Small-Signal Models

Small-Signal Models
   There are two small-signal circuit models which are commonly used to analyze JFET circuits.
These are the hybrid-π model and the T model. The two models are equivalent and give identical
results. They are described below.

Hybrid-π Model
   Let the drain current and each voltage be written as the sum of a dc component and a small-signal
ac component as follows:
             iD = ID + id
             vGS = VGS + vgs
             vDS = VDS + vds

If the ac components are sufficiently small, we can write


where the derivatives are evaluated at the dc bias values. Let us define

The drain current can thus be written

id = i'd + vds/r0

where

i'd = i's = gmvgs

The gate current is given by ig = i's −i'd = 0. The small-signal circuit which models these equations is given in Fig. 5(a). This is called the hybrid-π model. The resistor rd is the parasitic resistance in series with the drain contact. It has a typical value of 50 to 100 Ω. Often it is neglected in calculations. This is done in the following. It is simple to account for rd in any equation by adding it to the external drain load resistance.



T Model
The T model of the JFET is shown in Fig. 5(b). The resistor r0 is given by Eq. (15). The resistor rs is given by

where gm is the transconductance defined in Eq. (14). The currents are given by


The currents are the same as for the hybrid-π model. Therefore, the two models are equivalent.

Small-Signal Equivalent Circuits

   Several equivalent circuits are derived below which facilitate writing small-signal low-frequency equations for the JFET. We assume that the circuits external to the device can be represented by Thévenin equivalent circuits. The Norton eqivalent circuit seen looking into the drain and the Thévenin equivalent circuit seen looking into the source are derived. Several examples are given which illustrate use of the equivalent circuits.

Simplified T Model

   Figure 6(a) shows the JFET T model with a Thévenin source in series with the gate. We wish to solve for the equivalent circuit in which the source i'd connects from the drain node to ground rather than from the drain node to the gate node. We call this the simplified T model. Aside for the subscripts, the T model in Fig. 5(b) is identical to the T model for the BJT with rx = 0.
Therefore, the simplified T model for the JFET must be of the same form as the simplified T model for the BJT. Because ig = 0, the effective current gains of the JFET are α = 1 and β = ∞. The simplified T model is shown in Fig. 6(b), where i'd and rs are given by


Norton Drain Circuit

   The Norton equivalent circuit seen looking into the drain can be used to solve for the response of the common-source and common-gate stages. Fig. 7(a) shows the JFET with Thévenin sources connected to its gate and source. The Norton drain circuit follows directly from the BJT Norton collector circuit with appropriate changes in subscripts and the substitutions α = 1, and β = ∞, and rx = 0. The circuit is given in Fig. 7(b), where id(sc) and rid are given by
                                   id(sc) = Gmg.Vtg − Gms.Vts



The two transconductances Gmg and Gms are given by



For the case r0 >> Rts and r0 >> rs, we can write
                        id(sc) = Gm (vtg − vts)

where

The value of id(sc) calculated with this approximation is simply the value of i's calculated with r0 considered to be an open circuit. The term "r0 approximations" is used in the following when r0 is neglected in calculating id(sc) but not neglected in calculating rid.

Thévenin Source Circuit

   The Thévenin equivalent circuit seen looking into the source is useful in calculating the response of common-drain stages. Fig. 8(a) shows the JFET symbol with a Thévenin source connected to the gate. The resistor Rtd represents the external load resistance in series with the drain. The Thévenin source seen looking into the source follows directly from the Thévenin emitter circuit for the BJT with appropriate subscript changes and the substitutions α = 1, β = ∞, and rx = 0. The circuit is shown in Fig. 8(b), where vs(oc) and ris are given by

When Rtd = 0, note that ris = rs//r0.

Summary of Models

Figure 9 summarizes the four equivalent circuits derived above.




Nombre: María José Nieto Cárdenas
Asignatura: EES
Fuente: http://users.ece.gatech.edu/mleach/ece3050/notes/jfet/thejfet.pdf

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COMO LEER LAS HOJAS DE CARACTERISTICAS

COMO LEER LAS HOJAS DE CARACTERISTICAS
Las hojas de caracteristicas de los JFET son similares a las de los transistores bipolares. El lector encontrara especificaciones maximas, caracteristicas de continua, caracteristicas de alterna (para señal), datos mecanicos, etc.
Como de costumbre, un dato adecuado para comenzar son las especificaciones maximas, porque estas indican los limites de las corrientes, tensiones y otras cantidades de los JFET.

Especificaciones de ruptura:

   En el Apendice, la hoja de caracteristicas del MPF102 da estas especificaciones
maximas:


   Habitualmente, en un diseño normal se incluye un factor de seguridad para
las especificaciones maximas.
Como se señalo anteriormente, el factor de ajuste nos indica cuanto se reduce la especificacion de potencia de un dispositivo. El factor de ajuste de un MPF102 es 2 mW/ºC. Este hecho significa que se tiene que reducir la especificacion de potencia de 200 mW en 2 mW por cada grado que sobrepase los 25°C.

Idss y Vgs(off)

   Dos indicaciones de las mas importantes en la hoja de caracteristicas de un dispositivo de empobrecimiento son la corriente de drenador maxima y la tension puerta-fuente de corte. Estos valores se dan en la hoja de caracteristicas de un MPF102:


   Hemos comentado antes la dispersion 10: 1 en IDss. Esta gran dispersion fue una de las razones para usar las aproximaciones del JFET. Otra razon de la aproximacion es esta: la hoja de caracteristicas frecuentemente omite valores, asi que realmente no se tiene idea del valor de algunas magnitudes. En el caso del MPF102, no se da el valor minimo de VGS(off).

Tabla de JFET

   La Tabla 13-2 muestra una lista de diferentes JFET. Los datos estan ordenados de forma ascendente segun gmo. Las hojas de caracteristicas para estos JFET muestran que algunos estan optimizados para trabajar a frecuencias de audio y otros para radiofrecuencia. Los tres ultimos estan optimizados para aplicaciones de conmutacion.
   Los JFET son dispositivos de pequeña señal porque su disipacion de potencia es normalmente menor que un vatio. En aplicaciones de audio los JFET se usan a menudo como seguidores de fuente. En aplicaciones de radiofrecuencia se usan como amplificadores VHF/UHF, mezcladores y osciladores.
En aplicaciones de conmutaci6n se usan tipicamente como conmutadores analogicos.



Nombre: María José Nieto Cárdenas
Asignatura: EES
Fuente: Libro "Principios de Electronica" Malvino, Albert Paul

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OTRAS APLICACIONES DEL JFET

OTRAS APLICACIONES DEL JFET

   Un JFET no puede competir con un transistor bipolar en la mayoria de las aplicaciones de amplificacion. Pero sus caracteristicas especiales lo hacen apropiado para aplicaciones especiales. En esta seccion estudiaremos algunas aplicaciones en las cuales las propiedades del JFET proporcionan una ventaja evidente sobre el transistor bipolar.

Multiplexacion

   Multiplex significa "muchos en uno". La Figura 13-27 muestra un multiplexador analogico, un circuito que conduce una de las señales de entrada a la linea de salida. Cada JFET actua como un interruptor serie. Las señales de control (V1, V2 y V3) conmutan los JFET de corte a saturacion. Cuando son mas negativas que VGS(off), todas las señales de entrada estan bloqueadas. Al igualar a cero alguna tension de control, podemos transmitir una de las entradas a la salida.
Por ejemplo, si V1 es alta y las otras son bajas, tenemos una salida sinusoidal. Si V2 es alta y las otras son bajas, obtenemos una salida triangular. Cuando V3 es alta y las otras son bajas, tenemos una onda cuadrada en la salida. Generalmente, solo una de las señales de control es alta; esto nos asegura que solo llega una señal a la salida.

Muestreadores JFET
   Podemos construir un amplificador de acoplamiento directo eliminando los condensadores de acoplo y de desacoplo y conectando la salida de cada etapa directamente a la entrada de la siguiente. De esta forma, la corriente continua y la alterna estan acopladas. Los circuitos que pueden amplificar las señales de continua se denominan amplificadores de continua. La principal desventaja de un acoplamiento directo es la deriva (en ingles, drift), un desplazamiento en la tension de salida final producido por variaciones de la alimentacion, el transistor o la temperatura.


La Figura 13-28a muestra un procedimiento para superar el problema de la deriva que se produce por el acoplamiento directo. En lugar de usar un acoplamiento directo, utilizamos un muestreador JFET para convertir la tension continua de entrada en una onda cuadrada. El valor de pico de esta onda cuadrada es igual a Vdc. Debido a que la onda cuadrada es una señal alterna, podemos utilizar un amplificador de alterna convencional, uno con condensadores de acoplo entre las etapas. La salida amplificada puede entonces ser detectada por su pico para recuperar la señal continua amplificada.
El amplificador muestreador puede amplificar pequeñas señales de alterna, asi como señales de continua. Si la entrada es una señal alterna de baja frecuencia, se obtiene la forma de onda que aparece en la Figura 13-28b. Esta señal muestreada puede ahora ser amplificada por un amplificador de alterna que es libre de deriva. La señal amplificada puede entonces aplicarse a un detector de pico para recuperar la señal de entrada original.

Amplificador de aislamiento

   La Figura 13-29 muestra un amplificador de aislamiento (buffer), una etapa intermedia que aisla la anterior de la posterior. En teoria, un amplificador de aislamiento debe tener una impedancia de entrada alta. Si asi sucede, casi toda la tension Thevenin de la etapa A aparece en la entrada del amplificador de aislamiento. Este debe tener tambien una impedancia de salida pequeña, para asegurar asi que toda su tension de salida alcance la entrada de la etapa B.
El seguidor de fuente es un excelente amplificador de aislamiento debido a su alta impedancia de entrada (del orden de megaohmios a frecuencias bajas) y su pequeña impedancia de salida (cientos de ohmios es lo tipico).
La alta impedancia significa una pequeña carga para la etapa precedente. La impedancia de salida pequeña implica que el amplificador de aislamiento puede estimular a cargas elevadas (pequeñas resistencias de carga).

Amplificadores de bajo ruido:

   El ruido es una perturbacion no deseada superpuesta sobre una señal util. El ruido interfiere en la informacion que contiene la señal; cuanto mas ruido, menor informacion. Por ejemplo, el ruido en receptores de television produce pequeños puntos blancos o negros en la imagen. Un ruido muy denso puede eliminarla. De forma similar, el ruido en receptores de radio produce interferencias y silbidos, lo que algunas veces encubre completamente la voz o la musica. El ruido es independiente de la señal, al existir aun cuando la señal no este presente.
   El JFET es un excelente dispositivo de bajo ruido, ya que introduce mucho menos que un dispositivo bipolar. Este hecho es especialmente importante en las primeras etapas de los receptores y otros equipos electronicos debido a que las etapas siguientes amplifican el ruido ademas de la señal. Si utilizamos un amplificador JFET en la primera etapa, tenemos menos ruido amplificado en la salida final.
   Otros circuitos introducidos cerca de la etapa de salida de los receptores son mezcladores de frecuencia y osciladores. Un mezclador de frecuencia es un circuito que transforma una frecuencia alta a otra baja. Un oscilador es un circuito que genera una señal de corriente alterna. Los JFET se usan frecuentemente como amplificadores de VHF/UHF, mezcladores y osciladores.
VHF quiere decir "frecuencias muy altas" (Very High Frequencies) (de 30 a 300 MHz), y UHF, "frecuenciaS esxtremadamente altas" (Ultra High Frequencies) (de 300 a 3.000 MHz).

Resistencia controlada por tension:

   Cuando un JFET funciona en la zona Ohmica, normalmente VGS = 0 para asegurarnos una saturacion fuerte. Pero esto es una excepcion. Es posible hacer funcionar un JFET en la zona ohmica con valores de VGS entre 0 y Vgs(off). En este caso, el JFET se comportara como una resistencia controlada por tension.
En la Figura 13-30 se muestran las curvas de salida de un 2N5951 cerca del origen con Vds menor de 100 mV. En esta zona, la resistencia rd, para pequeña señal se define como la relacion entre la tension de drenador y la corriente de drenador:

En la Figura 13-30 puede ver que rds depende de que curva usemos para Vgs.
Para VGS = 0, rds es minima e igual a Rds. Segun Vgs se va haciendo mas negativa, rds aumenta y se hace mayor que RDs.
Por ejemplo, cuando VGs = 0 en la Figura 13-30, podemos calcular:

   Con estos resultados podemos constatar que un JFET que funciona en la zona ohmica actua como una resistencia controlada por tension. Recuerde que un JFET es un dispositivo simetrico para frecuencias bajas, con lo que cada extremo puede funcionar como fuente o drenador indistintamente.
Es por esto por lo que las curvas de salida en la Figura 13-30 se extienden a ambos lados del origen. Esto significa que un JFET se puede usar como una resistencia controlada por tension para señales alternas pequeñas, generalmente aquellas con tensiones pico a pico menores de 200 mV. Cuando se usa de esta forma, el JFET no necesita una tension de drenador continua de alimentacion, ya que es proporcionada por la pequeña señal de entrada.
La Figura 13-31a muestra un circuito paralelo donde el JFET funciona como resistencia controlada por tension. Este circuito es identico al interruptor paralelo JFET visto anteriomente. La diferencia esta en que VGS no oscila entre 0 y una tensi6n negativa alta. Sin embargo, Vgs puede variar continuamente, esto es, puede tener cualquier valor entre 0 y VGs(off). De esta forma, VGs controla la resistencia del JFET, cambiando el valor de pico de la tension de salida.
   La Figura 13-31b es un circuito serie con un JFET funcionando como resistencia controlada por tension. La idea basica es la misma. Cuando cambia Vgs cambia la resistencia para alterna del JFET, cambiando el valor de pico de la tension de salida.
Como se calculo anteriormente, cuando Vgs = 0 V, el 2N5951 tiene una resistencia para pequeña señal de:

Control automatico de ganancia:

   Cuando un receptor pasa de sintonizar una emisora con señal debil a una emisora con señal fuerte, el altavoz producira un sonido muy intenso a menos que el volumen se reduzca inmediatamente. El volumen puede variar tambien debido a un desvanecimiento, una variacion en la intensidad de la señal causada por un cambio electrico en la trayectoria entre las antenas de recepcion y transmision. Para evitar cambios no deseados en el volumen, la mayoria de los receptores utilizan el control automatico de ganancia (CAG).
La Figura 13-32 presenta la idea basica de un CAG. Una señal de entrada Vin atraviesa un JFET funcionando como una resistencia controlada por tension. La señal es amplificada y da como resultado una señal de salida vout.
Esta señal de salida realimenta un detector de picos. La salida de este detector de picos proporciona la tension Vgs al JFET.
Si la señal de entrada aumenta en un valor grande repentinamente, la tension de salida aumentara. Debido a esto, llegara un pico grande de tension negativa al detector de picos. Como Vgs es mas negativa, el JFET aumenta su resistencia ohmica, lo que reduce la señal que entra en el amplificador y, consecuentemente, la de salida.
Por otra parte, si la señal de salida disminuye, la salida disminuye y el detector de picos produce una salida menor. Como VGS es menos negativa, el JFET aumenta la tension en la entrada del amplificador, lo que aumenta la salida final. Como vemos, el efecto que produce cualquier cambio repentino en la señal de entrada es compensado o, al menos, reducido por la accion del CAG.

Nombre: María José Nieto Cárdenas

Asignatura: EES

Fuente: Libro "Principios de Electronica" Malvino, Albert Paul

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EL INTERRUPTOR ANALOGICO CON JFET

   Despues del seguidor de fuente, la otra aplicacion mas comun del JFET es el interruptor analogico. En este caso, el JFET funciona como un interruptor que conduce o corta una señal pequeña. Para este tipo de funcionamiento, la tension puerta-fuente VGS se restringe a dos valores: 0V o un valor mayor que Vgs(off). De esta forma, el JFET funciona en la zona ohmica o en la de corte

lnterruptor paralelo

   En la Figura 13-23a se presenta un JFET trabajando como un interruptor paralelo. El JFET entra en conduccion y en corte dependiendo de si VGS es alta o baja. Cuando Vgs es alta (0 V), el JFET funciona en la zona ohmica. Cuando Vgs es baja, el JFET esta en corte.    
   Debido a este hecho, podemos considerar la Figura 13-23b como circuito equivalente.
   Para un funcionamiento normal, la tension de entrada debe ser pequeña, generalmente menor de 100 mV. Una señal pequeña nos asegura que el JFET permanece en la zona ohmica cuando se alcanzan los picos positivos para esta señal. Asimismo, RD es mucho mayor que RDs, para asegurarnos una saturacion fuerte:

   Cuando Vgs es alta, el JFET actua en la zona ohmica y el interruptor de la Figura 13-23b esta cerrado. Como RD es mucho mayor que RDs, Vout es mucho mayor que Vin. Cuando Vgs es baja, el JFET esta en corte y el interruptor de la Figura 13-23b esta abierto. En este caso, Vout = Vin. Por tanto, el interruptor paralelo con JFET conduce o corta la señal.

lnterruptor serie

   La Figura 13-23c muestra un JFET trabajando como un interruptor serie y la figura 13-23d representa su circuito equivalente. Cuando Vgs es cero, el interruptor esta cerrado y el JFET equivale a una resistencia RDs. En este caso, la salida es aproximadamente igual a la entrada. Cuando Vgs es igual o mas negativa que Vgs(off) ,el JFET esta abierto y vin es aproximadamente cero.



   La razon conexion-desconexion de un interruptor se define como la tension
maxima de salida dividida entre la tension minima de salida:

   La mejor eleccion cuando se requiere un valor alto para la razon conexion-desconexion es utilizar el interruptor serie, debido a que tiene un valor mucho mayor que el interruptor paralelo.

Muestreadores

   La Figura 13-24 nos presenta un JFET muestreador. La tension en la puerta es una onda continua cuadrada que constantemente conmuta el JFET de conexion a desconexion. La tension de entrada es un pulso rectangular de valor VDc. Debido a la onda cuadrada en la puerta, la salida esta muestreada (conmuta entre saturacion y corte), como se indica.
En un muestreador JFET se pude utilizar tanto un interruptor paralelo como uno serie.    Basicamente, el circuito transforma la tension de entrada en una onda cuadrada a la salida.   
   El valor de pico a la salida del muestreador es VDc. Un muestreador JFET se utiliza para construir amplificadores de corriente continua, circuitos que pueden amplificar señales de cualquier frecuencia por debajo de la frecuencia de la señal de muestreo.


Nombre: María José Nieto Cárdenas
Asignatura: EES
Fuente: Libro "Principios de Electrónica" Malvino, Albert Paul (4º edición)

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AMPLIFICACION CON JFET

AMPLIFICACION CON JFET

   La Figura 13-17a muestra un amplificador en fuente comun. Los condensadores de acoplo y desacoplo actuan como cortocircuitos para señal. Debido a esto, la señal esta acoplada directamente a la puerta.
   Como la fuente esta desacoplada a masa, toda la tension de entrada alterna aparece entre la puerta y la fuente. Esta produce una corriente alterna de drenador. Como dicha corriente circula por la resistencia de drenador, tenemos una señal de salida invertida y amplificada. La mencionada señal de salida esta acoplada a la resistencia de carga.

Ganancia de tension

La Figura 13-17b nos muestra el circuito equivalente. La resistencia para señal de drenador rd es:

La ganancia de tension es:

que se simplifica como:

   Esto indica que la ganancia de tension de un amplificador en fuente comun es igual a la transconductancia por la resistencia para señal de drenador.


Seguidor de fuente

   La Figura 13- 18 nos muestra un seguidor de fuente. La señal de entrada llega a la puerta y la señal de salida esta acoplada de la fuente a la resistencia de carga. Como el seguidor de emisor, el seguidor de fuente tiene una ganancia en tension menor que 1. La principal ventaja del seguidor de fuente es su alta resistencia de entrada. A menudo, vera usar el seguidor de fuente como etapa final de un sistema, seguido de etapas bipolares de ganancia en tension.
En la Figura 13-18, la resistencia de fuente para señal se define como:

Con lo que la ganancia de tension para un seguidor de fuente sera:

Ya que el denominador es siempre mayor que el numerador, la ganancia de
tension es siempre menor que 1.



Nombre: María José Nieto Cárdenas
Asignatura: EES
Fuente: Libro "Principios de Electrónica" Malvino, Albert Paul (4º edicion)

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Transconductancia

Transconductancia
   Para analizar amplificadores con JFET, necesitamos estudiar un parametro para señal que se denomina transconductancia; se indica por medio de Gm.
Simbolicamente, la transconductancia esta dada por

   Esta ecuacion indica que la transconductancia es igual a la corriente alterna de drenador
dividida entre la tension en alterna puerta-fuente. La transconductancia nos dice cuan
efectiva es la tension de puerta-fuente para controlar la corriente de drenador.
   A mayor transconductancia, mayor control ejerce la tension de puerta sobre la corriente
de drenador.
Por ejemplo, si id = 0,2 mA pp y Vgs = 0,l V Pp, entonces:

Por otra parte, si id = 1 mA pp y Vgs = 0,l V pp, entonces:

En el segundo caso, la mayor transconductancia significa que la puerta es mas efectiva
al controlar la corriente de drenador.

Siemen
   La unidad mho corresponde a la razon entre la corriente y la tension. El equivalente formal y la unidad actual del mho es el siemen (S): asi, las respuestas anteriores pueden
expresarse como 2.000 uS y 10.000 us. La mayoria de las hojas de caracteristicas
continuan utilizando el mho en lugar del siemen. Tambien emplean el simbolo Gfs para Gm.
Por ejemplo, la hoja de caracteristicas de un 2N5451 especifica una Gfs tipica de 2.000 uS
para una corriente de drenador de 1 mA, lo cual equivale a decir que el 2N5451 tiene una Gm tipica de 2.000 umho a 1 mA.

Pendiente de la caracteristica de transferencia
La Figura 13-16a presenta el significado de gm en terminos de la curva de transferencia.
Entre los puntos A y B, un cambio en Vgs produce un cambio en ID.
La relacion entre la variaci6n de Id y la variaci6n de Vgs es igual al valor de Gm
entre A y B. Si seleccionamos otro par de puntos en una zona mas alta de la curva,
por ejemplo C y D, obtenemos una mayor variacion en Id para una variacion dada de VGS.
Por tanto, Gm tiene un valor mayor en la parte superior de la curva. Dicho de otra forma, Gm es la pendiente de la caracteristica de transferencia. Cuanto mayor sea la pendiente de
la curva en el punto Q, mayor sera la transconductancia.
La Figura 13-16b muestra un circuito equivalente simple para pequeña señal de un JFET.
Entre la puerta y la fuente hay una resistencia muy grande RGS. El drenador de un JFET actua como una fuente de corriente con un valor de GmVgs. Si conocemos Gm y Vgs podemos calcular la corriente alterna de drenador.


Transconductancia y tension puerta-fuente de corte:
   Vgs(off) es dificil de medir con exactitud, mientras que Idss y Gmo se miden muy facilmente y con gran precision. Por tanto, VGS(off) se obtiene normalmente con la siguiente ecuacion:

En esta ecuacion Gm es el valor de la transconductancia cuando VGS = 0.
Esto es lo que hacen los fabricantes en las hojas de caracteristicas.
Cuando VGs = 0, Gm alcanza su valor miximo. Este se designa por Gmo
Cuando VGs es negativa, disminuye el valor de gm. La ecuacion de gm para cualquier valor
de Vgs es:

   Observe que Gm disminuye linealmente cuando VGS se hace mas negativa, como se muestra en la Figura 13-16c. Esta propiedad es muy util en el control automatico de ganancia.

Nombre: María José Nieto Cárdenas
Asignatura: EES
Fuente: Libro "Principios de Electrónica" Malvino, Albert Paul (4º edición)

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Caracteristica de Transferencia

Caracteristica de Transferencia

   La caracteristica de transferencia de un JFET es una grafica que representa ID frente a VGS.

   Leyendo los valores de Id y Vgs de cada curva de drenador de la Figura 13-5 podemos dibujar la curva de la Figura 13-6a. Se advierte que la curva no es lineal porque la corriente aumenta rapidamente cuando Vgs se aproxima a cero.

   Cualquier JFET tiene una caracteristica de transferencia como la de la Figura 13-6b. Los puntos finales de la curva son Vgs(off) e Idss. La ecuacion para esta grafica es:

   Debido a la parte que esta elevada al cuadrado en esta ecuacion, los JFET son tambien conocidos como dispositivos de ley cuadratica. El cuadrado de esta cantidad provoca una curva no lineal como las de la Figura 13-6b. La Figura 13-6c muestra una caracteristica de transferencia normalizada.

   Normalizada significa que estamos representando razones como Id/Idss y Vgs/Vgs(off). En la Figura 13-6c, el punto medio de corte,

produce una comente normalizada de

   En otras palabras, cuando la tension en la puerta es la mitad de la tension de corte, la corriente de drenador es un cuarto del maximo.

Polarizacion en la Zona Ohmica

   El JFET puede estar polarizado en la zona ohmica o en la zona activa. Cuando lo polarizamos en la zona ohmica, el JFET es equivalente a una resistencia.

   Cuando lo polarizamos en la zona activa, el JFET es equivalente a una fuente de corriente. En esta seccion expondremos la polarizaci6n de puerta, el metodo usado para polarizar un JFET en la zona ohmica.

Polarizacion de puerta

   La Figura 13-7a muestra una polarizacion de puerta. Una tension negativa de puerta de  -VGG se aplica a la puerta a traves de la resistencia de polarizacion Rg. Esto provoca una corriente de drenador que es menor que Idss. Cuando la corriente drenador circula por Rd, produce una tension de drenador de

   La polarizaci6n de puerta es la peor forma de polarizar un JFET en la zona activa debido a que el punto Q es demasiado inestable.

   Por ejemplo, un 2N5459 tiene la siguiente separacion entre el minimo y el maximo: Idss varia desde 4 a 16 mA, y Vgs(off) varia desde -2 a -8 V. La Figura 13-7b muestra las caracteristicas de transferencia minima y maxima. Si usamos una polarizacion de puerta de -1 V con este JFET, conseguimos los puntos Q maximos y minimos mostrados. Q1 tiene una corriente de drenador de 12,3 mA y Q2 de solo 1 mA.

Saturacion fuerte

   Aunque no es apropiada para polarizar en la zona activa, la polarizaci6n de puerta es idonea para la polarizacion en la zona ohmica dado que no nos importa la estabilidad del punto Q. La Figura 13-7c nos muestra como polarizar un JFET en la zona ohmica. El limite superior de la recta de carga para corriente continua tiene una corriente de saturacion de drenador de

Para estar seguros de que el JFET este polarizado en la zona ohmica, todo lo que necesitamos hacer es usar Vgs = 0 y:

   El simbolo << significa "mucho menor que". Esta ecuacion nos dice que la corriente de saturacion en el drenador debe de ser mucho menor que la corriente maxima de drenador. Por ejemplo, si un JFET tiene Idss = 10 mA, la saturacion fuerte ocurrira si Vgs = 0 e Id(sat)= 1 mA.

   Cuando un JFET esta polarizado en la zona ohmica, lo podemos sustituir por una resistencia de valor Rds, como nos muestra la Figura 13-7d. Con este circuito equivalente podemos calcular la tension de drenador. Cuando Rds es mucho menor que Rd, la tension de drenador se aproxima a cero.

POLARIZACION EN LA ZONA ACTIVA

   Los amplificadores JFET necesitan tener un punto Q en la zona activa. Debido al gran margen entre parametros en el JFET, no podemos usar la polarizacion de puerta. Sin embargo, necesitamos utilizar metodos de polarizacion similares a los usados con transistores bipolares.

Polarizacion con un divisor de tension

   La Figura 13-9a nos muestra la polarizacidn con divisor de tension. El divisor de tension provoca una tension en la puerta que es una fraccion de la tension de alimentacion.

Restando la tension puerta-fuente, obtenemos la tension en la resistencia de fuente:

   Como Vgs es negativa, la tension de fuente sera ligeramente mayor que la tension de puerta. Cuando dividimos esta tension de fuente entre la resistencia de fuente, obtenemos la corriente de drenador:

   Cuando la tension de puerta es grande, podemos despreciar las variaciones de Vgs desde un JFET al siguiente. Idealmente, la corriente drenador es igual a la tension de puerta dividida entre la resistencia de fuente. Como resultado, la corriente de drenador es casi constante para cualquier JFET, como muestra la Figura 13-9b.

La Figura 13-9c muestra la recta de carga para corriente continua. Para un amplificador, el punto Q tiene que estar en la zona activa. Esto significa que Vds es mucho mayor que Id , (zona ohmica) y menor que VDD (corte).

   Cuando disponemos de una tension de alimentacion grande, la polarizacion por divisor de tension puede alcanzar un punto Q estable.

Polarizacion con dos fuentes

   La Figura 13-10 nos muestra la polarizacion con dos fuentes. La corriente de drenador viene dada por:

De nuevo, la idea es reducir la influencia de las variaciones de Vgs haciendo Vds mucho mayor que Vgs. Idealmente, la corriente de colector es igual a la tension de alimentacion de la fuente entre la resistencia de fuente. En este caso, la corriente de drenador es casi constante incluso si sustituimos el JFET o ante cambios de temperatura.

Polarizacion con fuente de corriente
   Cuando la fuente de tension del drenador no es lo suficientemente grande, puede que no haya la suficiente tension en la puerta como para despreciar las variaciones de Vgs. En este caso, un diseñador puede preferir usar la polarizacion con fuente de corriente de la Figura 13- 11a. En este circuito, el transistor bipolar bombea una corriente fija al JFET. La corriente de drenador viene dada por:

La Figura 13-11b ilustra hasta que punto es efectiva la polarizacion con fuente de corriente. Aunque Vgs es diferente para cada punto Q, no tiene ya influencia en el valor de la corriente drenador.

Autopolarizacion
   La Figura 13-12a muestra la autopolarizacion. Como la corriente de drenador circula a traves de la resistencia de fuente Rs, existira una tension entre la fuente y tierra, dada por:

Como Vgs es cero,

   Esto nos indica que la tension puerta-fuente es igual a la tension negativa a traves de la resistencia de la fuente. Basicamente, el circuito crea su propia polarizacion usando la tension que aparece en Rs para polarizar en inversa la puerta.

   La Figura 13-12b muestra el efecto de diferentes resistencias de fuente.

   Hay un valor medio Rs, para el cual la tension puerta-fuente es la mitad de la tension de corte. Una aproximacion para esta resistencia media es:

   Esta ecuacion indica que la resistencia de fuente deberia ser igual a la resistencia ohmica del JFET. Cuando se cumple esta condicion, Vgs es aproximadamente la mitad de la tension de corte y la corriente del drenador es aproximadamente un cuarto de Idss.

El punto Q para la autopolarizacion no es tan estable como en la polarizacion por divisor de tension, polarizacion de fuente o polarizacion por fuente de corriente. Por todo esto, la autopolarizacion se utiliza solo en amplificadores de pequeña señal.

Nombre: María José Nieto Cárdenas

Asignatura: EES

Fuente: Libro "Principios de Electrónica"  Malvino, Albert Paul (4º Edición)

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