Fet (field effect transistor) objetivos



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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
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 100M 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 RS resulta em uma tensão devido a queda de tensão IDRS, provocando uma queda de tensão em RS. 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:
VGS = 0 - IDRS = - IDRS
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.
Conforme a tensão VDD aumenta, a corrente ID também aumenta, resultando em uma região de depleção maior. O aumento da região de depleção provoca um aumento da resistência entre drain e source. O aumento da região de depleção pode ser feito até que todo o canal seja abrangido (veja fig. b).

A partir daí, qualquer aumento de VDD resultará apenas em aumento da tensão nos terminais da região de depleção e a corrente ID permanece constante.


A curva a seguir mostra que o aumento de ID ocorre até que toda a região de depleção esteja totalmente formada, após o que, a corrente de dreno satura e permanece constante para qualquer aumento de VDD .

IDSS é um parâmetro importante usado para especificar a operação de um FET, que significa corrente de drain para source com gate-source em curto (VGS = 0).


CARACTERÍSTICA DRAIN-SOURCE (DRENO-FONTE): A curva abaixo mostra que aumentando VGS (mais negativa para um FET de canal n), a corrente de saturação será menor, e desta forma, o gate atua como controle.

Nestas condições, ID diminui a medida que VGS fica mais negativa (observe o ponto de saturação com -2V). Tornando VGS mais negativa, haverá um momento em que não haverá mais ID , independentemente do valor de VDS .


Essa tensão denomina-se tensão de estrangulamento gate-source representada por VGS(OFF) ou Vp .
A figura abaixo mostra a curva para um FET de canal p. A única diferença é a polaridade de VGS que neste caso é positiva.



CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA: A figura a seguir mostra o gráfico de transferência da corrente de dreno ID em função da tensão gate-source (VGS), para um valor constante de VDS.

No gráfico acima, observa-se a característica de transferência quando VGS = 0, ID = 0, VGS = Vp .


A figura abaixo nos mostra que quando ocorre o estrangulamento, este estrangulamento se verifica com valores menores de VDS e quando mais negativa for a tensão VGS . Esta curva recebe o nome de curva de dreno.

Normalmente o FET é polarizado para operar após o estrangulamento na região de saturação da corrente, onde nesta região o dispositivo tem sua operação definida mais facilmente pela equação de Schockley. Vejamos um exemplo:


Determinar a corrente de dreno de em FET canal n com tensão de estrangulamento = - 3V e corrente de saturação drain-source (IDSS) de 10mA para as seguintes tensões VGS:

a) 0V


b) - 1,4V

c) - 1,8V



Solução:

pela equação de Schockley, ID = IDSS(1 - VGS / Vp) 2, temos:

a) ID = 10mA[1 - (0/-3)] 2 = 10mA

b) ID = 10mA[1 - (-1,4/-3)] 2 = 2,84mA

c) ID = 10mA[1 - (-1,8/-3)] 2 = 1,6mA
PARÂMETROS IMPORTANTES:
IDSS : 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 (VGS = 0). É um parâmetro importantíssimo do dispositivo.
VGS(OFF) = Vp : 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 VGS(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 = gm : 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 gm é em Siemens com valores típicos da ordem de 1mS a 10mS.

gfs = IP / VGS , com VDS = 0

gm = gmo[1 - (VGS / VGS(OFF))]



gmo é parâmetro ganho de “ac” máximo do FET e ocorre para a polarização VGS = 0.
Exemplo: calcular a transcondutância (gm) de um FET com as especificações: IDSS = 15mA e VGS(OFF) = -3V, nos seguintes pontos de polarização:
a) VGS = 0

b) VGS = -1,2V

c) VGS = -1,7V

Solução:

pela equação gmo = 2IDSS / VGS(OFF) , temos:

gmo = 2(15mA) / -3V = 30 x 10 -3 / 3 = 10mS ou 10.000S
a) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1- (0 / -3)] = 10mS ou 10.000S

b) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1 - (-1,2 / -3)] = 6mS ou 6.000S

c) gm = gmo(1- VGS / Vp) = 10mS[1 - (-1,7 / -3)] = 4,33mS ou 4.330S
rds(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-1


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 2.000S. Calcule o ganho de tensão sem carga (A), a tensão de saída (Vout) e a impedância de saída (rout). Anote esses valores na tabela 1.
3 - Para o amplificador com carga infinita (sem o resistor de carga RL), 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 4,7k 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).
6 - Desligue o potenciômetro e meça sua resistência, anotando esse valor na tabela 1.
7 - Repita os passos 2 a 6 usando outro FET.
TABELA 1
VALOR CALCULADO VALOR MEDIDO

FET

VOUT

A

rout

VOUT

A

rout

1(T7)



















2(T8)




















SEGUIDOR DE FONTE (DRENO COMUM):

O amplificador dreno comum ou seguidor de fonte é análogo ao amplificador seguidor de emissor ou coletor comum. O ganho de tensão aproxima-se da unidade enquanto que a impedância de entrada aproxima-se do infinito, limitada apenas pelos resistores externos conectados ao terminal gate.


É um circuito muito utilizado na entrada dos instrumentos de medida.

1 - Monte o circuito da figura abaixo:



2 - Suponha que o FET usado no circuito tenha um ganho típico da ordem de 2.000S. Calcule o ganho de tensão sem carga (A), a tensão de saída (Vout) e a impedância de saída (rout). Anote esses valores na tabela 2.
3 - Para o amplificador com carga infinita (sem o resistor de carga RL), ajuste o gerador de áudio na entrada para 1Vpp a uma freqüência de 1kHz.
4 - Meça e anote a tensão de saída de pico a pico. Depois calcule o ganho de tensão. Anote suas respostas na tabela 2.
5 - Meça a impedância de saída pelo método de casamento de impedâncias, usado anteriormente.
6 - Desligue o potenciômetro e meça sua resistência, anotando esse valor na tabela 2.
7 - Repita os passos 2 a 6 usando outros FETs.
TABELA 2
VALOR CALCULADO VALOR MEDIDO

FET

VOUT

A

rout

VOUT

A

rout

1(T7)



















2(T8)




















FORMULÁRIO:
Ganho de tensão (amplificador fonte comum):
A = - gmRD

onde:


A = ganho de tensão sem carga

gm = transcondutância

RD = resistência de dreno

Resistência de saída (amplificador fonte comum):


rs = 1/gm
Resistência de saída (amplificador dreno comum):
rs = RS // 1/gm
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?

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4 - O que é tensão de estrangulamento?

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5 - Determine a corrente de dreno de um FET canal n com tensão de estrangulamento (Vp) = -3,75V; IDSS = 9mA, para as seguintes tensões gate-source (VGS): 0V; -1,15V; -1,5V; -1,75V e -2,3V (apresentar cálculos).


Cálculos:







Transistor de efeito de campo (FET) – Prof. Edgar Zuim


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