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Documento que detalla la práctica número 6 del Laboratorio de Electrónica Análoga II de la carrera de Ingeniería Electrónica. La práctica se enfoca en la comprensión de la impedancia de entrada de amplificadores operacionales mediante el uso de JFET y MOSFET. El documento incluye teoría básica, procedimiento para la práctica y seguridad.
Tipo: Apuntes
Subido el 15/09/2021
4 documentos
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El estudiante debe llegar al laboratorio con un pre informe escrito a mano alzada que contenga las explicaciones teóricas de los criterios de diseño vistos en clase y un diseño con características escogidas por el profesor del laboratorio. Los criterios teóricos deben ser:
Deducción de la curva de transconductancia de un JFET Deducción de la curva de transconductancia de un MOSFET Explicación del concepto de control automático de ganancia Explicación del concepto de obtención de frecuencias suma y frecuencias diferencia usando el comportamiento cuadradtico(parabólico) de los JFET y los MOSFET
Características del diseño sugeridas para los profesores:
Con base en el transistor JFET de referencia K44, obtener su curva de transconductancia. Use 𝐼𝐷𝑆𝑆 = 10𝑚𝐴 y recuerde que su 𝑉𝐺𝑆(𝑎𝑝𝑎𝑔) = −3.5𝑉.
Con base en el transistor MOSFET de referencia 2N4351,o un IRF540 obtener su curva de transconductancia.
Los nuevos dispositivos electrónicos no surgen porque algún ingeniero iluminado los invente teniendo la visión de sus posibles aplicaciones. Los nuevos dispositivos se van inventando por necesidad de solucionar algunos problemas. El JFET se inventa para buscar mayor impedancia de entrada en los amplificadores (esto significa gastar la mínima energía en su control). En la Figura 87 se puede apreciar lo sencillo del diseño del dispositivo JFET. Se tiene un “ladrillo” de material N y se adhieren dos materiales tipo P (conectados internamente entre sí) a los lados del canal tipo N. Si se polarizan en inverso las junturas PN inexorablemente se van a formar unas barreras de iones que van a estrechar el canal; a medida que aumente este voltaje en inverso, el canal se va a estrechar cada vez más hasta un punto en que el canal N queda totalmente cerrado para el paso de electrones entre la fuente (SOURCE) y el drenaje (DRAIN). Ver Figura 87.
Figura 87. Transistor de efecto de campo = JFET
El comportamiento de la corriente de drenaje (ID) (Ver Figura 88), cuando se va variando el voltaje 𝑉𝐺𝑆 desde “0” hasta el 𝑉𝐺𝑆 𝐴𝑝𝑎𝑔𝑎𝑑𝑜 (Ver Figura 89), es un
comportamiento parabólico de acuerdo a la siguiente ecuación:
2
Eso significa que si 𝑉𝐺𝑆 es igual a 𝑉𝐺𝑆 𝐴𝑝𝑎𝑔𝑎𝑑𝑜, el término dentro del paréntesis es igual
a cero (0) y por tanto, la corriente 𝐼𝐷 es igual a cero (0) (Ver Figura 89). De otra manera, si 𝑉𝐺𝑆 es igual a cero (0), la corriente de drenaje 𝐼𝐷 es 𝐼𝐷𝑆𝑆.
Este comportamiento cuadrático resultó ser una bendición para la humanidad porque facilitó el diseño de las comunicaciones por radio frecuencia, ya que en un amplificador diseñado con base en JFET’s, sólo se trabaja en un rango llamado “de señal mediana” donde el voltaje de salida del amplificador presenta un comportamiento de tipo (Malvino y Bates,2007):
𝑉𝑠𝑎𝑙 = (𝐴 ∗ 𝑉𝑒𝑛𝑡) + (𝐵 ∗ 𝑉𝑒𝑛𝑡^2 )
Por lo tanto,
𝑉𝑠𝑎𝑙 =
Donde: 1 2 𝐵𝑉𝑥
(^2) representa un valor constante de corriente continua.
𝐴𝑉𝑥𝑠𝑒𝑛𝜔𝑥𝑡 representa la salida lineal amplificada por A.
1 2 𝐵𝑉𝑥
𝑥𝑡^ : Este término representa el segundo armónico de la frecuencia de la sinusoide de entrada.
Figura 89. Comportamiento cuadrático (parabólico) de la corriente de drenaje contra el voltaje entre GATE y SOURCE (VGS).
Ahora, si se excita el amplificador de señal mediana con base en JFET, con dos ondas sinusoidales de entrada con frecuencias 𝑓𝑥 y 𝑓𝑦 , se obtendrá a la salida:
2
Maquillando la expresión (reacomodándola)
𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑣𝑥
𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑣𝑦
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑐𝑟𝑢𝑧
Donde:
𝑣𝑥 = 𝑉𝑥𝑠𝑒𝑛𝜔𝑥𝑡 = 𝑉𝑥𝑠𝑒𝑛(2𝜋𝑓𝑥)𝑡
𝑣𝑦 = 𝑉𝑦𝑠𝑒𝑛𝜔𝑦𝑡 = 𝑉𝑦𝑠𝑒𝑛(2𝜋𝑓𝑦)𝑡
El producto cruz, 2𝐵𝑣𝑥𝑣𝑦 , es igual a:
Esto es fantástico, aparecen dos frecuencias adicionales, la frecuencia suma (𝜔𝑥 +
𝜔𝑦) y la frecuencia diferencia (𝜔𝑥 − 𝜔𝑦).
Esta última tiene una aplicación clave en los diseños de receptores en radiofrecuencia como veremos más adelante.
Figura 90. MOSFET de Empobrecimiento – Enriquecimiento
Figura 93. (a) Curva de transconductancia (b) Punto Q conveniente para polarizar el MOSFET.
Figura 94. MOSFET de canal n de sólo enriquecimiento.
Figura 95. Polarización del MOSFET de sólo enriquecimiento- Creación de la capa de inversión de electrones.
Ecuación de la curva de transconductancia:
𝐼𝐷 = 𝐾[𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝐺𝑆(𝑡ℎ)]
2
Ejemplo
Si un MOSFET de tipo enriquecimiento tiene una 𝐼𝐷(𝑒𝑛𝑐) = 8𝑚𝐴 y 𝑉𝐺𝑆(𝑡ℎ) = 3𝑉, su curva de transconductancia se puede observar en la Figura 96 y si se reemplazan estos valores en la ecuación de la curva de transconductancia, se obtiene:
Por consiguiente, la ecuación particular de su curva de transconductancia es:
Esto significa que los estudiantes elaboran un pre-informe con las características anteriormente mencionadas antes de ingresar a la práctica y adicionalmente, en la siguiente sesión deben presentar un informe con las conclusiones de la práctica pasada más las correcciones teóricas del pre-informe que el profesor detectó. De acuerdo a lo anterior, sólo en la primera práctica, los estudiantes presentan un pre- informe. A partir de la segunda práctica los estudiantes presentan el informe de la práctica pasada y el pre-informe de la práctica actual.
Los informes de prácticas son más sencillos, sólo deben contener:
Malvino, A; Bates, D. (2007). Principios de Electrónica. Septima Edición. McGraw-Hill Boylestad, R.; Nashelsky, L. (2003). Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. Octava Edición. Pearson Educación. Sedra, A.;Smith, K. (2006). Circuitos microelectrónicos. Quinta Edición. McGraw-Hill. Andrade, J.M. ().Conceptos fundamentales de electrónica de semiconductores: Apuntes de Clase.
Anexar los PDF’s de los transistores usados.
