relatório eletrônica ii - polarização de jfet’s
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ASSOCIAÇÃO EDUCACIONAL DOM BOSCO
FACULDADE DE ENGENHARIA DE RESENDE
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA / ELETRÔNICA
CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO DE JFET’S
JOSÉ EVANDO COLT DE ALMEIDA
LIANA DE SOUZA RITTER
RESENDE - RJ
16 de Março de 2013
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JOSÉ EVANDO COLT DE ALMEIDA
LIANA DE SOUZA RITTER
CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO DE JFET’S
Relatório de experimento apresentado à
Associação Educacional Dom Bosco,
Faculdade de Engenharia de Resende,
como exigência da disciplina de
Eletrônica II do Curso de Engenharia
Elétrica/ Eletrônica, como requisito
parcial para Grau do 1° Bimestre.
Orientadora: Professora Eliane Santos
RESENDE
16 de Março de 2013
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SUMÁRIO
RESUMO .............................................................................................................................. 3
1
INTRODUÇÃO........................................................................................................................4
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA........................................................................................4
2.1 Polarização Fixa JFET .........................................................................................................4
2.2 Circuito com Autopolarização .............................................................................................7
2.3 Polarização por Divisor de Tensão.....................................................................................11
2.4 Polarização usando Fonte de Corrente................................................................................14
3 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NAS EXPERIÊNCIAS ................15
4 PROCEDIMENTOS E RESULTADOS............................................................................15
4.1 Experimento para Polarização da Porta .............................................................................15
4.2 Experimento para Autopolarização.....................................................................................17
4.3 Experimento para Polarização por Divisor de Tensão .......................................................18
4.4 Experimento para Polarização por Fonte de Corrente .......................................................19
4.4.1 Com Fonte Bipolar ................................................................... ......................................19
4.4.2 Com Fonte Monopolar ...................................................................... ...........................20
5 DISCUSSÃO.................................................................... ....................................................22
6 CONCLUSÃO ...................................................................... ............................................23
REFERÊNCIAS...................................................................... ...............................................24
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RESUMO
Neste relatório apresentamos as polarizações para o JFET: polarização fixa,
autopolarização, polarização por divisor de tensão e polarização por fonte de corrente. São
apresentadas as análises e resoluções para os métodos gráficos e matemáticos. São relatados
os procedimentos, resultados e conclusões para as seguintes experiências de polarização do
JFET: Polarização fixa, autopolarização, polarização por divisor de tensão e polarização por
fonte de corrente: para alimentação monopolar e bipolar.
Palavras-Chave: JFet. Polarização de JFET. Polarização por fonte de corrente.
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1 INTRODUÇÃO
Para o transistor de efeito de campo, a relação entre os parâmetros de entrada e saída é
não linear devido ao termo quadrado da equação de Schokley. A relação não-linear entre ID e
VGS pode complicar o raciocínio matemático necessário à análise cc de configurações com
FET. Um método gráfico pode limitar bastante a precisão, mas é o método mais rápido para a
maioria dos amplificadores a FET.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
As relações gerais usadas para análise dc são:
IG = 0A
ID = IS
Para JFET e MOSFET tipo depleção, a equação de Schokley relaciona as variáveis de
entrada e saída:
ID = IDSS(1-VGS/VP)2
2.1 Polarização Fixa JFET
É uma das poucas configurações com FET que permite análise gráfica e matemática.
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Figura 1: Circuito com Polarização Fixa
Para análise dc:
IG = 0A
VRG = IGRG = 0A (RG) = 0V
A queda de 0V através de RG permite substituir RG por um curto-circuito equivalente, como
mostrado na Figura 2:
Figura 2: Circuito com Polarização Fixa para Análise dc
Como o terminal negativo da bateria está conectado à porta, pode-se concluir que a polaridade
de VGS é oposta à de VGG:
VGS = - VGG
Uma vez que a fonte VGG é constante, a tensão VGS é fixa por isso o nome “polarização fixa”.
A corrente de dreno é encontrada pela equação:
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ID = IDSS(1-VGS/VP)2
Como VGS é fixa para essa polarização, ela pode ser substituída na equação de Schokley.
Para a análise gráfica:
Fazendo VGS = VP/ 2,
A corrente de dreno fica igual à: ID = IDSS/ 4.
Gráfico 1: Achando a solução para Polarização Fixa
A reta vertical representa VGS = - VGG, portanto o nível de ID deve ser determinado
sobre esta curva. O ponto onde as duas curvas se interceptam é a resolução para a
configuração. Observe que o nível quiescente de ID é determinado desenhando uma linha
horizontal do ponto Q ao eixo de ID.
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Os níveis de ID e VGS podem ser medidos como mostra a Figura 3.
Figura 3: Medindo os valores Quiescentes de ID e VGS
A tensão dreno-fonte pode ser determinada aplicando-se as leis das tensões:
VDS + IDRD – VDD = 0
e: VDS = VDD – IDRD
Os índices de uma só letra referenciam tensões que estão referenciadas ao terra. Assim, para a
Figura 3:
VS = 0V
Alterando a notação:
VDS = VD – VS
VD = VDS + VS = VDS + 0V
VD = VDS
Além disso: VGS = VG – VS
VG = VGS + VS = VGS = 0V
e: VG = VGS
2.2 Circuito com Autopolarização
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A configuração com autopolarização elimina a necessidade de duas fontes dc. A
tensão controladora porta-fonte é agora determinada pela tensão através do resistor RS,
colocando entre a fonte e o terra.
Figura 4:Configuração de JFET com Autopolarização
Para a análise cc, os capacitores podem novamente serem substituídos por “circuitos abertos”,
e o resistor RG pode ser substituído por um curto-circuito equivalente, já que IG=0A.O circuito
fica como mostrado na Figura 5:
Figura 5: Análise cc da Configuração com Autopolarização
Para a malha indicada na Figura, achamos que:
IG = 0AID = IS
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VRS = IDRS
- VGS – VRS = 0
VGS = - VRS
VGS = - IDRS
A equação é definida pela configuração do circuito e a equação de Schokley relaciona os
parâmetros de entrada e saída do dispositivo. As duas equações permitem uma análise gráfica
e matemática.
Para a Solução Matemática, substitui-se a equação VGS = - IDRS na equação de Schokley:
e:
Onde:
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Em VDS: VDS positivo para FET canal N e negativo para um FET canal P
Em VGS: VGS é negativo para FET canal N e positivo para FET canal P
Gráfico 2: Definindo pontos na Reta de Autopolarização
O método gráfico exige que primeiro se levante a curva de transferência do circuito. Uma vez
que a equação VGS = IDRS define um a reta no mesmo gráfico, é suficiente indicarmos dois
pontos desta reta para obtê-la. U ponto da reta é estabelecendo primeiro ID = 0A e depois, VGS
= 0V. Para determinação do segundo ponto, estabelece-se um valor para VGS ou ID.
Suponha que ID é igual a metade do nível de saturação, ou seja:
ID = IDSS/2
Portanto, VGS = -IDRS = -IDSSRS/2
O resultado é o segundo ponto da reta traçada.
Através da lei de Kirchhooff encontramos:
VRS + VDS + VRD – VDD = 0
VDS = VDD – VRS – VRD
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Com: ID = IS
VDS = VDD – ID ( RS + ID)
VS = IDRS
VG = OV
VD = VDS + VS = VDD – VRD
2.3 Polarização por Divisor de Tensão
Figura 6: Configuração da Polarização por Divisor de Tensão
Figura 7: Circuito redesenhado da Figura para Análise cc
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Uma vez que IG = 0A, a lei das correntes permite afirmar que IR1 = IR2.
Então: VG = VR2
VG = R2*VDD/ R1 + R2
Lei de Kirchhoff sentido horário:
VG - VGS – VRS = 0
E: VGS = VG – VRS
Mas VGS = VG – ISRS = VG – IDRS
O resultado é uma equação com as mesmas variáveis da equação de Schockley: VGS e ID. VG
e RS são fixas pela configuração do circuito. Esta equação é de uma reta. Deve-se escolher
primeiramente ID = 0, assim encontraremos primeiramente VG. Depois aplicamos na equação
VGS = 0 e encontramos ID para o traço da curva do circuito.
Valores crescentes de RS proporcionam valores decrescentes de ID, e valores mais negativos
de VGS.
Uma vez determinados os valores de IDQ e VGSQ, a análise restante é mais usual:
VDS = VDD – ID (RD + RS)
VD = VDD – IDRD
VS = IDRS
IR1 = IR2 = VDD/ R1 + R2
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Gráfico 3: Esboçando a Equação do circuito para Polarização por Divisor de Tensão
Gráfico 4: Efeito de RS no Ponto Q Resultante
Para a solução algébrica: A seguir será apresentada a solução algébrica geral para o ponto de
polarização de circuitos
usando um FET com polarização por divisor de tensão.
Onde:
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: VDS positivo para FET canal N e negativo para um FET canal P
: VGS é negativo para FET canal N e positivo para FET canal P
2.4 Polarização usando Fonte de Corrente
Um modo de polarização do JFET na região ativa. Ele é necessário quando a tensão de
alimentação do dreno no é relativamente muito maior que a tensão VGS. Assim as variações
em VGS não são suficientemente encobertas pela tensão de alimentação, causando então uma
flutuação do ponto quiescente (Q), sendo este instável. A polarização por fonte de corrente
consiste no acréscimo de um transistor de junção bipolar (figura 7) para assim obtermos uma
fonte de corrente fixa na malha de emissor. Pode-se chegar à conclusão que este modo de
polarização produz uma corrente de dreno (ID) estável, que independe das variações sofridas
em VGS como visto no Gráfico 5 da curva de ID versus VGS.
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Figura 7: Circuito Alimentado por Fonte de Corrente Gráfico 5: Curva Característica Polarização por Fonte de Corrente
Análise do transistor Bipolar (base):
+ VBE + VE – VEE = 0
+ VBE + RE.IC – VEE = 0
IC = (VEE – VBE)/RE
Sabendo que: αCC = 1
Então IC ≈ IE ≈ ID
Logo ID = (VEE – VBE)/RE
3 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NAS EXPERIÊNCIAS
- 1 Módulo Universal 2000,
- 1 Placa de Experiência CEB 05,
- 1 Osciloscópio,
- 1 Multímetro (digital ou analógico) e,
- 1 Miliamperímetro.
4 PROCEDIMENTOS E RESULTADOS
Realizei experimentos para circuitos de polarização de JFET’s: polarização da porta,
autopolarização, polarização por divisor de tensão, polarização por fonte de corrente: com
fonte bipolar e com fonte monopolar:
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4.1 Experimento para Polarização da Porta
Com a chave liga/desliga da fonte variável na posição desligada e instalei a placa
CEB-05 no Slot E ou F do módulo 2000.
Fechei as chaves Ch1 e Ch5 do DIP Switch.
Conectei o miliamperímetro entre os pontos A1 e A2, selecionando a escala para
medir na faixa de 50 mA DC.
Coloquei o voltímetro na saída da fonte variável. Liguei o módulo e ajustei a tensão da
fonte variável em +10 V e –1,5 V, respectivamente. Nesta situação, tem-se o seguinte circuito
equivalente:
Figura 8: Circuito de Polarização da Porta
Variei a tensão negativa da porta, ajustando a corrente de dreno em torno da metade de
IDSS, de acordo com o circuito da Figura 8. Medi e anotei os valores obtidos:
ID = 14,20mA VGS = -1,25V VD = 6,31V
Nota: Com a polarização da porta, aplica-se uma tensão negativa fixa no terminal do gate,
produzindo uma corrente de dreno menor do que IDSS. Desta maneira, está fixado o ponto Q
de operação, qualquer sinal aplicado na porta provocaria variação da corrente de dreno. Em
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conseqüência, neste terminal o sinal seria reproduzido de forma amplificada. O principal
problema está na produção em série: quando vários circuitos iguais são montados, a corrente
de dreno varia de um circuito para outro e não é possível definir com precisão o valor deste
parâmetro, pois a corrente de dreno, usualmente, apresenta uma significativa diferença de um
JFET para outro.
4.2 Experimento para Autopolarização
Modifiquei as posições das chaves de modo que Ch4 fique na posição fechada (ON) e
as demais chaves fiquem na posição aberta (OFF). Nestas condições, o circuito equivalente é
o mostrado na Figura 9:
Figura 9: Circuito de Autopolarização
Medi e anotei:
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ID = 5,5mA
VD = 2,50V
VS = 3,38V
VG = 3,09V
Nota: Como a corrente de porta é teoricamente nula, a tensão na porta deve ser zero, pois a
resistência de 1k está aterrada. A corrente pela resistência de fonte eleva o potencial do
terminal de fonte e fixa um ponto Q de operação. No caso em que vários circuitos iguais são
montados, a variação de corrente de dreno de um JFET para outro é menos susceptível neste
tipo de polarização do que na polarização da fonte.
4.3 Experimento para Polarização por Divisor de Tensão
Abri todas as chaves, com exceção da chave Ch6 que ficou na posição fechada (ON).
Nesta situação tem-se o circuito equivalente da Figura 10:
Figura 10: Circuito de Polarização por Divisor de Tensão
Medir e anotar os seguintes parâmetros:
VD = -1,5V
VS = -7V
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VG = -3,6V
Calculei a corrente de dreno:
Nota: A tensão na porta (VG) fornecida pelo divisor de tensão é menor do que a tensão de
fonte (VS), desta forma é fixado um ponto Q de operação. A tensão VGS depende quase que
exclusivamente da relação entre as resistências.
Outro modo de polarização que proporciona alta estabilidade é a Polarização da Fonte,
mostrado na Figura 11, onde procura-se que a variação de VGS não influencie na corrente de
dreno e, assim, obtenha-se um ponto Q mais estável.
Figura 11: Circuito de Polarização da Fonte
4.4 Experimento para Polarização por Fonte de Corrente
Foram realizados polarização por fonte de corrente com fonte bipolar e fonte monopolar.
4.4.1 Com Fonte Bipolar
Desliguei a chave liga/desliga da fonte variável e ajustei a tensão em +12 V e –12 V,
respectivamente.
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Com um fio externo, liguei o pino G-8 com o pino G-11 (-Var), situado no bloco
Eletrônica Básica do módulo universal (Slot E ou F).
Coloquei as chaves Ch 6 e Ch 7 na posição fechada e liguei a fonte. Nesta situação,
tem-se o circuito equivalente de polarização mostrado na Figura 12:
Figura 12: Circuito de Polarização por Fonte de Corrente para Alimentação Bipolar (Fonte Simétrica)
Medi e anotei os seguintes parâmetros:
VD = 5,85V
VS = 2,61V
VG = 0V
4.4.2 Com Fonte Monopolar
Desliguei a chave da fonte variável e troquei a conexão feita com o fio externo, de
modo a ligar o pino G-8 agora com o pino G-13 (AGND).
Abri a chave Ch7 e fechei a chave Ch8. Apenas Ch6 e ficaram na posição fechada
(ON).
Liguei a chave da fonte variável do módulo. Nesta situação tem-se o circuito
equivalente da Figura 13:
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Figura 13: Circuito de Polarização por Fonte de Corrente para Alimentação Monopolar
Medi e anotei os resultados obtidos:
VG = 3,97V
VD = 2,75V
VS = 9V
5 DISCUSSÃO
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Nos circuitos de polarização do JFET existe muita analogia com os circuitos de
polarização de transistores bipolares. Por exemplo, a polarização da porta é similar à
polarização de base do BJT. Este método de polarização é o pior quando se busca fixar um
ponto Q, para amplificadores lineares. A razão é que existe uma variação muito grande entre
os valores mínimos e máximos dos parâmetros dos JFET’s e, como a polarização da porta
proporciona uma tensão fixa no terminal de gate, a localização do ponto Q depende
fortemente do JFET utilizado. Já a autopolarização possui uma certa função de
retroalimentação, similar ao da realimentação do emissor do transistor bipolar, que
proporciona uma melhoria na estabilidade do ponto Q.
De maneira similar aos transistores bipolares, as melhores opções para polarizar o JFET, é
utilizando-se o método de polarização por divisor de tensão ou através da polarização da fonte
(análoga à polarização do emissor do BJT). Estes métodos de polarização buscam produzir
uma corrente de dreno que independa de VGS. Com essa mesma filosofia, surge a polarização
por fonte de corrente, onde o efeito de VGS é realmente desprezível.
6 CONCLUSÃO
23
No primeiro experimento “polarização da porta” pode-se concluir que é um circuito de
polarização fixa visto que a tensão aplicada em VGG é negativa. Da lei de Kirchhoff, tem-se
que a tensão aplicada na fonte é igual à tensão através da fonte e do ponto G do circuito,
caracterizando novamente um circuito de polarização fixa. O resultado medido para ID foi
quase o calculado. A principal característica do circuito de autopolarização é a eliminação da
necessidade de duas fontes dc. Neste circuito a tensão controladora porta-fonte é determinada
pela tensão no resistor RS (no caso R3), a tensão VGS é uma tensão negativa (igual e oposta
para a tensão VRS) para este circuito, o que foi comprovado para os valores obtidos de VG e de
VS, indicando uma tensão VG menor que VS. Para o circuito de divisor de tensão
REFERÊNCIAS
24
TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO. BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, Capítulo 5; Prentice Hall do Brasil – 3ª edição – 1972, Rio de Janeiro, RJ.
TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO. Apostila. SANTOS, Elaine. 2013.
JFET. Disponível em: http://www.dee.feb.unesp.br/~alceu/Grupo02.pdf. Acessado em 19/03/2013.