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DISEÑO DE AMPLIFICADOR MOSFET Taller IV: Electrónica Análoga. Universidad Nacional De Colombia Sede Medellín. Andrés Felipe Sabogal Ramírez. [email protected]

Resumen: En el presente escrito se estudia y analiza el comportamiento de circuitos que contengan en su esquema transistores de efecto de campo MOSFETs, para ello de implementar un sistema de amplificación de voltaje a partir de un transistor de efecto de campo MOSFET tipo FET de referencia 2N7002 en la simulación y 2N7000 en el procedimiento practico por su similitud, se estudia el comportamiento de amplificación de voltaje en el anterior circuito y la variación de ganancia en relación con la resistencia de carga.

1. Objetivos: General: 

 

Implementar un circuito de amplificación de voltaje a partir del MOSFET tipo FET de referencia 2n7000 teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante y los procedimientos teóricos para evitar en la medida de lo posible los efectos negativos por las tolerancias en las componentes introducidas.



Analizar el comportamiento de amplificación de voltaje de un FET Estudiar el cambio en la capacidad de amplificación en relación con la resistencia de carga, se observa la ganancia generada. Implementar las características del fabricante para trabajar por encima del rango de las tolerancias de las componentes implementadas y analizar el efecto de ganancia en variación de resistencias

Específicos: 



Estudiar y analizar el concepto y funcionamiento de los transistores de efecto de campo MOSFET. Implementar un circuito amplificador de voltaje a partir de un transistor MOSFET tipo FET de referencia 2N7000

2. Introducción: El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados fuente (S), drenador (D), puerta (G) y sustrato (B). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y por este

motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales.

Existen dos tipos de transistores MOSFET, ambos basados en la estructura MOS. Los primeros son los MOSFET de enriquecimiento los cuales se basan en la creación de un canal entre el drenador y la fuente, al aplicar una tensión en la puerta. La tensión de la puerta atrae portadores minoritarios hacia el canal, de manera que se forma una región de inversión, es decir, una región con dopado opuesto al que tenía el sustrato originalmente. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal. El canal puede formarse con un incremento en la concentración de electrones (en un nMOSFET o NMOS), o huecos (en un pMOSFET o PMOS). De este modo un transistor NMOS se construye con un sustrato tipo p y tiene un canal de tipo n, mientras que un transistor PMOS se construye con un sustrato tipo n y tiene un canal de tipo p.

3. Procedimiento: A continuación se introduce un sistema de amplificación de voltaje a partir de un FET de referencia 2N7000, se observan los procedimientos teóricos para obtener los valores de las componentes.

Fig 2: Esquema del circuito amplificador ideal.

Teniendo en cuenta los parámetros establecidos por el fabricante que nos dice que VGS es de 2.1 V para asegurar que el dispositivo no entre en la región de corte se elige un voltaje de entrada de 10V asegurando que este dentro del rango recomendado y que se obtiene eligiendo un voltaje de alimentación de 12Vdc.

Se desea conservar la alta impedancia del dispositivo FET por lo que se elige una resistencia grande, así al elegir a 𝑹𝟒 = 𝟏𝑴Ω se obtiene un voltaje en la compuerta de 10V. 𝑅4 𝑉𝑖𝑛 ( ) = 10 𝑅4 + 𝑅3 Fig 1: Símbolos de los FET 𝑅3 =

2𝑅4 2(1 ∗ 106 ) = = 200 ∗ 103 10 10 = 𝟏𝟖𝟎𝑲Ω

Además se sabe que Is = Id = 1mA es el valor de la corriente que circula a través de R1. Además, el voltaje en VS es 8V debido a VGS y los 10 V de voltaje en la puerta Se encuentra que: 𝑹𝟏 = 𝟖𝑲Ω

𝑹𝟓 = 𝟏𝟖𝟎 Ω

Con los valores encontrados anteriormente se simula un circuito amplificador de voltaje a partir de un FET y se comprueba su funcionamiento.

Con el fin de elegir un valor de R2 que situé la tensión de drenaje en medio del camino entre el voltaje de la fuente de la FET y la tensión de alimentación de 12V se tiene que:

  

½ entre 12 V suministrados y VD deseado R2 y R3 están en paralelo Si R2 es demasiado grande se producirá saturación

𝑹𝟐 =

12 𝑉 − 10 𝑉 = 𝟐𝑲Ω 1𝑚𝐴

Para un FET que tiene una gran transconductancia hacia adelante (Gm), la ganancia de voltaje se puede aproximar (exacto para Gm = infinito) como la relación de la resistencia "vista" por el drenador, dividido por la resistencia total "visto" por la fuente, esto se puede escribir:

𝐴𝑣 = 𝑅5 =

𝑅5 =

Fig 3: Esquema practico de amplificador de voltaje

Fig 4: Voltaje de entrada 100mV

𝑅2 (𝑅1 ||𝑅5 )

−𝑅2 𝑅 − 10𝑅1 ( 2 𝑅 ) 1

−2000 = 205.1 Ω 2000 − 10(8000) ( ) 8000

Fig 5: Voltaje de salida amplificado 8.46V

4. Resultados

6. Conclusiones

A continuación se presentan los datos obtenidos a partir del circuito amplificador de voltaje FET, con un voltaje de entrada de 100mV.

R2 [kΩ] 470 1k 2k 10k 15k

Vout Simul. 8.45V 8.45V 8.46V 5.48V 4.17V

Vout Pract. 6.1V 6.3V 6.3V 4.9V 3.8V

Ganancia real Vout/Vin 61 63 63 49 38



Para garantizar que la ganancia teórica se mantenga en las aplicaciones debemos diseñar que la resistencia de carga sea por lo menos 10 veces más que la resistencia de salida del montaje. De lo contrario la ganancia se reducirá por acoples deficientes.



El transistor funciona en región de corte cuando VgsVt, se verifica esto con la variación de la resistencia de carga.



Los dispositivos FET tienen una gran capacidad de amplificación, se debe tener en cuenta el valor de la resistencia de carga, ya que de ella depende la amplificación y además al ser muy grande R2>>20k el transistor de efecto de campo entra en la región de corte.

% Error 27 25 25 10 9

Tabla 1: Datos del circuito amplificador con FET

5. Recomendaciones Se recomienda verificar el funcionamiento del FET a utilizar, en este caso el 2N7000 ya que este puede estar en mal estado y generar datos erróneos

Es recomendable verificar la frecuencia requerida para el funcionamiento correcto de los capacitores y la obtención de una señal con una alta ganancia.

Verificar la impedancia de entrada y de salida prácticos y comparar la ganancia obtenida con la de la simulación, ¿a qué se debe esto?

Comparar la variación de R2 con la de otras resistencias en relación con el factor de amplificación en la señal de salida.

7. Bibliografía  Rashid M. “Circuitos Microelectronicos Análisis y Diseño” 

International Thomson. 1999 Boylestad R. “Electrónica, teoría de circuitos” Prentice Hall Hispanoaméricana. 1982

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Datasheet 2N7000 Datasheet 2N7002