comum Rd não é usado. Ele não altera a corrente de dreno. A corrente circula em Rs, surgindo uma queda de tensão nele. A porta está aterrada através de Rg, e então a tensão em Rs aparece entre S e G, polarizando o JFET com uma tensão reversa, que se opõe à corrente de dreno (Suplidouro), regulando-a através de realimentação negativa. A corrente então fica dada pelas características do FET e o valor de Rs. Também se usa polarização por divisão de tensão, semelhante à usada com transistor bipolar, mas menos exata (pouco melhor que a auto polarização). b) Supridouro comum: É a mais usada, pois oferece ganho de tensão. O sinal de entrada é aplicado entre a porta e o Supridouro, e a saída colhida no dreno. A fase é invertida. A impedância de entrada é muito grande, já que a junção porta-supridouro está polarizada reversamente, circulando apenas uma desprezível corrente de fuga. c) Na prática, a impedância é dada pelo resistor RE de polarização. Já a de saída é um pouco menor que RD. O ganho de tensão é dado por: G= - Gm RD
  26. 26. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 26 Seu valor na prática fica entre 3 e 30 vezes, em geral (bem menor que no bipolar). É comum na entrada de instrumentos de medição, e dentro de C.I. analógicos, pela alta impedância. Obs: Cent. pode ser omitido, em algumas aplicações. Nos amplificadores com acoplamento direto, todos os capacitores são dispensados, mas o ganho diminui. 4.2.1 Amplificador de Fonte Comum Na Figura abaixo temos um amplificador fonte comum. Ele é similar a um amplificador emissor comum. As regras aplicadas para a análise são as mesmas
  27. 27. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 27 O equivalente ca para a análise do ganho. O resistor de carga está em paralelo com a resistência de dreno. Simplificando: Quando a corrente de saída gm vent flui através de rd ela produz uma tensão de saída dividindo ambos os lados por Vent.: finalmente o ganho de tensão ca para fonte comum notar a semelhança com a do amplificador em emissor comum 4.2.2 Amplificador com Realimentação Parcial A seguir temos um amplificador com realimentação parcial
  28. 28. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 28 O ganho por analogia com o transistor bipolar, considerando r’e = 1/ gm, é: 4.2.3 Amplificador Seguidor de Fonte A Figura a seguir mostra um seguidor de fonte Novamente por analogia:
  29. 29. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 29 5 Exercícios Resolvidos 1 - Encontre a corrente ID , no circuito abaixo. Dados: IDSS=8mA e VGS,OFF=-4V. Ω onde resolvendo encontramos uma equação com soluções: VGS = -2V e -8V. Configuramos as duas equações de forma igual e terminamos com uma equação quadrática para a corrente de dreno. Já que o JFET desliga a –4V, a solução de –8V não é física, e escolhemos a solução de –2V, fornecendo uma corrente de dreno de 2mA. Então: VGS = -2V, logo, ID = 2 mA. 2 - Determinar a corrente de dreno de em FET canal n com tensão de estrangulamento = - 3V e corrente de saturação drain-source (IDSS) de 10mA para as seguintes tensões VGS: a) 0V b) - 1,4V c) - 1,8V Solução: Basta Aplicar a Equação de Schockley; Substituindo;
  30. 30. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 30 a) ID = 10mA[1 - (0/-3)] 2 = 10mA b) ID = 10mA[1 - (-1,4/-3)] 2 = 2,84mA c) ID = 10mA[1 - (-1,8/-3)] 2 = 1,6mA 3 - Calcular a transcondutância (gm) de um FET com as especificações: IDSS = 15mA e VGS(OFF) = -3V, nos seguintes pontos de polarização: a) VGS = 0 b) VGS = -1,2V c) VGS = -1,7V Solução: Aplicando-se a equação temos: gmo = 2(15mA) / -3V = 30 x 10 -3 / 3 = 10mS ou 10.000S a) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1- (0 / -3)] = 10mS ou 10.000S b) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1 - (-1,2 / -3)] = 6mS ou 6.000S c) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1 - (-1,7 / -3)] = 4,33mS ou 4.330S
  31. 31. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 31 4 Determine: A) VDS B) VD C) VS B) VD=VDD-IDRD VD=20V-(6,9mA)*(1,8k) VD=20-12,42V VD=7,58V C) VDS=VD-VS VS=VD-VDS VS=7,58V-7,23V VS=0,35V A) Aplicando a LKT ao circuito de saída da deste exercício temos; -VSS+ISRS+VDS+IDRD-VDD=0 Substituindo IS = ID e rearranjando os termos temos; VDS = VDD+VSS-ID(RD+RS) Substituindo os valores temos para VDD: VDS= 20V+10V-(6,9mA)*(1,8k+1,5K) = VDS=30V-22,77V VDS=7,23V
  32. 32. TRABALHO ELETRÔNICA I - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO - FET Taumar Morais – Trabalho Eletrônica I Página 32 5 Determine as seguintes grandezas para o circuito abaixo; a) VGS b) VG c) VDS a) VGS= -ID*RS ID= 4mA. VGS= -(4mA)*1kΩ VGS=-4V b) VG=0 c) VDS=VDD – ID*(RS + RD) 20V – (2,6mA)*(1k+3Ω,3KΩ) VDS=8,82V 6 Referências Bibliográficas 1 Boylestad e Nashelsky. Dispositivos Eletronicos e Teoria de Circuitos, 8ª ed. Prentice Hall, 2004 2 Nicolet, Aparecido, Anotações Eletrônica, Departamento de Eletrônica, USP PUC-SP. 3 Malvino, Albert Paul. Eletrônica Vol. I, 4º ed. São Paulo, Makron Books, 1997. 4 Sedra, Smith, Microeletrônica, 4ª Ed. Person Books 2005 5 Kosov,I.L -BERTOLI, Roberto Angelo. Eletrônica. Departamento de Eletro- Eletrônica. Colégio Técnico de Campinas – UNICAMP. 6 UNICID, Apostila Eletrônica II , Departamento de Eng. Elétrica, Unicid, 2007;

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