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FET
(FIELD EFFECT TRANSISTOR)
OBJETIVOS:
a) entender o funcionamento de um transistor unipolar; b) analisar e entender as curvas características de um transistor unipolar; c) analisar o funcionamento de um transistor unipolar, através de circuitos de polarização básicos.
INTRODUÇÃO TEÓRICA
O FET (Field Effect Transistor) que traduzindo para o português significa Transistor de Efeito de Campo (TEC), é um transistor unipolar.
Nos transistores bipolares, para que haja controle de corrente, torna-se necessário envolver correntes de elétrons e lacunas. Nos transistores unipolares para que haja controle de corrente estão envolvidas correntes de elétrons quando o mesmo é do tipo canal n ou estão envolvidas correntes de lacunas quando o mesmo é do tipo canal p.
Os FETs possuem algumas vantagens com relação aos transistores bipolares como: impedância de entrada elevadíssima; relativamente imune à radiação; produz menos ruído e possui melhor estabilidade térmica. No entanto, apresentam algumas desvantagens como: banda de ganho relativamente pequena e maior risco de dano quando manuseado.
A exemplo do transistor bipolar, o FET é um dispositivo de três terminais, contendo uma junção p-n básica, podendo ser do tipo de junção (JFET) ou do tipo metal-óxido-semicondutor (MOSFET).
A figura abaixo mostra a estrutura física de em FET canal n com seus respectivos terminais:
D - (drain) ou dreno: de onde os portadores majoritários saem;
S - (source) ou fonte: é o terminal no qual os portadores majoritários entram;
G - (gate) ou porta: são regiões fortemente dopadas em ambos os lados do canal. Quando o canal é n o gate é p.
VDD é a tensão aplicada entre o dreno e a fonte;
VGG é a tensão aplicada entre o gate (porta) e a fonte;
VDS é a tensão medida entre o dreno e a fonte;
VGS é a tensão medida entre o gate (porta) e a fonte. Comparativamente a um transistor bipolar, podemos então estabelecer as equivalências entre os terminais:
D - (drain) = coletor S - (source) = emissor G - (gate) = base
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Através do canal portanto, circulam os portadores majoritários, da fonte (S) para o dreno (D).
A figura a seguir mostra a simbologia para os FETs de canal n e canal p :
CONFIGURAÇÕES: 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 à ruídos.
O FET possui uma impedância de entrada extremamente alta, da ordem de 100MF 05 7 ou mais. Por ser praticamente imune a ruídos é muito utilizado para estágios de entrada de 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 R (^) S resulta em uma tensão devido a queda de tensão I (^) D R (^) S, provocando uma queda de tensão em R (^) S. 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:
V (^) GS = 0 - I (^) D R (^) S = - I (^) D R (^) S
FUNCIONAMENTO: Consideremos o FET canal n conforme mostra a figura abaixo, para VGS = 0.
a) VDD normal b) Aumento de VDD
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.
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b) I (^) D = 10mA[1 - (-1,4/-3)] 2 = 2,84mA c) ID = 10mA[1 - (-1,8/-3)] 2 = 1,6mA
PARÂMETROS IMPORTANTES:
I (^) DSS : corrente de saturação dreno-fonte ( drain-source ). É a corrente na qual o canal é estrangulado quando os terminais gate e source estão em curto (V (^) GS = 0). É um parâmetro importantíssimo do dispositivo.
VGS(OFF) = V (^) p : tensão de corte (estrangulamento) gate-source. Tensão entre gate e source para a qual o canal drain-source é estrangulado, resultando em praticamente nenhuma corrente de dreno.
Os circuitos a seguir são usados para medir IDSS e V (^) GS(OFF) :
BVGSS : tensão de ruptura source-gate. A tensão de ruptura de uma junção source-gate é medida em uma corrente especificada com os terminais drain-source em curto.
O valor da tensão de ruptura indica um valor limite de tensão nos terminais gate- source , acima do qual a corrente do dispositivo deve ser limitada pelo circuito externo para evitar danos ao FET.
A tensão de ruptura é um valor limite de tensão e deve ser usado na escolha da fonte de tensão de dreno.
gfs = g (^) m : transcondutância de transferência direta em fonte-comum. Ela é medida com os terminais drain-source em curto, sendo uma indicação da amplificação do FET em termos de sinal alternado.
A unidade de medida de g (^) m é em Siemens com valores típicos da ordem de 1mS a 10mS. gfs = F 04 4 I (^) P / F 04 4 V (^) GS , com V (^) DS = 0 gm = g (^) mo[1 - (V (^) GS / V (^) GS(OFF))]
gmo é parâmetro ganho de “ac” máximo do FET e ocorre para a polarização V (^) GS = 0.
Exemplo: calcular a transcondutância (g (^) m) de um FET com as especificações: IDSS = 15mA e VGS(OFF) = -3V, nos seguintes pontos de polarização:
a) V (^) GS = 0 b) V (^) GS = -1,2V c) VGS = -1,7V Solução: pela equação gmo = 2I (^) DSS / F 0B D VGS(OFF)^ F 0B D , temos: gmo = 2(15mA) / F 0B D -3VF 0B D = 30 x 10 -3^ / 3 = 10mS ou 10.000F 06 D S
a) gm = g (^) mo(1- V (^) GS / V (^) p) = 10mS[1- (0 / -3)] = 10mS ou 10.000F 06 D S
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b) g (^) m = g (^) mo(1- VGS / V (^) p) = 10mS[1 - (-1,2 / -3)] = 6mS ou 6.000F 06 D S c) gm = g (^) mo(1- V (^) GS / V (^) p) = 10mS[1 - (-1,7 / -3)] = 4,33mS ou 4.330F 06 D S
r (^) ds(on) : resistência drain-source para o dispositivo ligado. A resistência dreno- fonte para o dispositivo ligado é importante quando se utiliza o mesmo como chave eletrônica.
Quando o FET está polarizado em sua região de saturação, ou ôhmica, de operação, apresenta uma resistência entre dreno e fonte de dezenas e algumas vezes centenas de ohms.
PARTE PRÁTICA
MATERIAIS NECESSÁRIOS 1 - Gerador de áudio 1 - Fonte de alimentação 0-20V 1 - Osciloscópio 1 - Multímetro analógico ou digital 1 - Módulo de ensaios ELO-
CIRCUITO AMPLIFICADOR FONTE COMUM:
Como sabemos, a curva de transcondutância do FET é parabólica, e por isso a operação do amplificador fonte comum produz uma distorção quadrática.
Em virtude disso, é um amplificador muito utilizado para operar somente com sinais de pequena amplitude.
Devido ao fato de gm ser relativamente baixo, o amplificador fonte comum tem
como conseqüência um ganho de tensão relativamente baixo.
Desta forma, os amplificadores com FET não podem competir com amplificadores com transistores bipolares, quando o ganho de tensão é fator preponderante.
1 - Monte o circuito da figura a seguir:
2 - Suponha que o FET usado no circuito tenha um ganho típico da ordem de 2.000F 06 D S. Calcule o ganho de tensão sem carga (A), a tensão de saída (V (^) out) e a impedância de
saída (rout). Anote esses valores na tabela 1.
3 - Para o amplificador com carga infinita (sem o resistor de carga R (^) L), ajuste o gerador de áudio na entrada para 0,1Vpp a uma freqüência de 1kHz.
4 - Observe o sinal na saída, o qual deve ser uma senóide amplificada. Meça e anote a tensão de saída de pico a pico. Depois calcule o ganho de tensão. Anote suas respostas na tabela 1.
5 - Ligue o potenciômetro de 4,7kF 05 7 como carga variável e ajuste a carga até que a tensão na saída seja a metade da tensão sem carga. (procedendo desta forma, você estará encontrando a impedância Thèvenin pelo método de casamento de impedâncias).
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A = ganho de tensão sem carga gm = transcondutância R (^) D = resistência de dreno Resistência de saída (amplificador fonte comum):
r s = 1/gm
Resistência de saída (amplificador dreno comum):
rs = RS // 1/g m
QUESTÕES:
1 - A principal vantagem de um amplificador com FET é: a) seu alto ganho de tensão; b) sua baixa corrente de dreno; c) sua alta impedância de entrada; d) seu alto valor de transcondutância.
2 - Em relação a um amplificador convencional com transistor bipolar, podemos afirma que um amplificador com FET apresenta maior ganho de tensão: a) certo b) errado
3 - Em um FET de canal n em que condições ocorre a saturação?
4 - O que é tensão de estrangulamento?
5 - Determine a corrente de dreno de um FET canal n com tensão de estrangulamento (Vp) = -3,75V; I (^) DSS = 9mA, para as seguintes tensões gate-source (VGS): 0V; -1,15V; -1,5V; -1,75V e -2,3V (apresentar cálculos).
Cálculos:
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