Polarización del FET: Apuntes de Circuitos Electrónicos para Ingeniería Aeroespacial, Esquemas y mapas conceptuales de Análisis de Circuitos Electrónicos

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UNIVERSIDAD MARISTA DE

GUADALAJARA

INGENIERÍA AEROESPACIAL

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

JORGE ARMANDO DÍAZ ESPARZA

REPORTE SEMANA 4

ÍNDICE

• Introducción
• Polarización del FET
  • Polarización fija
  • Amplificador del JFET con auto polarización
    • Análisis gráfico
  • Polarización por divisor de voltaje
    • Análisis gráfico
  • Circuito de polarización del MOSFET de acrecentamiento
    • Configuración de polarización por realimentación
    • Configuración de polarización por medio del divisor de voltaje
• CMOS
  • Principios de funcionamiento del CMOS
• Práctica de laboratorio
  • E-MOSFET.......................................................................................................................
    • Canal p
    • Canal N
  • D-MOSFET
    • Canal p
    • Canal n
• Conclusión
• Bibliografía

Figura 1 : Configuración de polarización fija 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. (Boylestad R. , 2009) La configuración de la Figura 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 corto circuitos) 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, (Boylestad R. , 2009) 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 2 , específicamente dibujada de nuevo para el análisis de cd. (Boylestad R. , 2009)

Figura 2 : Red para el análisis de corriente directa 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 2 da (Boylestad R. , 2009) Como VGG es una fuente de cd fija, la magnitud del voltaje VGS es fija, de ahí la designación de “configuración de polarización fija”. (Boylestad R. , 2009) La ecuación de Shockley controla ahora el nivel resultante de la corriente de drenaje 𝐼𝐷 (Boylestad R. , 2009) 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. (Boylestad R. , 2009) Un análisis gráfico requeriría una gráfica de la ecuación de Shockley como se muestra en la Figura 3. Recuerde que al seleccionar 𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝑃/ 2 obtendrá una corriente de drenaje de 𝐼𝐷𝑆𝑆/ 4 cuando grafique la ecuación. Para el análisis, los tres puntos definidos por 𝐼𝐷𝑆𝑆, Vp y la intersección que acabamos de describir bastarán para trazar la curva. (Boylestad R. , 2009)

Figura 5 : JFET canal p autopolarizados (Is=ID) Para el JFET de canal n mostrado en la figura Figura 4 𝐼𝑆 produce una caída de voltaje a través de 𝑅𝑆 que hace a la fuente positiva con respecto a tierra. Puesto que 𝐼𝑆 = 𝐼𝐷 y 𝑉𝐺 = 0 , entonces 𝑉𝑆 = 𝐼𝐷𝑅𝑆. El voltaje de compuerta a fuente es (Floyd, 2008) Para el JFET de canal p mostrado en la Figura 5 , la corriente que fluye a través de 𝑅𝑆 produce un voltaje negativo en la fuente, lo que hace a la compuerta positiva con respecto a la fuente. Por consiguiente, como 𝐼𝑆 = 𝐼𝐷, (Floyd, 2008) En el ejemplo siguiente se utiliza el JFET de canal n mostrado en la Figura 4 como ilustración. Tenga en cuenta que el análisis del JFET de canal p es el mismo, excepto por los voltajes de polaridad opuesta. El voltaje en el drenaje con respecto a tierra se determina como de la siguiente manera: (Floyd, 2008)

Análisis gráfico

Se puede utilizar la curva característica de transferencia de un JFET y ciertos parámetros para determinar el punto Q (ID y VGS) de un circuito autopolarizado. La figura Figura 6 muestra

un circuito y la Figura 7 muestra una curva de transferencia. Si una hoja de datos no incluye una curva, puede ser trazada con la ecuación 8-1, utilizando los valores de IDSS y VGS(corte) dados en la hoja de datos. (Floyd, 2008) Figura 6 : JFET polarizado Figura 7 :Curva de transferencia del JFET en la Figura 6

Polarización por divisor de voltaje

La figura Figura 8 muestra un JFET de canal n con polarización mediante divisor de voltaje. Éste, en la fuente del JFET, debe ser más positivo que el voltaje en la compuerta para mantener la unión compuerta-fuente polarizada en inversa. (Floyd, 2008)

Análisis gráfico

Se puede utilizar un método similar al empleado para autopolarización con la polarización mediante divisor de voltaje para determinar gráficamente el punto Q de un circuito sobre la curva de transferencia En un JFET polarizado mediante divisor de voltaje cuando 𝐼𝐷 = 0 , 𝑉𝐺𝑆 no es cero, como en el caso autopolarizado, porque el divisor de voltaje produce un voltaje en la compuerta independiente de la corriente en el drenaje. La recta de carga de cd con divisor de voltaje se determina de la siguiente manera. Con 𝐼𝐷 = 0 , (Floyd, 2008) Con 𝑉𝐺𝑆 = 0 Un segundo punto sobre la recta está en 𝐼𝐷 = 𝑉𝐺/𝑅𝑆 y 𝑉𝐺𝑆 = 0. La recta de carga de cd generalizada se muestra en la Figura 9. El punto donde la recta de carga corta la curva de transferencia es el punto Q. (Floyd, 2008) Figura 9 : Recta de carga de CD generalizada con polarización mediante divisor de voltaje

Circuito de polarización del MOSFET de acrecentamiento

Configuración de polarización por realimentación

La configuración de la Figura 10 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 la red equivalente aparece como se muestra en la Figura 11. (Boylestad R. , 2009)

Figura 10 : Configuración de polarización por realimentación Figura 11 : Equivalente de cd de la red de la Figura 10 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 𝑉𝐷 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝐼𝐷𝑅𝐷

El hecho de que 𝐼𝐺 = 0 𝑚𝐴 da por resultado la siguiente ecuación para VGG derivada con la regla del divisor de voltaje: (Boylestad R. , 2009) Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff alrededor de la malla indicada de la Figura 12 se obtiene (Boylestad R. , 2009) Para la sección de salida, (Boylestad R. , 2009) Como las características son una curva de 𝐼𝐷 contra 𝑉𝐺𝑆 y la ecuación 𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝐺 − 𝐼𝐷𝑅𝐷 relaciona las mismas dos variables, las dos curvas se pueden trazar en la misma gráfica y determinar una solución en su intersección. Una vez conocidas 𝐼𝐷𝑄 𝑦 𝑉𝐺𝑆𝑄 , se pueden determinar todas las demás cantidades de la red, tales como VDS, VD y VS. (Boylestad R. ,

CMOS

El CMOS (Semiconductor Complementario de Óxido de Metal) es una tecnología fundamental en la fabricación de circuitos integrados, que se usa ampliamente en la electrónica moderna, especialmente en dispositivos digitales como microprocesadores, memorias y otros tipos de circuitos integrados. (Boylestad & Nashelsky, 1997)

Principios de funcionamiento del CMOS

El CMOS combina dos tipos de transistores, P-MOS y N-MOS, en un único circuito. Estos transistores tienen polaridades opuestas, lo que permite un diseño más eficiente en términos de consumo de energía. (Floyd, 2008)

N-MOS (Canal N): Son transistores que conducen cuando se aplica un voltaje positivo a la compuerta (gate). (Floyd, 2008) P-MOS (Canal P): Son transistores que conducen cuando se aplica un voltaje negativo a la compuerta. (Floyd, 2008) Cuando uno de estos transistores está encendido, el otro está apagado, lo que significa que la corriente fluye solo durante las transiciones de los estados lógicos (de 0 a 1 o de 1 a 0). Esto reduce significativamente el consumo de energía cuando el circuito está en estado estable, una ventaja clave sobre otras tecnologías como TTL (Transistor-Transistor Logic). (Floyd,

Práctica de laboratorio

Se realizó la práctica de laboratorio donde se desarrollaron cuatro circuitos para percibir la interferencia de los transistores MOSFET dentro de una unión eléctrica , los circuitos realizados fueron: E-MOSFET canal p y canal n, D-MOSFET canal p y canal n. Los materiales utilizados fueron:

• Protoboard
• E-MOSFET canal n y p
• D-MOSFET canal n y p
• Fuente de alimentación
• Diodo LED
• Resistencia
• Cables de conexión
• Multímetro

E-MOSFET

A diferencia del D-MOSFET, el MOSFET de enriquecimiento (Enhancement) está inicialmente apagado (no conductivo) cuando no hay voltaje en la compuerta. Se necesita un voltaje de compuerta específico para inducir un canal conductor entre el drenador y la fuente.

Canal p

En el canal P, el MOSFET se enriquece cuando se aplica un voltaje negativo a la compuerta. Esto atrae huecos al canal, permitiendo que la corriente fluya.

D-MOSFET

El MOSFET de empobrecimiento (Depletion) está inicialmente encendido (conductivo) cuando no hay voltaje aplicado a la compuerta. La corriente fluye entre el drenador y la fuente sin necesidad de aplicar un voltaje a la compuerta.

Canal p

El MOSFET con canal P se comporta de manera similar, pero en este caso, si se aplica un voltaje positivo a la compuerta, el canal se empobrece de portadores de carga (huecos), disminuyendo la corriente.

Canal n

Si se aplica un voltaje negativo en la compuerta con respecto a la fuente, los electrones en el canal se repelen, reduciendo la corriente que fluye a través del canal. Esto se llama "modo de empobrecimiento" porque se está "agotando" el canal de portadores. Cabe aclarar que estos circuitos se profundizan más en el reporte de practica

Conclusión

Se concluye exitosamente este reporte tipo ensayo donde se integran los diferentes temas de la cuarta y última semana del segundo parcial de la materia de circuitos electrónicos para las

y los estudiantes de tercer semestre de la carrera de ingeniería aeroespacial de la Universidad Marista de Guadalajara se pudo comprender, apropiar y aterrizar el conocimiento impartido en las ultimas sesiones de clase, se profundizó el conocimiento acerca de los transistores de efecto de campo y los tipos de ellos, al igual que la polarización que llevan dentro de un circuito eléctrico o electrónico, se aprendió acerca del CMOS y su importancia en la vida diaria y como esta presente en la mayoría de dispositivos electrónicos contemporáneos, acerca de la práctica de laboratorio brindo a los estudiantes la aplicación de la teoría a la práctica realizando los circuitos de transistores de enriquecimiento y empobrecimiento de los MOFET, aplicando en el simulador y el circuito en físico se aterrizaron los conocimientos antes brindados, se finaliza el ensayo con vistas al examen parcial de la siguiente semana que sin duda alguna será de mucha ayuda al momento de contestarlo.

Bibliografía

Boylestad, R. (2009). Electronic Devices and Circuit Theory. Pearson Education India. Boylestad, R. L., & Nashelsky, L. (1997). Fundamentos de electrónica. Prentice-Hall. Floyd, T. L. (2008). Dispositivos Electrónicos. Pearson Educacióm.