4-Transistores de efecto de campo
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Máster en Mecatrónica EU4M Master in Mechatronic and Micro-Mechatronic Systems TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO Fundamentos de Ingeniería Eléctrica Contenidos • Funcionamiento Tipos de transistores FET Curvas características • Resolución de circuitos con FETs • Modelos de transistor FET • Circuitos de polarización De base fija Automática • Ejemplos Amplificador en fuente común Interruptor digital Funcionamiento. Tipos de transistores Como en los BJTs, la tensión entre los terminales de entrada determina el comportamiento eléctrico de la salida, que puede ser: Fuente de corriente controlada (región de saturación) Resistencia (región óhmica) Circuito abierto (región de corte) Hay distintos tipos de FET, pero nos centraremos en los MOSFETs de acumulación. D G D G S MOSFET de acumulación de canal N S MOSFET de acumulación de canal P Los FET de canal P se comportan igual que los correspondientes de canal N, salvo por las polaridades de las tensiones y los sentidos de las corrientes. Funcionamiento. Curvas características También en este caso las curvas características dependen de la configuración del transistor. Curvas características de un MOSFET de canal N en fuente común. Referencias normalizadas G + VGS - D ID Curvas de salida ID [mA] + VDS S - VGS = 4,5V 4 VGS = 4V Las curvas de entrada no tienen interés porque se considera que la puerta se comporta como un circuito abierto. IG ≈ 0 2 VGS = 3,5V VGS = 3V VGS = 2,5V 0 2 4 6 VDS [V] VGS < VTH = 2V Funcionamiento. Curvas características Se estará trabajando en la región de corte siempre que la tensión VGS no supere un valor umbral VTH. ID En estas condiciones el FET no conduce ninguna corriente. VGS < VTH ID = 0 + VGS - ID [mA] 4 2 VDS [V] 0 2 4 6 VGS < VTH = 2V + VDS - Funcionamiento. Curvas características Para trabajar en la región óhmica hay que crear un canal de conducción en el dispositivo, lo que se consigue si VGS > VTH. ID En estas condiciones el MOSFET se comporta prácticamente como una resistencia entre el drenador y la fuente. A mayor VGS, menor resistencia. ID [mA] + VGS - + VDS - 4 2 VDS [V] 0 2 4 6 El valor de la resistencia se puede calcular como RDS = VDS / ID en cualquier punto de la curva correspondiente al valor VGS elegido Funcionamiento. Curvas características Teniendo VGS > VTH, se entrará en la región de saturación si la tensión VDS aumenta verificando VDS > VGS – VTH. ID En la región de saturación se tiene ID = cte + VGS - ID [mA] 4 2 VDS [V] 0 2 4 6 + VDS - Resolución de circuitos con transistores. Resolución gráfica 2,5KΩ + - VGS = 4,5V 4 D G ID [mA] ID S + VDS - VGS = 4V 10V 2 VGS = 3,5V VGS = 3V VGS VGS = 2,5V 0 4 8 12 VDS [V] Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente Comportamiento como circuito abierto Resolución de circuitos con transistores. Mediante planteamiento de hipótesis ID R Se calcula VGS. VGS < VTH → D Corte + - VGS > VTH → G S + VDS - VCC VGS Hipótesis: Región de saturación ID = cte VDS = VCC – R · ID Si VDS > 0, entonces Saturación Si VDS < 0, entonces Resistencia (Hipótesis correcta) (Hipótesis errónea) También se podría considerar como hipótesis que el transistor está en región óhmica, en cuyo caso: ID = VCC / (R+RDS) Si ID < Isat (VGS), entonces la hipótesis es correcta → Resistencia Si ID > Isat (VGS), entonces la hipótesis es errónea → Saturación Modelos de transistor. Modelo de gran señal Permiten analizar el punto de funcionamiento en continua. ID ID Canal N ID=0 IG=0 IG = 0 G ISAT IG=0 G RDS G S S Saturación S Región óhmica S Canal P D D D Corte S IG = 0 S IG=0 G ISAT IG=0 G RDS ID ID D G D ID=0 D Modelos de transistor. Modelo de pequeña señal Permiten analizar el funcionamiento en alterna (amplificadores). Consideran comportamiento del transistor como cuadripolo. El circuito equivalente en pequeña señal más habitual queda tan simplificado como el que se muestra. ig id G D ugs gm·ugs S uds S Fuente común Circuitos de polarización. Automática Ecuaciones del circuito de polarización automática. VDD ID R1 ID RG = RD RD RG VDS VDS VDD VG R2 RS VG = R1 · R2 R1 + R2 R2 R1 + R2 · VDD RS VGS = VG – RS · ID Con estas ecuaciones y la ayuda de las curvas características del MOSFET, se debe llevar a cabo un proceso iterativo que de lugar al punto de funcionamiento deseado. VCE = VDD – (RD + RS) · ID Habitualmente se querrá trabajar en la región de saturación y se conocerá el valor de ID deseado, lo que fija el valor de VGS a utilizar. Ejemplos. Amplificador en fuente común Esquema de un amplificador en fuente común. VDD R1 RD C2 C1 + vs ve RL CS R2 RS La parte en rojo corresponde al circuito de polarización. Los condensadores adicionales no influyen en este circuito, ya que en continua son circuitos abiertos. Dado que en alterna los condensadores son cortocircuitos, C1 y C2 acoplan la señal y la carga respectivamente al amplificador (condensadores de acoplo). CS se denomina condensador de desacoplo y hace que en alterna la fuente del transistor sea común a entrada y salida. Ejemplos. Amplificador en emisor común El circuito equivalente en pequeña señal analiza sólo el comportamiento en alterna, por lo que la fuente continua (VDD) se considera como un cortocircuito. ie G + D gm·vgs v e R1 R2 RD vs RL S Haciendo cálculos sobre este circuito, se consigue determinar la ganancia, impedancia de entrada e impedancia de salida del amplificador. Este circuito es válido únicamente a frecuencias medias. A bajas frecuencias los condensadores ya no son cortocircuitos, y a altas frecuencias podría ser necesario usar otro modelo de transistor. Ejemplos. Amplificador en emisor común Ganancia de tensión ve = vgs id = gm · vgs Av = vs =– ve RC · RL RC + RL Impedancia de entrada Ze = ve ie = R1 · R2 R1 + R2 Impedancia de salida Zs = RD vs = – · gm RC · RL RC + RL · id Ejemplos. Interruptor digital También el uso de un MOSFET como interruptor digital da lugar a un inversor lógico. VDD RD RG Ve Vs Carga El funcionamiento deseado del circuito consiste en que el transistor esté en la región óhmica cuando haya tensión a la entrada (Ve≠0 → Vs ≈ 0) y en corte cuando la tensión de entrada sea nula (Ve=0 → Vs ≈ VDD) La resistencia RD se conoce como resistencia de pull-up. Debido a su presencia, cuanto más corriente demande la carga, más alejada de VDD estará la tensión de salida.
