UNIDAD 3. TRANSISTOR UNIPOLAR.

3.1. Configuraciones de polarización.

Una diferencia entre el análisis de transistores BJT y FET es que: La variable de control de entrada para un transistor BJT es un nivel de corriente, en tanto que para el FET la variable de control es un voltaje.

En ambos casos, sin embargo, la variable controlada en el lado de salida es un nivel de corriente que también define los niveles de voltaje importantes del circuito de salida. Las relaciones generales que se pueden aplicar al análisis de cd de todos los amplificadores de FET son

(7.1)

(7.2)

La ecuación de Shockley se aplica a los JFET, a los MOSFET tipo empobrecimiento y a los MESFET para relacionar sus cantidades de entrada y salida:

(7.3)

Para los MOSFET tipo enriquecimiento y los MESFET, la siguiente ecuación es aplicable:

(7.4)

Es en particular muy importante darse cuenta que todas las cantidades anteriores son ¡sólo para el dispositivo! No cambian con cada configuración de red mientras el dispositivo se encuentre en la región activa. La red simplemente define el nivel de corriente y voltaje asociado con el punto de operación mediante su propio conjunto de ecuaciones. En realidad, la solución de cd de redes con BJT y FET es la solución de ecuaciones simultáneas establecidas por el dispositivo y la red. La solución se obtiene utilizando un método matemático o gráfico.

3.1.1. Fija.

La configuración de polarización más simple para el JFET de canal n aparece en la figura 7.1. Conocida como configuración de polarización fija, es una de las pocas configuraciones de FET de un modo directo tanto con un método matemático como con un gráfico.

La configuración de la figura 7.1 incluye niveles de Vi y Vo y los capacitores de acoplamiento (C1 y C2). Recuerde que los capacitores de acoplamiento son “circuitos abiertos” para el análisis de cd y bajas impedancias (en esencia cortocircuitos) para el análisis de ca. La presencia del resistor RG garantiza que Vi aparecerá a la entrada del amplificador de FET para el análisis de ca. Para el análisis de cd,

y

La caída de voltaje de cero volts a través de RG permite reemplazar RC con un equivalente de cortocircuito, como aparece en la red de la figura 7.2, específicamente dibujada de nuevo para el análisis de cd.

El hecho de que la terminal negativa de la batería esté conectada directamente al potencial positivo definido de VGS deja ver con claridad que la polaridad de VGS es directamente opuesta a la de VGG.

La aplicación de la ley de voltajes de Kirchhoff en el sentido de las manecillas del reloj de la malla indicada de la figura 7.2 da

(7.5)

Como VGG es una fuente de cd fija, la magnitud del voltaje VGS es fija, de ahí la designación de “configuración de polarización fija”. La ecuación de Shockley controla ahora el nivel resultante de la corriente de drenaje ID:

Como VGS es una cantidad fija para esta configuración, su magnitud y signo simplemente se sustituyen en la ecuación de Shockley para calcular el nivel de ID. Ésta es una de las pocas instancias en que la solución matemática de una configuración de FET es bastante directa.

Un análisis gráfico requeriría una gráfica de la ecuación de Shockley como se muestra en la figura 7.3. Recuerde que al seleccionar V GS=Vp /2 obtendrá una corriente de drenaje de IDSS /4 cuando grafique la ecuación. Para el análisis de este capítulo, los tres puntos definidos por IDSS, Vp y la intersección que acabamos de describir bastarán para trazar la curva.

En la figura 7.4, el nivel fijo de VGS se

superpuso como una línea vertical trazada por V GS=−V ¿. En cualquier punto de la línea vertical, el nivel de V GS es −V ¿: simplemente, el nivel de IDse determina en esta línea vertical. El punto donde las dos curvas se cortan es la solución común de la configuración, comúnmente conocido como punto de operación o quiescente. El subíndice Q se aplicará a la corriente de drenaje y al voltaje de la compuerta a la fuente para identificar sus niveles en el punto Q. Observe en la figura 7.4 que el nivel quiescente de ID se determina trazando una línea horizontal del punto Q al eje vertical ID. Es importante darse cuenta que una vez que se construya y opere la red de la figura 7.1, los niveles de ID y VGS que leerán los medidores de la figura 7.5 son los valores quiescentes definidos por la figura 7.4.

3.1.2. Autopolarización.

La configuración de autopolarización elimina la necesidad de dos fuentes de cd. El voltaje de control de la compuerta a la fuente ahora lo determina el voltaje a través de un resistor RS introducido en la rama de la fuente de la configuración como se muestra en la figura 7.8.

Para el análisis de cd, de nueva cuenta, los capacitores pueden ser reemplazados por “circuitos abiertos” y el resistor RG por un equivalente de cortocircuito, puesto

que IG=0. El resultado es la red de la figura 7.9 para el importante análisis de cd. La corriente a través de RS es la corriente I S a través de la fuente, pero I S=I D y

Para la malla indicada de la figura 7.9, vemos que

Observe en este caso que VGS es una función de la corriente de salida ID y no de magnitud fija como ocurrió para la configuración de polarización fija. La configuración de la red define la ecuación (7.10) y la ecuación de Shockley relaciona las cantidades de entrada y salida del dispositivo. Ambas ecuaciones relacionan las mismas dos variables, lo que permite o una solución matemática o una solución gráfica.

Se podría obtener una solución matemática con sólo sustituir la ecuación (7.10) en la ecuación de Shockley como sigue:

Al realizar el proceso de elevación al cuadrado indicado y reordenando los términos, obtenemos una ecuación de la siguiente forma:

Por consiguiente, la ecuación cuadrática se resuelve para obtener la solución apropiada para ID. La secuencia anterior define el método matemático. El método gráfico requiere que primero establezcamos las características de transferencia del dispositivo como se muestra en la figura 7.10

El segundo punto para la ecuación (7.10) requiere que se seleccione un nivel de VGS o ID y el nivel correspondiente de la otra cantidad se determine con la ecuación (7.10). Los niveles resultantes de ID e VGS definirán entonces otro punto sobre la línea recta y permitirán trazarla. Suponga, por ejemplo, que seleccionamos un nivel de ID igual a la mitad del nivel de saturación. Es decir,

El resultado es un segundo punto para la línea recta como se muestra en la figura 7.11. Entonces se traza la línea recta definida por la ecuación (7.10) y el punto quiescente se obtiene en la intersección de la gráfica de la línea recta y la curva característica del dispositivo. Los valores quiescentes de ID y VGS se determinan y utilizan para encontrar las demás cantidades de interés. El nivel de VDS se determina aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff al circuito de salida, con el resultado de que

3.4. Polarización de MOSFET.

MOSFET TIPO EMPOBRECIMIENTO

La semejanza entre las curvas de transferencia de los JFET y de los MOSFET tipo empobrecimiento permite analizarlos de la misma manera en el dominio de cd. La diferencia principal entre los dos es que los MOSFET tipo empobrecimiento permiten puntos de operación con valores positivos de VGS y niveles de ID mayores que IDSS. En realidad, para todas las configuraciones descritas hasta ahora, el análisis es el mismo si al JFET lo reemplaza un MOSFET tipo empobrecimiento. La única parte indefinida del análisis es cómo trazar la ecuación de Shockley para valores positivos de VGS. ¿Qué tan adentro de la región de valores positivos de VGS y de valor de ID mayores que IDSS tiene que extenderse la curva de transferencia? En la mayoría de las situaciones, este intervalo requerido quedará bien definido por los parámetros del MOSFET y la línea de polarización resultante de la red. Algunos ejemplos revelarán el efecto de los cambios del dispositivo en el análisis resultante.

MOSFET TIPO ENRIQUECIMIENTO

Las características de transferencia del MOSFET tipo enriquecimiento son bastante diferentes de las del JFET y de los MOSFET tipo empobrecimiento, que llevan a una solución gráfica bastante diferente de las de las secciones precedentes. Ante todo, recuerde que para el MOSFET tipo enriquecimiento de canal n, la corriente de drenaje es cero con niveles del voltaje de la compuerta a la fuente menores que el nivel de umbral VGS(Th), como se muestra en la figura 7.37. Para niveles de VGS mayores que VGS (Th), la corriente de drenaje se define como

Como las hojas de especificaciones en general dan el voltaje de umbral y un nivel de la corriente de drenaje (ID (encendido)) y su nivel correspondiente de VGS (encendido), se definen dos puntos de inmediato como se muestra en la figura 7.37. Para completar la curva, se debe determinar la constante k de la ecuación (7.33) en la hoja de especificaciones y luego sustituyendo en la ecuación (7.33) y resolviendo para k como sigue:

Con k definida, se pueden determinar otros niveles de ID con valores seleccionados de VGS. En general, un punto entre VGS(Th) y VGS(encendido) y uno apenas mayor que VGS(encendido) serán suficientes para trazar la ecuación (7.33) (observe y en la figura 7.37).

Configuración de polarización por realimentación

La configuración de la figura 7.38 es una configuración de polarización muy popular para los MOSFET tipo enriquecimiento. El resistor RG aporta un voltaje apropiadamente grande a la compuerta para “encender” el MOSFET. Como IG =0 mA y VRG = 0 V, la red equivalente aparece como se muestra en la figura 7.39.

Ahora existe una conexión directa entre el drenaje y la compuerta, y el resultado es

para el circuito de salida

la que se escribe como sigue después de sustituir en la ecuación (7.27):

(7.36)

El resultado es una ecuación que relaciona las mismas dos variables que la ecuación (7.33), el cual permite trazarlas en el mismo sistema de ejes. Como la ecuación (7.36) es la de una línea recta, se puede emplear el mismo procedimiento antes descrito para determinar los dos puntos que definirán la curva en la gráfica. Sustituyendo ID = 0 mA en la ecuación (7.36) se obtiene

(7.37)

Sustituyendo VGS = 0 V en la ecuación (7.36), tenemos

(7.38)

Las curvas definidas por las ecuaciones (7.33) y (7.36) aparecen en la figura 7.40 con el punto de operación resultante.