I. TRANZISTORUL CU EFECT DE CĂMP AMPLIFICATOARE CU FET

1. Introducere

În cazul tranzistorilor bipolari am arătat că aceştia sunt dispozitive amplificatoare controlate în curent: curentul de ieşire este controlat de către un mic curent de intrare.

Tranzistorii cu efect de câmp (FET) sunt dispozitive semiconductoare amplificatoare controlate în tensiune: o mică tensiune de intrare controlează curentul de ieşire. Curentul de intrare este uzual neglijabil, acesta poate fi mai mic de 1pA. Acesta este un mare avantaj atunci când semnalul provine de la un dispozitiv cum ar fi un microfon cu condensator sau traductor piezoelectric, care sunt dispozitive incapabile să producă un curent semnificativ.

Tranzistorii cu efect de câmp (FET-urile) sunt de două tipuri: tranzistori cu efect de câmp cu poarta joncţiune - JFET tranzistori cu efect de câmp cu poarta izolată - IGFET (ultimul este mai

cunoscut după numele care descrie construcţia sa: metal - oxide semiconductor field - effect transistor >> MOSFET sau simplu MOS.

2. Tranzistorul JFET

Tranzistorul JFET este prezentat în formă de diagramă în Fig.1a, împreună cu simbolul sau Fig.1b. O bară de siliciu de tip n are contacte ohmice (ne-redresoare) la ambele capete. Într-un loc în lungul barei o regiune cu siliciu de tip p formează o joncţiune p-n. În modul de operare normal, joncţiunea este polarizată invers. Contactul inferior de pe bară este numit sursă iar cel superior drenă. După cum sugerează aceste nume, curentul de electroni izvorăşte din sursă şi străbate bara de siliciu spre drenă, fiind controlat de tensiunea aplicată regiunii p numită poartă.

O altă variantă constructivă este dispozitivul canal p (JFET-p), unde poarta este făcută din material n (Fig.1c).

Funcţionarea tranzistorului JFET depinde de mărimea "zonei de sărăcire" la joncţiunea poartă, polarizată invers. Fig.1d prezintă un JFET-n plasat într-un circuit de testare (este figurată şi zona de sărăcire). Poarta de tip p este mult mai tare dopată decât bara semiconductoare de tip n, astfel că "regiunea de sărăcire" este aproape în întreaga bară. Pentru, o tensiune sursă-drenă dată, curentul de drenă este dependent doar de tensiunea VGS de intrare. În practică există în mod normal porţi de tip p pe ambele părţi ale barei de tip n astfel încât canalul este format între două straturi de sărăcire, care controlează dimensiunile canalului, modulând în ritmul tensiunii de poartă mărimea curentului de drenă.

Poarta

Poarta

Drena

Drena

Sursa

Sursa

(b)

(c)

n

p

Sursa

Drena

Poarta

mA

V

(d)

Fig.1.

(a) JFET cu canal n (constructie)

(b) Simbol JFET cu canal n

(c) Simbol JFET cu canal p

(d) Circuit test pentru JFET-n

ID

Sursa

Poarta

DrenaZona

saracita

Spre deosebire de tranzistorii bipolari, tranzistorii FET folosesc în funcţionare doar purtătorii majoritari. Pentru aceasta uneori sunt numiţi tranzistori unipolari şi sunt mai puţin sensibili (ca cei bipolari) la modificări de temperatură şi radiaţii nucleare, deoarece acestea afectează în special numărul de purtători minoritari.

În tranzistorul JFET-p, care este mai puţin folosit ca cel cu canal n, purtătorii majoritari sunt golurile. În funcţionare, drena este ţinută negativă în raport cu sursa, iar poarta (pentru a fi polarizată invers) este pozitivă în raport cu sursa.

3. Caracteristici de transfer ; Transconductanţa

Cum să exprimăm performanţele tranzistorilor cu efect de câmp (FET)? În cazul tranzistorilor bipolari, câştigul în curent este uşor de înţeles şi are calitatea că este un simplu raport adimensional. În cazul tranzistorilor FET trebuie să exprimăm faptul că, curentul de drenă ID este controlat de tensiunea de poartă-sursă (VGS) (Fig.1d). Avem astfel:

gm = ∆ID / ∆VGS Dacă ID este în miliamperi şi VGS este în volţi, gm este în "milimho" sau în

"milisiemens" (mS); unitatea este adesea scrisă mA / V, alteori microsiemens (µS). Astfel dacă un FET are transconductanţa de 3mS, o modificare a tensiunii de poartă (poartă-sursă) de 1V produce o modificare a curentului de drenă de 3mA. Caracteristicile de transfer pentru tranzistori FET sunt prezentate în Fig.2., iar în Fig.3 şi 4 se prezintă amplificatore de tensiune cu JFET.

0VGS

IDRegiune de

saracireRegiune de

intarire

ID

0VGS VGS

IDRegiune desaracire

Regiune desaracire

Regiune de intarire

Regiune deintarire

(a) JFET (b) MOSFET cu saracire (c) MOSFET cu intensificareFig.2. Caracteristici tipice de transfer pentru FET-uri cu canal n

0

4. Amplificatoare de tensiune cu FET În proiectarea unui amplificator de tensiune cu FET, avem nevoie (ca şi la

tranzistorul bipolar) să facem conversia curentului de ieşire al FET-ului în tensiune de ieşire. Aceasta cere o rezistenţă de sarcină RL. Fig. 3 prezintă un amplificator de tensiune rudimentar folosind un tranzistor JFET cu canal n (BFW11). Pentru a obţine o amplificare corespunzătoare de tensiune se impune o valoare relativ mare pentru rezistenţă de sarcină RL = 22KΩ, lucru care impune şi o tensiune relativ mare de alimentare VDD ≅ 18V. În acest circuit simplu, joncţiunea poartă-sursă este polarizată invers printr-o mică baterie de 1,5V.

În Fig.4 se prezintă un montaj îmbunătăţit care incorporează un circuit de polarizare "automată" a porţii. Sursa este menţinută pozitivă în raport cu pământul printr-o rezistenţă RS,în timp ce poarta este legată la pământ prin rezistenta RG (cu toate că valoarea rezistenţei RG este foarte mare, poarta este legată la potenţialul pământului, întrucât curentul de intrare este foarte mic). Condensatorul CS previne apariţia unui semnal de curent alternativ (a.c.) pe rezistenţa de sursă care ar reduce mult câştigul prin reacţie negativă (valoarea condensatorului CS dictează şi răspunsul în frecvenţă al amplificatorului). Câştigul în tensiune al circuitului este uzual intre 20 şi 30.

5. Repetor pe sursă cu FET Prin conectarea sarcinii în circuitul sursei FET-ului realizăm un circuit

"repetor pe sursă" (Fig.5a). Repetorul pe sursă, la fel ca repetorul pe emiter cu tranzistor bipolar, este un circuit adaptor (schimbător) de impedanţă, cu un câştig de tensiune apropiat de unitate, dar care beneficiază de impedanţă foarte mare de intrare a FET-ului. În Fig.5b se prezintă semnalele a.c. şi curenţii intr-un circuit repetor pe sursă.

id

vgs

RG

is

RL Vies

RL

ig iin

(a) montaj

+VDD +VDD (b) semnale a.c.

RG CS

Vies Vin Vin

Vies Rs

RG

+VDD

RG

RL +VDD

Vin

Fig.3 Amplificator Fig.4 Amplificator Fig.5 Repetor pe sursa cu JFET cu JFET cu JFET

Întrucât curentul de poartă ig este neglijabil, ştim că, curentul a.c. de drenă

id, este egal cu curentul de sursă is. Dar transconductanţa gm = id/vgs ne dă: id = gmvgs Întrucât id=is

is = gm vgs şi din legea lui Ohm:

vieş = RL is = R gm vgs Dar:

vgs = vin-vieş => vieş = RL gm(vin-vieş) Regrupând termenii:

vieş = RL gm vin-RL gm vieş vieş (1+RL gm) = RL gm vin astfel, vom avea o amplificare (câştig) de tensiune:

mL

mL

in

iesv gR

gRvvA

+==

1 (1)

În circuitul din Fig.5a luând gm=2mA/V avem un câştig în tensiune:

Av = (4.700*2*10-3)/[1+(4.700*2*10-3)] ≅ 0,90 După cum se vede câştigul de tensiune nu este chiar unitar (este mai

apropiat de unitate la repetorul pe emiter, cu tranzistor bipolar) dar pierderea nu este uzual semnificativă.

6. Punct de fucţionare îmbunătăţit pentru repetor pe sursă

Circuitul simplu din Fig.5a are un domeniu limitat al variaţiei permise a tensiunii de ieşire din cauza punctului de funcţionare în curent continuu.

Un montaj cu performanţe d.c. şi a.c. îmbunătăţite este prezentat în Fig.6a. În plus acesta asigură o impedanţă mai mare de intrare (~ 10MΩ - dar poate creşte schimbând doar RG).

În Fig.6b se prezintă un circuit cu divizorul de potenţial "bootstrapat" pentru a da o impedanţă foarte mare de intrare, în regiunea a 100MΩ.

7. Măsurarea impedanţei de intrare şi de ieşire

Cea mai convenabilă metodă de măsurare a impedanţei de intrare este prezentată în Fig.7a, iar în Fig7b se prezintă o metodă practică de măsurare a impedanţei de ieşire.

După cum reiese din Fig.7 putem scrie: V1-V2 = R Iin Iin = (V1-V2) / R Zin = V2 / Iin

deci: Zin = RV2 / (V1-V2) = R / [(V1-V2)-1] Ω

Dacă circuitul testat este un amplificator, atunci măsurarea lui V1 şi a lui V2 este mai comod de făcut la ieşirea amplificatorului:

- se măsoară V1 făcând R=0 şi apoi V2 cu R în circuit, în acest caz:

Z ARVA V V

RVV Vin = −

=−

2

1 2

2

1 2( ) ( )

- sau se reglează R până când V1/V2=2 (deci V2=V1/2) şi deci Zin=R Pentru determinarea impedanţei de ieşire (Fig.7b) se măsoară tensiunea de

ieşire "la mers în gol" cu un voltmetru cu impedanţa de intrare mare (sau cu un osciloscop), apoi se aplică o sarcină cunoscută R, şuntând ieşirea. Se citeşte noua tensiune de ieşire V` şi se calculează impedanţa de ieşire Zieş. Dacă tensiunea de mers în gol este V şi tensiunea de ieşire cu sarcină aplicată va fi V`, căderea de tensiune pe Zieş va fi V-V`(volţi), curentul de ieşire cu sarcină va fi V`/R (amperi) şi deci:

Zieş = [R (V-V`) / V`] Ω

Fig.6 Circuite performante cu JFET şi repetor pe sursă

Fig.7 Circuite de măsură pentru Zin şi Zies

8. Măsurarea amplificării în tensiune

Câştigul în tensiune al unui amplificator poate fi convenabil măsurat injectând la intrare un semnal sinusoidal Vin de la un generator şi apoi folosind un osciloscop (sau voltmetru de a.c.) se măsoară semnalul de ieşire Vieş.

Amplificarea de tensiune:

in

ieşV V

VA = ;

in

ieşV V

VdBA log20][ =

Dacă în cele prezentate mai sus menţinem Vin constant şi măsurăm Vieş

funcţie de frecvenţa injectată la intrare, putem ridica caracteristica de frecvenţă (răspunsul în frecvenţă) al amplificatorului.

9. Modul de lucru

În fig.8 se prezintă schema de conexiuni a blocului de alimentare-măsură pentru montajele din Fig.4,5,6 şi 7. 1. Se cuplează pe rând montajele la blocul de alimentare-măsură din Fig.8, apoi se alimentează blocul cu o tensiune continuuă corespunzătoare. 2. La intrarea blocului de măsură se cuplează un generator de semnal sinusoidal. 3. Ieşirea blocului de măsură se cuplează la un voltmetru (sau osciloscop). 4. Se măsoară:

- amplificarea în tensiune (la frecvenţa f0=1KHz, Vin=200mV) - impedanţa de intrare şi de ieşire - răspunsul în frecvenţă

5. Rezultatele experimentale se tabelează

VDD VDD

6. Se reprezintă grafic, amplificarea (dB) în funcţie de frecvenţă (Hz), în scară logaritmică 7. Se elaborează referatul final.

MODULE

a

b

a

b

VCCK1

R

R11K

Led

Fig.8 Schema blocului de alimentare-masura