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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA INGENIERÍA ELECTRÓNICA ANALÓGICA NOMBRE: Hernán Augusto Pogo León INVESTIGAR SOBRE EL MOSFET Investigar sobre el MOSFET tipo decremental y el MOSFET tipo incremental Diferencias entre: • MOSFETs de tipo decremental. • MOSFETs de tipo incremental. • JFET a) Las características y el método de análisis que se aplica a los MOSFETs de tipo incremental son completamente diferentes de aquellos aplicados a los JFETs y MOSFETs de tipo decremental. b) Las características de transferencia del JFET y del MOSFET tipo decremental al no ser una relación lineal se encuentra definida por la ecuación de Shockley, a medida que el nivel de corriente se aproxima a IDSS, la sensibilidad de ID ante cambios en VGS se incrementa de forma significativa. Mientras que en el MOSFET tipo incremental las características de transferencia no se encuentra definidas por la ecuación de Shockley sino más bien, por una ecuación no lineal controlada por el voltaje compuerta-fuente, el voltaje umbral y por una constante k definida para el dispositivo que se emplea. La gráfica resultante ID en función de VGS es aquella que crece exponencialmente ante valores crecientes de VGS. Ecuación de Shockley: I D = I DSS (1 −

VGS 2 ) Vp

c) El MOSFET tipo decremental posee las mismas características de transferencia que el JFET para corrientes de drenaje de un nivel hasta I DSS. En este punto, las características del MOSFET tipo decremental continúan hasta niveles por arriba de IDSS, mientras que la del FET terminan ahí, permitiendo puntos de operación con valores positivos de VGS y niveles de ID que exceden IDSS. d) A diferencia del JFET siempre es necesario tener cuidado adicional al manejar MOSFETs debido a la electricidad estática a la que son sensibles estos, que puede existir en los lugares menos pensados. e) Para definir la forma de graficar la ecuación de Shockley en el JFET es sencillo se le da valores a la ecuación de ID=0 encontrando VGS= Vp, VGS=0 encontrando ID= IDSS y VGS= Vp/2 ; ID= IDSS/4 f) Para definir la forma de graficar la ecuación de Shockley en los MOSFETs tipo decremental para valores positivos VGS el intervalo requerido para la mayoría de las situaciones se encontrará definido por los parámetros del MOSFET y por la línea de polarización resultante de la red.

g) Para los MOSFETs tipo incremental de canal-n, la corriente de drenaje es cero para aquellos niveles de voltaje compuerta-fuente menores que el nivel de umbral V GS(Th), para los niveles VGS mayores que VGS(Th) la corriente de drenaje estará definida por: I D = k (VGS −VGS (Th ) ) 2

Para graficar la curva de transferencia se debe determinar la constante k por: I D ( encendido ) k= (VGS ( encendido ) − VGS (Th ) ) 2 Definida k de da un punto para ID VGS(encendido).

entre VGS(Th) y VGS(encendido) y otro mayor que

A continuación se presenta una tabla de estos transistores:

Aplicaciones:

• MOSFETs de tipo decremental • MOSFETs de tipo incremental. • JFET a) Resistor controlado por voltaje (amplificador no-inversor) Una de las aplicaciones más comunes del JFET es como un resistor variable cuyo valor de resistencia está controlado por el voltaje de dc aplicado en la terminal de la compuerta como indica la figura1 se indica claramente la región lineal de un transistor JFET. Observe que en esta región, las distintas curvas inician todas en el origen y siguen un camino prácticamente recto a medida que el voltaje drenaje-fuente y la corriente de drenaje se incrementan. Recuerde que la gráfica de un resistor fijo no es más que una línea recta con su origen en la intersección de los ejes.

Fig1

Fig2

En la figura2 se expandió la región lineal hasta un voltaje máximo drenaje-fuente de 0.5V. Observe que incluso cuando las curvas tienen cierta curvatura, es posible aproximarlas mediante el empleo de líneas rectas, todas ellas con origen en la intersección de los ejes y una pendiente determinada por el voltaje en dc de compuertafuente. Recuerde que para una gráfica de I-V donde la corriente es el eje vertical y el voltaje el eje horizontal, la pendiente será más pronunciada con menor resistencia, y la pendiente será más horizontal con una mayor resistencia. El resultado de esto es una línea vertical tendrá una resistencia de 0Ω, mientras que una línea horizontal tendrá una resistencia infinita. Cuando VGS = 0V, la pendiente será la más pronunciada y la resistencia, la menor. A medida que el voltaje compuerta-fuente crece de forma negativa, la pendiente disminuye hasta encontrarse prácticamente horizontal cerca del voltaje de estrechamiento. Es importante recordar que esta región

lineal se encuentra limitada a niveles de V DS que son relativamente pequeños en comparación con el voltaje de estrechamiento. En particular se observa que: como se incrementa la resistencia drenaje-fuente a medida que el voltaje compuerta-fuente se acerca al valor de estrechamiento.

Fig3.a

Fig3.b Esta resistencia de drenaje controlada por voltaje se utiliza en el amplificador noinversora de la figura3. No inversora indica que tanto la salida como la entrada se encuentran en fase. Si Rf = R1, la ganancia resultante es 2 como se muestran las señales senoidales en fase de la figura 3.a. Si se reemplaza la el resistor variable por un JFET de canal-n. Si Rf= 3.3kΩ y se utiliza el transistor de la figura 3.b la ganancia se podría extender de 1+3.3k/3.3k=2 hasta 1+3.3kΩ/100Ω= 34 para cuando V GS varía de -2.5V a 0V respectivamente. Por lo tanto la ganancia del amplificador puede establecerse en cualquier valor entre 2 y 34, simplemente al controlar el voltaje de polarización de dc aplicado.

El impacto de este tipo de control se puede extender para una infinidad de aplicaciones. Por ejemplo, si el voltaje de la batería de un radio comienza a caer como consecuencia de una utilización prolongada, el nivel de dc en la compuerta del JFET de control caerá, por lo que el nivel de RDS también lo hará. Una caída en RDS ocasionará un incremento de ganancia para el mismo valor de Rf con lo que el volumen de la salida del radio podrá mantenerse. Otras aplicaciones son: o En una gran cantidad de osciladores (redes diseñadas para generar señales senoidales de frecuencias específicas) tienen un factor de resistencia en la ecuación para la frecuencia generada. o Para controlar la estabilidad del sistema cuando varíe la temperatura. o Para evitar que ruidos se metan en un sistema. o Como voltímetro JFET. b) Red de temporización El gran aislamiento entre los circuitos de compuerta y drenaje permite el diseño de un temporizador relativamente simple como el presentado en la figura4.

Fig4 El interruptor del tipo normalmente abierto (NE) que cuando se cierra, coloca al capacitor en corto y causa que el voltaje en sus terminales caiga rápidamente a 0V. La red de conmutación puede manejar la descarga rápida de voltaje a través del capacitor, debido a que los voltajes de trabajo son relativamente bajos y el tiempo de descarga es extremadamente corto. c) Sistemas de fibra óptica Se utiliza para la transmisión de datos de sistemas de fibra óptica.

Mediante un diseño específico para el canal de comunicación TTL de fibra óptica. Diseño JFET:

d) Manejador de relevador por MOSFET El manejador de relevador por MOSFET que se describirá a continuación es un ejemplo excelente de cómo es posible utilizar FETs para manejar redes de alto voltaje/corriente sin consumir corriente o potencia del circuito, manejador, de excitación. La alta impedancia de entrada de los FETs esencialmente aísla ambas partes de la red sin la necesidad de tener eslabones ópticos o electromagnéticos. La red que se describirá puede emplearse para una variedad de aplicaciones, sin embargo, esta aplicación estará limitada a un sistema de alarma que se activa cuando alguien o algo crucen el plano de la luz transmitida.

Fig5

El LED IR (infrarrojo, no visible) de la figura5 se encuentra dirigido su luz a través de un “embudo direccional” que llega a una celda fotoconductiva de la red de control. La celda fotoconductiva tiene un rango de resistencia de cerca de 200kΩ en su nivel de resistencia de oscuridad hasta menos de 1kΩ en sus niveles de alta iluminación. El resistor R1 es una resistencia variable que puede emplearse para fijar el nivel de umbral del MOSFET de tipo decremental. Se utiliza MOSFET de mediana potencia debido al alto nivel de corriente de drenaje a través de la bobina magnetizadora. El diodo se incorpora como un dispositivo de protección. Cuando el sistema se encuentra encendido y la luz está incidiendo sobre la celda fotoconductiva, la resistencia de la celda puede disminuir cerca de 10 kΩ. Para este nivel, la amplificación de la regla de divisor de voltaje obtendrá un voltaje cercano a 0.54V en la terminal de la compuerta (con el potenciómetro de 50kΩajustado en 0kΩ. El MOSFET estará encendido, pero a un nivel de corriente de drenaje que pueda causar que el relevador cambie de estado. Cuando alguien se atraviese, el suministro de luz será interrumpido, y la resistencia de la celda rápidamente (en pocos ms) crecerá a 100kΩ. Luego el voltaje en la compuerta crecerá a 3V, encenderá al MOSFET, activará al relevador y encenderá al sistema que se controla. Un circuito de alarma contaría con su propio diseño de control que aseguraría que ésta no se apague cuando la luz regrese a la celda fotoconductiva. En esencia, se ha logrado controlar una red de alta corriente mediante un nivel de voltaje de dc relativamente pequeño y con un diseño no costos. El único defecto obvio en el diseño es el hecho de que el MOSFET se encontrará encendido incluso cuando no hay intrusión. Esto puede solucionarse mediante el uso de un diseño más sofisticado, pero tenga en mente que los MOSFETS son típicamente dispositivos de bajo consumo de potencia, por lo que el consumo de potencia, incluso con el tiempo, no es importante. Ejercicio: • MOSFETs de tipo decremental. • MOSFETs de tipo incremental. Para la red de la a) b) c) d)

VG IDQ y VGSQ VD y VS VDSQ

figura 6.89, determine:

Para las características de transferencia de la ecuación de Shockley: I

D

I

D

VGS VGS I

D

V − 3.5V = = 1.75V 2 2 = 0 = V = − 3.5 IV I D = DSS = 1.5mA 4 = 0V VGS = I DSS (1 − ) 2 P V p

VGS =

p

= I DSS = 10 mAVGS

I D = I DSS (1 −

Vp

)2

con  →VGS = 1V I D = 10mA(1 −

VG =

R2V DD 110kΩ * 20V = = 2.16V R1 + R2 110kΩ + 910kΩ

VGS = VG − I D * R VGS = 2.16V − I D * (1.1kΩ) I D = I DSS (1 −

VGS 2 ) Vp

( 2.16V − I D * (1.1kΩ)) 2 ) − 3.5v = 3.3mA; I DQ = 7.9mA ___ NO

I D = 10mA(1 − I DQ

I DQ = 3.3mA VGS = 2.16V − I D * (1.1kΩ) VGS Q = 2.16V − 3.3 * (1.1kΩ) = −1.47V VGS Q = −1.47V

Método gráfico: VGS =VG − I D * R D VGS = 2.16V − I D * (1.1kΩ) VGS = 0V ID =

2.16 =1.96mA 1.1kΩ

I D =0A VGS = 2.16V

1 2 ) = 16.53mA − 3.5

V DS =V DD − I D * ( R D + RS ) V DSQ = 20V − (3.3mA) * ( 2.2kΩ+1.1kΩ) V DSQ ≅ 9.11V V D =V DD − I D * ( R D ) V D = 20 − (3.3mA) * ( 2.2kΩ) V D =12.74V VS = I D * ( R S ) VS = (3.3mA) * (1.1kΩ) VS = 3.63V

Para la configuración por divisor de voltaje de la figura 6.96 determine: a. IDQ y VGSQ b. VD y VS

VG =

R2V DD 6.8MΩ* 24V = = 9.71V R1 + R 2 10 MΩ + 6.8MΩ

VGS = VG − I D * R S VGS = 9.71V − I D * (0.75kΩ) I D = 0mA VGS = 9.71V VGS = 0V ID =

k= k=

9 .7 = 12.93mA 0.75

I D ( encendido ) (VGS ( encendido ) − VGS (Th ) ) 2 5mA A = 0.55 * 10 −3 2 2 (6 − 3) V

I D = k (VGS −VGS (Th ) ) 2 I D = 0.55 * 10 −3 (VGS − 3) 2 I D = 0.55 * 10 −3 (9.71 − I D (0.75kΩ) − 3) 2 I DQ1 = 6.96mA; I DQ 2 =16.18mA I DQ = 6.96mA VGS = 9.71V − ( 4.96mA) * (0.75kΩ) VGS = 5.96V

Método gráfico: I D = k (VGS −VGS (Th ) ) 2 I D = 0.55 * 10 −3 (VGS − 3) 2 VGS = 5V I D = 0.55 * 10 −3 (5 − 3) 2 I D = 2.2mA VGS = 8V I D = 0.55 * 10 −3 (8 − 3) 2 I D = 13.75mA

CONCLUSIONES Y COMENTARIOS: Aprendimos acerca de los MOSFETs tipo decremental y MOSFETs tipo decremental. Realizamos ejercicios de estos. Aprendimos sus respectivos cálculos y curvas características. BIBLIOGRAFÍA:

Boylestad _ Nashelsky, “Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos”, PEARSON Prentice Hall, Octava Edición