Relatório 4 - Circuitos EletrônicosTransistores JFET e MOSFET Rodrigo Daniel da Silva Engenharia de Controle e Automação UNESP - Campus Experimental de Sorocaba 15/06/2015 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Etapa III . 9 5. . 4. .Sumário 1 Resumo 3 2 Objetivos 4 3 Introdução Teórica 4 4 Procedimentos Experimentais 6 4. . . . .2 Etapa II . . . . . . . . 12 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. 6 7 8 Resultados Obtidos 9 5 5. .2 Etapa II . .1 Etapa I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Etapa III . . . . . .1 Etapa I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 6 Conclusões 16 7 Referências 16 2 . . . . . No entanto existem aplicações nos quais os transistores unipolares com a sua alta impedância de entrada são uma alternativa melhor. e são utilizados amplamente em circuitos lineares. daí o nome unipolar.Junction Field Eect transistor) e os transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET). 3 . Há dois tipos básicos: os transistores de efeito de campo de junção (JFET . se baseiam em dois tipos de cargas: lacunas e elétrons. Este tipo de transistor depende de um só tipo de carga.1 Resumo Os transistores bipolares. dependendo somente da condução realizada por elétrons (canal n) ou lacunas (canal p). que podem ser de depleção ou intensi cação O MOSFET é comumente utilizado na construção de circuitos integrados (CI) que são empregados em computadores digitais. Em outras palavras. Existem dois tipos básico de FET: • FET de junção (JFET) • FET de porta isolada também denominado de MOSFET. pois são mais estáveis termicamente. Vale ressaltar também que uma das características mais importantes do FET é a alta impedância de entrada.2 Objetivos Analisar o comportamento básico do transistores do tipo JFET e MOSFET. bem como suas curvas características ID × VGS e ID × VDS 3 Introdução Teórica O transistor de efeito de campo como dito anteriormente é um dispositivo que é controlado por tensão. Pode-se notar a estrutura básica do JFET na Figura 1 a seguir. qualquer variação em VGS já ocasionara numa variação da corrente ID (corrente controlada por tensão). Enquanto os JFET costumam ser utilizados como préampli cador de vídeo para câmeras de TV. e há dois tipos deste: Canal N e Canal P. Sua estrutura é basicamente um semicondutor (dopado para ser 4 . a corrente IC que no TBJ era uma função direta de IB (pequena variação na corrente de base gerava uma grande variação na corrente circulando no coletor) é como a tensão VGS aplicada no circuito de entrada. isso faz com que as variações de corrente de saída sejam menores do que se comparada aos TBJs. isso faz com que os FETs tenham um ganho menor se comparado aos TBJs mas em geral os torna mais estáveis a variações de temperatura. como com canal p. Existem transistores de efeito de campo tanto com canal n. O JFET foi o primeiro FET desenvolvido. instrumentos de medição. Nesse caso evidenciamos apenas um canal pois os FET's são dispositivos unipolares. mantendo a corrente constante em ID = IDss (corrente máxima de dreno para um JFET). Já o MOSFET(Metal-oxide semiconductor eld eect transistor) é dos tipos de transistor mais utilizados e também é utilizado para a ampli cação de sinais e no chaveamento de circuitos. Essa situação é evidenciada pela Figura 2. o JEFT apresenta as características de uma fonte de corrente. O esquema básico do MOSFET é demonstrado a seguir na Figura 4. A região N é por onde ui a corrente controlada (Figura 1). mas a tensão VDS (para níveis > VP ) será determinada pela carga que está sendo utilizada. As principais aplicações dos MOSFET's são nos circuitos CMOS e tam5 . Uma característica importante do JFET é que uma vez estabelecido VDS > VP onde VP é a tensão que resulta no estrangulamento do canal de depleção no JFET.Figura 1: Esquema do JFET tipo N ou P). envolvido no centro com um material P ou N. Essa região é que forma o canal entre as camadas imersas no tipo P. Figura 2: Curva ID × VDS do JFET A simbologia do JFET também é demonstrada na Figura 3. 1 Procedimentos Experimentais Etapa I Para a primeira etapa do experimento utilizou-se o circuito da Figura 5 a seguir: 6 . Esses tipos de circuitos integrados possui um baixíssimo consumo de energia e tem possibilidade alta integração se comparada com outras tecnológicas como a TTL. 4 4.Figura 3: Simbologia do JFET Figura 4: Esquema e simbologia do transistor MOS bém em: • Resistencia controlada por tensão • Circuitos de comutação de potência • Misturadores de frequência No caso do CMOS que é um tipo de tecnologia que é empregada na fabricação de circuitos integrados os MOSFET tanto de canal N como canal P são os tipos de transistores mais utilizados e um acaba completando o outro. Para isso no primeiro caso. Desse modo pode-se elaborar as curvas características do JFET em questão. No segundo caso selecionou-se 3 valores de VDS e realizou-se a medição da corrente ID para VGS variando de 0 a -8 V. desse modo com a variação do VGS encontrava-se ID × VDS para um dado Vcc .Figura 5: Circuito utilizado na primeira etapa Com o circuito da Figura 5 realizou-se os procedimentos necessários para traçar as curvas ID ×VDS parametrizadas por VGS e a curva ID ×VGS parametrizadas por VDS . 4. estabeleceu-se valores diferentes de VGS entre 0 e -8 volts.2 Etapa II No segundo caso o circuito em questão tinha um MOSFET e é representado na Figura 6 a seguir: Figura 6: Circuito utilizado na segunda etapa 7 . 4. utilizando os circuitos da Figura 7 Figura 7: Circuito utilizado na terceira etapa Utilizou-se o circuito da Figura 7a para traçar a curva ID × VDS parametrizando VGS entre 1 e 8 volts.Inicialmente aplicou-se um sinal AC na entrada e observou-se o modo como a saída foi afetada. foram inseridos 2 capacitores de 10 µF em paralelo.3 Etapa III Na etapa 3 determinamos experimentalmente as curvas características do MOSFET de canal N. Analisou-se então todas as curvas obtidas de modo a compará-las com os procedimentos teóricos. Para traçar ID × VGS utilizou-se o circuito da Figura 7b com VDS entre 0 e 10 volts. com VDS entre 0 e 10 volts. depois por 1 M Ω e então nalmente trocaram-se os capacitores da entrada. Trocou-se então o valor das resistências de 100 Ω por resistências de 1 KΩ. 8 . e da saída que posteriormente também cou com 2 capacitores de 10 µF em paralelo. 1 Etapa I Na Figura 8 são demonstradas as curvas ID × VDS parametrizadas por VGS . Ambas possuem as mesmas características e valores próximos de corrente para as tensões utilizadas. Figura 9: Curvas ID × VDS do transistor JFET Data Sheet BC 245C 9 . validando assim o experimento realizado. Figura 8: Curvas ID × VDS do transistor JFET Observe na Figura 9 a mesma curva ID × VDS fornecida pelo datasheet do transistor utilizado.5 Resultados Obtidos 5. Na Figura 11 é demonstrada a curva ID × VGS parametrizada por VDS . Esse valor é encontrado conforme Figura 10 Figura 10: Tensão de Early Observa-se na Figura 10 que o valor da tensão de Early é de aproximadamente 11 V. Figura 11: Curvas ID × VGS do transistor JFET A transcondutância (medida de como a tensão de entrada controla efetivamente a corrente de saída) é dada por: 10 .A partir da curva ID × VDS podemos encontrar a tensão de Early para o dispositivo. dessa forma utilizando os valores retirados das curvas de ID × VGS podemos traçar a curva gm × VGS conforme Figura 12. Figura 12: Curva gm × VGS 11 . e para cada valor de VDS temos um valor diferente de IDSS . Importante salientar que para diferentes VDS temos diferentes curvas de gm × VGS . Conforme a Figura 11 temos que VGS(of f ) é -8 V.VGS(of f ) = −2IDSS gmo gm = gmo = 1− VGS VGS(of f ) Onde gmo é a transcondutância para VGS = 0 e gm é a transcondutância para um dado VGS . 2 Etapa II Inicialmente mediu-se os valores das tensões de polarização do circuito.2 mV (tensão no gate/porta) • VD = 2. ou seja. os valores obtidos foram: Com V1 = 10V • VS = 0. Desse modo a atenuação é maior visto que desse modo a corrente na fonte diminui fazendo com que o gm seja menor.8 V (tensão da fonte) • VG = 1.24 VP P obteve-se uma saída equivalente a 1. No entanto esse gm é dado por 1/r'e e nesse caso.52 VP P . pois para o MOSFET temos que o ganho é dado por A = Ro x gm. É possível notar o mesmo comportamento para os circuitos que serão analisados a seguir.2 V (tensão no dreno) Aplicou-se um sinal de entrada equivalente a 2. 12 . o sinal foi atenuado e notamos também uma distorção da onda de saída. desse modo o sinal ao invés de ser ampli cado. sofre atenuação. No segundo caso alterou-se o valor das resistências de 100 Ω por resistências de 1 KΩ. era um valor muito baixo.24 VP P e o resultado obtido é demonstrado a seguir na Figura 13. Figura 13: Sinal de Entrada e Saída para tensão V1 de 10 volts Como é possível notar para uma entrada de 2. Como discutido em aula podemos analisar isso do ponto de vista da transcondutância.5. visto que a corrente que passa pelo dreno e pela fonte são em grande parte provenientes da fonte DC. Assim o valor do ganho que o sistema fornece não se altera muito. Essa alteração faz com que uma grande parte do sinal AC seja dissipada ao longo do circuito. devido ao aumento da impedância. Para o último caso então. além dos capacitores em paralelos na entrada do circuito. E conforme esperado a atenuação foi ainda maior.Aumentou-se então mais uma vez o valor das resistências e dessa vez o valor escolhido para substituir a resistência de 100 Ω foi 1 M Ω. proveniente da fonte DC para polarização. isso ocorre pois como a resistência no source/fonte era a mesma. a corrente que circula entre o dreno e a fonte é bem próximo a do primeiro circuito. inserindo 2 capacitores de 10 µF em paralelo na entrada do circuito e mantendo a resistência no dreno de 100 Ω. Desse modo. inseriu-se 2 capacitor em paralelos na saída do circuito. Como comentado no caso anterior. os capacitores tanto na entrada quanto na saída acabam não in uenciando tanto na atenuação do circuito. visto que a corrente que passa naquela região é. 13 . em grande parte. Alterou-se então os valores dos capacitores no circuito. Obteve-se uma atenuação similar ao primeiro caso. 5.3 Etapa III Na Figura 14 apresentamos a curva ID × VDS para o MOSFET de canal N. 14 . Figura 14: Curva ID × VDS Na Figura 15 apresentamos a curva ID × VGS para o MOSFET de canal N. Figura 15: Curva ID × VGS Observa-se que o valor da tensão de limiar VT é de aproximadamente 3V que pode ser encontrada através do cruzamento da reta tangente à curva com o eixo VGS conforme ilustrado pela Figura 15. Por exemplo. olhando para a curva ID × VDS e comparando com VT = 3V temos que para valores de VGS menores que 3V o transistor está operando na região de corte.Logo. Se VDS maior que VGS − VT estamos na saturação e VDS menor que VGS − VT região de triodo. 15 . para o caso onde VGS = 8V temos que para VDS maior que 5 V o transistor está em saturação e se VDS é menor que 5 V o transistor está na região de triodo. Louis.alldatasheet. A tensão de Early para o JFET utilizado foi de 11V e através da curva de transcondutância (Figura 11) foi possível traçar a curva gm × VGS do dispositivo. Robert L.6 Conclusões Na etapa I observamos que as curvas ID × VDS do experimento foram semelhantes as curvas encontradas no datasheet do equipamento. validando assim o trabalho realizado. 570-600 p. 7 Referências [1] Malvino. Testou-se também a variação do sinal em função da variação das capacitâncias tanto de entrada como de saída do circuito e se constatou que não há muita variação do sinal comparado à primeira con guração utilizada. na avaliação das curvas características do MOSFET comprovamos através do experimento o modelo teórico. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. son. Acesso em 13/06/2015 16 . Disponível em http://www. São Paulo: Pearson 174-196 p. Albert Paul. Pode-se notar na curva ID × VDS as regiões de triodo. a corrente da fonte é oriunda do sinal contínuo de polarização.. em grande parte. Por m.jsp?Searchword=Bf245c. 4o ed.com/view. saturação e corte do transistor e através da curva ID × VGS encontramos o valor de limiar para a tensão VGS . Na etapa II observamos a atenuação do sinal de entrada devido à transcondutância muito baixa do circuito. NASHELSKY. Veri cou-se também que a medida que se aumenta a resistência da fonte maior será a atenuação em função da queda da corrente na fonte e fator gm menor. 8a ed. isso porque. São Paulo: Per- [2] BOYLESTAD. Eletrônica Volume 2. [3] BC245 C datasheet.