Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Miguel Rivera 1 Amplificadores con MOSFET Tipo Enriquecimiento de 1 Etapa Luigi G. Sierra, 20141003153, y David O. Benítez, 20151005233 3. Resumen— El presente informe data los resultados obtenidos en el estudio de amplificadores con MOSFET de tipo enriquecimiento de 1 etapa (canal N), dando a conoces la teoría relacionada con este dispositivo para comprender de mejor forma su funcionamiento, también se analizara por separado cada una de las configuraciones en que este amplificador puede conectarse (fuente común, drenador común y compuerta común), detallando el procedimiento seguido para cada una, para así poder señalar los beneficios y las diferencias entre las tres configuraciones estudiadas. Palabras Clave— MOSFET, drenador, fuente, compuerta. I. INTRODUCIÓN L OS problemas que vienen presentando los transistores bipolares o BJT, como son la corriente que soportan y la dependencia de la temperatura a la que se ven sometidos, unas veces por su emplazamiento, otras por un mal trazado y las mas evidente por el efecto de avalancha, han llevado a que los mismos se sustituyan por otros transistores más avanzados, como los MOSFET (Metal Oxide-semiconductor Fiel-effect transistor). Un MOSFET es un dispositivo semiconductor utilizado para la conmutación y amplificación de señales, su nombre completo transistor de efecto campo semiconductor de oxido metálico, se debe a la constitución del propio transistor y hace referencia a un tipo de estructura muy usada en la electrónica, donde se usa un oxido como dieléctrico o aislante. El primer transistor MOSFET fue construido por el coreanoestadounidense Dawon Kahng y el egipcio Martin Atalla, ambos ingenieros de los Laboratorios Bell, en 1960. La principal ventaja del transistor MOSFET es que utiliza baja potencia para llevar a cabo su propósito y la disipación de la energía en términos de pérdida es muy pequeña, lo que hace que sea un componente importante en los modernos ordenadores y dispositivos electrónicos como los teléfonos celulares, relojes digitales, y calculadoras. II. OBJETIVOS 1. 2. Diseñar amplificadores utilizando transistores MOSFET con las especificaciones dadas. Obtener las salidas sin distorsión para cada una de las configuraciones posibles utilizando los MOSFET. Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH 4. Medir corrientes y tensiones, y calcular las ganancias de voltaje en cada una de las configuraciones. Identificar las características que existen para cada una de las configuraciones de amplificadores MOSFET de tipo enriquecimiento. III. MARCO TEÓRICO Los MOSFET, o simplemente MOS son muy parecidos a los JFET poseen también 3 terminales: Gate, Drain y Source (compuerta, drenaje y fuente). La diferencia entre estos estriba en que, en los MOS, la puerta está aislada del canal, consiguiéndose de esta forma que la corriente de dicho terminal sea muy pequeña, prácticamente despreciable. Debido a este hecho, la resistencia de entrada de este tipo de transistores es elevadísima, del orden de 10.000 MW, lo que les convierte en componentes ideales para amplificar señales muy débiles. En la Fig. 1 se representa gráficamente la estructura del MOSFET. Fig. 1. Estructura interna del MOSFET Como vemos, el MOSFET posee una composición un poco más complicada e incluye además de las regiones n y p existentes en un transistor BJT, una capa de óxido metálico, de donde proviene su nombre. Existen dos tipos de MOSFET en función de su estructura interna: los de empobrecimiento y los de enriquecimiento. Los primeros tienen un gran campo de aplicación como amplificadores de señales débiles en altas frecuencias o radiofrecuencia (RF), debido a su baja capacidad de entrada. Los segundos tienen una mayor aplicación en circuitos digitales y sobre todo en la construcción de circuitos integrados, debido a Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Miguel Rivera 2 su pequeño consumo y al reducido espacio que ocupan. En estos últimos nos enfocaremos a continuación. A. Tipo Enriquecimiento Este tipo de MOSFET está diseñado de tal manera que sólo admite la forma de trabajo en modo de enriquecimiento. La aplicación fundamental de este transistor se realiza en circuitos digitales, microprocesadores, etc. En la Fig. 2 (a), se muestran un ejemplo de las curvas de drenador y en la (b) las de transconductancia de este tipo de MOSFET. Fig. 4. Regiones de Operación de un MOSFET Tanto los MOSFET de empobrecimiento como los de enriquecimiento, poseen una capa extremadamente delgada de aislante que separa la puerta del canal. Esta capa se destruye con suma facilidad si se aplica una tensión VGS por encima de la máxima soportable. Por esta razón, nunca debe operarse con una tensión superior a la VGS(max) prescrita en las características del MOSFET. IV. MATERIALES Y EQUIPO 1) 2) 3) 4) Resistencias de 270Ω, 470Ω, 220kΩ y 2 de 100kΩ. Capacitores de 10µF, 1µF y 47µF. Transistor MOSFET BS170. 1 NI Elvis. V. PROCEDIMIENTO Fig. 2. Curvas de un MOSFET: (a) de drenador, (b) de transconductancia. Como se podrá observar en las curvas características, este transistor sólo conduce cuando son aplicadas tensiones positivas al drenador, por lo que normalmente estará en no conducción o apagado. A. Análisis en DC 1. Construya el circuito de la Fig. 5. El voltaje de umbral del MOSFET BS170 es: 𝑉𝐺𝑆(𝑡ℎ) = 1.7𝑉 A su vez, se subdividen en 2 tipos, los MOSFET canal N y los canal P. Fig. 3. Símbolos del MOSFET de enriquecimiento de canal N y canal P. La operación de un transistor MOSFET se puede dividir en tres regiones de operación diferentes, dependiendo de las tensiones en sus terminales. Para un transistor MOSFET N de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: región de corte, región óhmica y región de saturación, las cuales se muestran en la Fig. 4. Fig. 5. Polarización en DC por divisor de voltaje de amplificadores con MOSFET. 2. Mida los voltajes drenador-fuente 𝑉𝐷𝑆𝑄 , drenadorcompuerta 𝑉𝐷𝐺𝑄 , compuerta-fuente 𝑉𝐺𝑆𝑄 y la corriente de drenador 𝐼𝐷𝑄 . TABLA I. OPERACIÓN EN DC DEL AMPLIFICADOR MOSFET 𝑉𝐷𝑆𝑄 (𝑉) 2.95 Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH 𝑉𝐷𝐺𝑄 (𝑉) 1.814 𝑉𝐺𝑆𝑄 (𝑉) 2.497 𝐼𝐷𝑄 (𝑚𝐴) 11.96 Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Miguel Rivera 3 B. Análisis en AC 1) Configuración en Fuente Común 1. Construya el circuito de la Fig. 6. Fig. 8. Salida distorsionada del amplificador MOSFET tipo enriq. en fuente común. Fig. 6. Amplificador con MOSFET tipo enriq. en configuración de fuente común. 2. Utilice una fuente AC sinusoidal a 10kHz con 100mVp y obtenga la forma de onda de salida sin distorsión (nodo 6). Grafíquela en la Fig. 7 junto a la señal de entrada (nodo 4). 6. Introduzca un resistor variable en serie con el capacitor de compuerta CG en el circuito de la Fig. 6 Con una fuente AC sinusoidal a 10kHz en la entrada con 100mVp, mida el voltaje de salida mientras varía la resistencia de manera que la ganancia de la Ec. 1 se reduzca a la mitad. Mida con el multímetro el valor de esta resistencia y anote este valor en la Tabla II. Con estas condiciones, esta resistencia es la impedancia de entrada del amplificador en fuente común. 7. Retire el resistor variable de la entrada del circuito y conéctelo en lugar del resistor de carga RL. Con una fuente AC senoidal a 10 kHz en la entrada con 100mVp, mida el voltaje de salida mientras varia la resistencia de manera que la ganancia de la Ec. 1 se reduzca a la mitad. Mida con el multímetro el valor de esta resistencia y anote este valor en la Tabla II. Con estas condiciones, esta resistencia es la impedancia de salida del amplificador en fuente común. TABLA II. IMPEDANCIAS DE ENTRADA Y DE SALIDA DEL AMP. JFET EN FUENTE COMUN ZEN (Ω) 65k Fig. 7. Salida vs entrada del amplificador MOSFET tipo enriq. en fuente común. ZSAL (Ω) 300 2) Configuración en Drenador Común (Seguidor de Fuente) 3. Determine la ganancia de voltaje de AC. 𝐴= |𝑉𝑠𝑎𝑙 | 2.817𝑉 = = 15.76 |𝑉𝑒𝑛𝑡 | 178.75𝑚𝑉 (1) 4. Aumente el voltaje de entrada gradualmente hasta que se observe que la señal de salida comience a distorsionarse por saturación. Determine el voltaje máximo permisible de entrada mediante 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑀𝑎𝑥 sin que exista distorsión. 𝑉𝑒𝑛𝑀𝑎𝑥 = 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑀𝑎𝑥 4.81 = = 310.724 𝑚𝑉 𝐴 15.48 (2) 5. Grafique la señal de salida distorsionada en la Fig. 8. Fig. 9. Amplificador MOSFET tipo enriq. en configuración de drenador común. 1. Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH Construya el circuito de la Fig. 9. Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Miguel Rivera 2. 4 Utilice una fuente AC sinusoidal a 10kHz con 1Vp y obtenga la forma de onda de salida sin distorsión (nodo 6). Grafíquela en la Fig. 10. junto a la señal de entrada (nodo 5). Fig. 11. Amplificador MOSFET tipo enriq. en compuerta comun. 1. 2. Fig. 10. Salida vs entrada del amplificador MOSFET tipo enriq. en drenador comun. 3. Determine la ganancia de voltaje de AC: 𝐴= 4. 5. 3. Observe el circuito de la Fig. 11. para fuente común y compárelo con el de la Fig. 9. ¿Existe similitud? Haga los cambios al circuito y conecte todos los componentes de acuerdo a la Fig. 11. Utilice una fuente sinusoidal a 10kHz con 500mV y obtenga la forma de onda de salida sin distorsión. Grafíquela en la Fig. 12. |𝑉𝑠𝑎𝑙 | 1.81𝑉 = = 0.968 |𝑉𝑒𝑛 | 1.87𝑉 (3) Introduzca un resistor variable en serie con el capacitor de base CG en el circuito de la Fig. 9. Con una fuente AC sinusoidal a 10kHz en la entrada con 1Vp, mida el voltaje de salida mientras se varía la resistencia de manera que la ganancia de la Ec. E1 se reduzca a la mitad. Mida con el multímetro el valor de esta resistencia y anote este valor en la Tabla T1. Con estas condiciones, esta resistencia es la impedancia de entrada del amplificador en drenador común. Retire el resistor variable de la entrada del circuito y conéctelo en lugar del resistor de carga RL. Con una fuente AC sinusoidal a 10 kHz en la entrada con 1Vp, mida el voltaje de salida mientras varia la resistencia de manera que la ganancia de la Ec. 3 se reduzca a la mitad. Mida con el multímetro el valor de esta resistencia y anote este valor en la Tabla III. Con estas condiciones, esta resistencia es la impedancia de salida del amplificador en drenador común. Fig. 12. comun. 4. 3) Configuración en Compuerta Común Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH Determine la ganancia de voltaje de AC. 𝐴= 5. Tabla III. Impedancias de entrada y salida del amp. MOSFET tipo eriq. en drenador común. 𝑍𝐸𝑁 (𝛺) 70k Salida del amplificador MOSFET tipo enriq. en compuerta 6. (4) Aumente el voltaje de entrada gradualmente hasta que se observe que la señal de salida comience a distorsionarse por saturación. Determine el voltaje máximo permisible de entrada mediante 𝑉𝑆𝑎𝑙𝑀𝑎𝑥 sin que exista distorsión. 𝑉𝑒𝑛𝑀𝑎𝑥 = 𝑍𝑆𝐴𝐿 (𝛺) 65 1.44𝑉 = 16.20 88.97𝑚𝑉 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑀𝑎𝑥 2.54𝑉 = = 0.157 𝐴 16.20 (5) Grafique la señal de salida distorsionada en la Fig. 13. Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Miguel Rivera Fig. 13. Salida distorsionada del amplificador MOSFET tipo enriq. en compuerta comun. 7. Introduzca un resistor variable en serie con el capacitor de base CS en el circuito de la Fig. 11. Con una fuente AC sinusoidal a 10kHz en la entrada con 100mVp, mida el voltaje de salida mientras se varía la resistencia de manera que la ganancia de la Ec. 4 se reduzca a la mitad. Mida con el multímetro el valor de esta resistencia y anote este valor en la Tabla IV. Con estas condiciones, esta resistencia es la impedancia de entrada del amplificador en drenador común. 8. Retire el resistor variable de la entrada del circuito y conéctelo en lugar del resistor de carga RL. Con una fuente AC sinusoidal a 10 kHz en la entrada con 100mVp, mida el voltaje de salida mientras varia la resistencia de manera que la ganancia de la Ec. 4 se reduzca a la mitad. Mida con el multímetro el valor de esta resistencia y anote este valor en la Tabla IV. Con estas condiciones, esta resistencia es la impedancia de salida del amplificador en drenador común. 5 Fig. 14. Circuito Amplificador con MOSFET en Fuente común simulado. Fig. 15. Grafica de la respuesta del circuito amplificador con MOSFET en configuración fuente común 2) Configuración en Drenador Común En la configuración de drenador común montamos el circuito en mulstisim como se muestra a continuación: Tabla IV. Impedancias de entrada y salida del amp. MOSFET tipo enriq. en compuerta común. 𝑍𝐸𝑁 (𝛺) 180 𝑍𝑆𝐴𝐿 (𝛺) 280 VI. SIMULACIONES A. Análisis en AC 1) Configuración en Fuente Común Fig. 15. Circuito Amplificador con MOSFET en Drenador común simulado. Obtuvimos las gráficas en AC de las tres configuraciones de amplificadores MOSFET utilizando el Transient Analysis. En la configuración de fuente común montamos el circuito en mulstisim como se muestra a continuación: Fig. 16. Grafica de la respuesta del circuito amplificador con MOSFET en configuración Drenador Común. Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Miguel Rivera 3) Configuración en Compuerta Común En la configuración de compuerta común montamos el circuito en Mulstisim como se muestra a continuación: 6 𝑍𝑖 = 𝑅1||𝑅2 𝑍𝑜 = 𝑅𝐷 (6) (7) En la Fig. 5 se aprecian los valores de estas resistencias y mediante las mismas se verifica que las impedancias encontradas en la Tabla II, están muy cerca del valor teórico. Como se menciono anteriormente ya que las impedancias de entrada dependen de las resistencias de polarización en la práctica estas se seleccionan con valores elevados para obtener la resistencia de entrada lo mas alta posible. Fig. 17. simulado. Circuito Amplificador con MOSFET en Compuerta común Fig. 18. Grafica de la respuesta del circuito amplificador con MOSFET en configuración Compuerta Común. VII. ANÁLISIS DE RESULTADOS 1) Análisis en DC Como se especifica en la Fig. 2 para que un transistor MOSFET entre en funcionamiento es necesario que se aplique una tensión entre el drenador y la fuente de polaridad positiva 𝑉𝐷𝑆 como se observa en la Tabla I, de igual forma se aplica entre compuerta y fuente (𝑉𝐺𝑆 ) con polaridad positiva, como resultado de polarizarse la compuerta a una tensión mayor a la tensión de umbral, se crea una región de agotamiento en la región que separa la fuente y el drenador, cuando esta tensión crece lo suficiente, aparecen portadores minoritarios en la región de agotamiento, que dan lugar a un canal de conducción, de esta manera el transistor pasa a estado de conducción y esto da origen a que circule la corriente por el drenador que se encontró en la Tabla I, en este punto podemos decir que el MOSFET se comporta como una fuente de corriente cuyo valor está controlado por 𝑉𝐺𝑆 . 2) Configuración en Fuente Común. Como es posible apreciar a través de la Fig. 7 y mediante la Ec. 1 la ganancia de un amplificador con transistores MOSFET es relativamente alta y la señal de salida presenta un desfasaje de 180° con respecto a la entrada. En cuanto a las impedancias de entrada y de salida en configuración fuente común es posible decir que las mismas dependen de las resistencias de polarización y de la resistencia de drenador respectivamente, ya que es posible determinar su valor de la siguiente manera: Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH 3) Configuración en Drenador Común. En los datos de la Tabla III se puede observar que el valor de la impedancia de entrada (𝑍𝐸𝑁 ), es de 70kΩ el cual es un valor muy elevado en cuanto a resistividad, este fenómeno se debe a que en esta configuración, la señal de entrada es aplicada a la compuerta (Gate) y esta, internamente, está separada físicamente del canal mediante una placa de óxido metálico la cual hace muy difícil el paso del flujo de corriente en esta zona y por ende habrá un alta impedancia de entrada al amplificador. También, en la Fig. 10 se aprecia que NO existe desfase entre la señal de entrada y de salida del amplificador. 4) Configuración en Compuerta Común. En la Tabla IV es notable que la impedancia de entrada en esta configuración sufre una disminución drástica con respecto a las otras dos configuraciones estudiadas, esto se puede ocasionar a que la señal de entrada pasa fácilmente de fuente a drenador ya que la compuerta está aislada, también la alta de ganancia en compuerta común, mostrada en la Ec.4, se puede atribuir a esto, ya que si consideramos el circuito equivalente hibrido en compuerta común del diagrama de la Fig. 20, la amplificación seria por parte de Vs, ya que Vg esta a tierra, y en Vs está concentrada casi en su totalidad la señal de entrada. Fig. 20. Circuito equivalente hibrido para cualquier FET. VIII. CUESTIONARIO 1) Usted investiga en Internet algún circuito para el proyecto de Electrónica II y encuentra un circuito de Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Miguel Rivera amplificadores con MOSFET tipo enriq de compuerta común con polarización por divisor de voltaje. Hace el montaje en Multisim y, al momento de hacer el análisis en transiente, la señal de salida es prácticamente nula con respecto a la señal de entrada. ¿Qué podría concluir acerca el diseño del circuito? ¿Qué podría concluir sobre los parámetros de trabajo del amplificador? ¿Hará el montaje físico del mismo para ver, quizás, que la simulación es errónea?? 2) Mencione 2 razones por las que utilizaría algún amplificador con MOSFET en vez de amplificadores con BJT o JFET. - Cuando es necesario disipar una potencia alta y conmutar grandes corrientes. - Cuando sea necesario generar bajos niveles de ruido 3) ¿Qué podría decir acerca de un MOSFET tipo enriquecimiento si tiene un 𝑽𝑮𝑺(𝒕𝒉) = 𝟏𝟎𝑽 y 𝒌 = 𝟏. 𝟐𝟓. ¿Es adecuado para circuitos amplificadores de pequeña señal? 4) Haga una tabla comparativa que muestra las ventajas de las 3 configuraciones de los amplificadores con MOSFET tipo enriq. en relación a su ganancia e impedancias. Fuente Común -Tiene una ganancia de voltaje relativamente alta. -La señal de voltaje de salida presenta un desfase de 180° con la entrada -Tiene una elevada impedancia de entrada y una relativamente alta impedancia de salida. Drenador Común - Tiene una ganancia menor a la unidad. -La señal de voltaje de salida está en fase con la con la señal de entrada. -Tiene una elevada impedancia de entrada (mayor que en fuente común) y una baja impedancia de salida. Compuerta -Tiene una ganancia de voltaje Común relativamente alta -La señal de voltaje de salida está en fase con la señal de entrada. -Tiene una baja impedancia de entrada y una relativamente alta impedancia de salida (igual a la de fuente común) Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH 7 5) Haga una tabla comparativa de las configuraciones de los amplificadores con MOSFET, BJT y JFET con ventajas y desventajas. MOSFET - Son controlados por la tensión de compuerta-fuente -Tienen una impedancia de entrada muy elevada -Tienen una linealidad muy pobre Son estables con la temperatura. - Soporta mayores voltajes - Generan un nivel de ruido menor que los BJT Mayor velocidad de conmutación. - Son más costosos. BJT -Son controlados por la corriente de base -Altas ganancias de voltaje -Impedancia de entrada baja en comparación con los FET -Presentan mayor linealidad que los FET - Son menos estables con la temperatura - No se dañan tanto por la electricidad estática como los FET - Generan un nivel de ruido mayor que los FET JFET Son controlados por la tensión de compuerta-fuente - Tienen una impedancia de entrada muy elevada -Tiene una linealidad muy pobre. - Son estables con la temperatura -Tiene mayor ganancia que un MOSFET, pero menor a los BJT - IX. CONCLUSIONES 1. 2. A través de las mediciones obtenidas concluimos que en el caso del amplificador en fuente común y el amplificador en compuerta común se presentan ganancias de voltaje similares por lo tanto el uso de una u otra configuración dependerá de las características que se deseen entre la señal de entrada y salida. (David Benitez) Las configuraciones Fuente común y Compuerta común, ambas se pueden utilizar si se desea amplificar una señal débil, pero la más ideal para este tipo de uso es la configuración en Fuente Común, ya que, a diferencia de la config. Compuerta Común, esta presenta un alta impedancia de entrada, lo cual es Laboratorio de Electrónica II – Instructor: Miguel Rivera 3. favorable si no se desean obtener interferencias por parte del generador o circuitos previos al amplificador. (Luigi Sierra) La configuración en Drenador común sería ideal para un caso práctico en el que se desea elevar la impedancia de salida de un circuito previo al amplificador, para obtener señales más limpias y manteniendo casi la misma ganancia del sistema. (Luigi Sierra) REFERENCIAS [1] D. L. Schilling y C. Belove, Circuitos Electronicos: Discretos e Integrados, Madrid: McGRAWHILLS/INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A., 1993. [2] Diseño de circuitos y sistemas electronicos,documento PDF, Antonio Jesus Torralba. Ingeniería Eléctrica Industrial - UNAH 8
