tarea 2

ELECTRÓNICA ANÁLOGA - (243006A_954)

Guía de actividades y rúbrica de evaluación – Fase 2 Presentar solución al problema del circuito con transistores unipolares

Presentado a: JAIRO LUIS GUTIERREZ Tutor(a)

Entregado por: Luis miguel gomez mendez Código:80191119 Grupo: 243006_68

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, INGENIERÍAS Y TECNOLOGÍAS CURSO DE ECUACIONES DIFERENCIALES FECHA 17/10/2021

Introducción Los transistores unipolares, o transistores de efecto de campo, FET (Field Effect Transistor) son dispositivos de estado sólido de dos uniones en los que un campo eléctrico controla el flujo de los portadores mayoritarios en un canal de conducción, de ahí su denominación de efecto de campo. A diferencia de los transistores bipolares, en los transistores unipolares la corriente total en el canal de conducción se debe únicamente a portadores mayoritarios del canal. Esta es la razón por la que a estos transistores también se les conoce como transistores unipolares. Las primeras propuestas de este tipo de transistores datan de los años 1920 (casi 20 años antes que los transistores bipolares). Si embargo su desarrollo no fue posible hasta 1953 (el primer transistor unipolar fue presentado y analizado por W. Shockley en 1952, y en 1953 Dacey y Ross construyeron el primer prototipo), porque no se contaba ni con los materiales semiconductores ni con las técnicas apropiadas. Hubo que esperar al desarrollo de otros dispositivos, tales como los transistores bipolares, para poder desarrollar los transistores unipolares.

Fundamentación teórica transistores de efecto de campo de unión Los transistores de efecto de campo de unión son dispositivos semiconductores de tres terminales (drenaje, fuente, puerta) en los que las características de voltaje-corriente del puerto de salida (drenaje, fuente) están controladas por el voltaje aplicado al puerto de entrada (puerta, fuente). Los JFET pueden ser de canal n o canal p, ambos tipos tienen características similares excepto por la polarización del terminal. Los JFETS son dispositivos en modo de agotamiento debido a su polarización intrínseca, conducen incluso cuando no se proporciona voltaje de polarización en el terminal de la puerta, a diferencia de los FET de mejora que requieren que la puerta a la fuente de voltaje esté encendida. JFET es un transistor de efecto de campo de la puerta de unión. El transistor normal es un dispositivo controlado por corriente que necesita corriente para la polarización, mientras que JFET es un dispositivo controlado por voltaje. Igual que los MOSFET, como hemos visto en nuestro tutorial anterior, JFET tiene tres terminales: Gate, Drain y Source

JFET es un componente esencial para los controles operados por voltaje de nivel de precisión en electrónica analógica. Podemos usar JFET como resistencias controladas por voltaje o como un interruptor, o incluso hacer un amplificador usando el JFET. También es una versión de eficiencia energética para reemplazar los BJT. JFET proporciona un bajo consumo de energía y disipaciones de energía bastante bajas, lo que mejora la eficiencia general del circuito. También proporciona una impedancia de entrada muy alta, lo cual es una gran ventaja sobre los BJT. Hay diferentes tipos de transistores, en la familia FET, hay dos subtipos: JFET y MOSFET.

Como trabaja el JFET Un mejor ejemplo para comprender el funcionamiento de un JFET es imaginar el tubo de manguera de jardín. Supongamos que una manguera de jardín está proporcionando un flujo de agua a través de ella. Si apretamos la manguera, el flujo de agua será menor y, en cierto punto, si lo apretamos por completo, habrá un flujo de agua cero. JFET funciona exactamente de esa manera. Si intercambiamos la manguera con un JFET y el flujo de agua con una corriente y luego construimos el canal de corriente, podríamos controlar el flujo de corriente.

Cuando no hay voltaje a través de la puerta y la fuente, el canal se convierte en un camino suave que está abierto para que fluyan los electrones. Pero lo inverso sucede cuando se aplica un voltaje entre la puerta y la fuente en polaridad inversa, lo que hace que la unión P-N se desvíe y hace que el canal sea más estrecho al aumentar la capa de agotamiento y podría colocar el JFET en la región de corte o pizca.

Si queremos apagar un JFET, necesitamos proporcionar una puerta negativa a la fuente de voltaje indicada como VGS para un JFET de tipo N. Para un JFET tipo P, necesitamos proporcionar VGS positivo. JFET solo funciona en modo de agotamiento, mientras que los MOSFET tienen modo de agotamiento y modo de mejora.

El problema: Suponga que trabaja para una compañía que diseña, prueba, fabrica y comercializa instrumentos electrónicos. Su segunda asignación es presentar trabajando en equipo con cuatro compañeros, una solución llamada amplificador de baja señal con JFET, el cual permite restaurar 2

señales débiles en los diferentes circuitos de transmisión y recepción de información las especificaciones dadas para el diseño son las siguientes: Señal de entrada: 300mV a 1Khz. Referencia del JFET para simular en Proteus: J201 ID= 3mA, VD= 10V, VGS (off)= -8V, VCC= 20V. De catálogo se tiene que: IDSS puede Variar de 2mA a 20mA… para este diseño se trabajara IDSS=16mA. El equipo de trabajo cuenta con 3 semanas para presentar un informe a la empresa, en él mismo, es obligatorio se evidencie una fundamentación teórica, una argumentación y la validación de la solución. Además, de ser aprobada la propuesta, se deberá realizar una implementación real y para ello se contará con acceso a los laboratorios. 1. Luego de la lectura de los recursos educativos requeridos para la Unidad 2, Cada estudiante debe describir con sus propias palabras la teoría de funcionamiento del circuito anterior. Argumentación. (Segunda Semana). Dadas Las Fórmulas: RD = (VCC – VD) / ID VGS = - ID∙ RS AV = -Gm∙ RD RS = VGS (off) / IDSS RG = Entre 1 y 2 MΩ Gm = ID / VGS 2. Argumentar matemáticamente el diseño presentado realizando los siguientes cálculos. Presentamos el circuito en proteus

Presentamos los valores dados Señal de entrada

Intensidad

Frecuencia

300mV-Vi

3mA

1Khz

Voltaje de drenaje 10V-VD

VGS(Off) - 8v

PRESENTAMOS LA FORMULAS METEMATICAMENTE

𝑅𝐷 =

𝑅𝑆 =

(𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐷 ) 𝐼𝐷

𝑉𝐺𝑆(𝑜𝑓𝑓) 𝐼𝐷𝑆𝑆

𝑉𝐺𝑆 = −𝐼𝐷 ∗ 𝑅𝑆

𝐴𝑉 = −𝐺𝑚 ∗ 𝑅𝐷

𝐼

𝐷 𝑅𝐺 = 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑒 1 𝑦 2 𝑀Ω 𝐺𝑚 = 𝑉𝐺𝑆

IDSS 16mA

VCC 20V

RG 2MΩ

-Estudiante 1: a.) Calcular la resistencia del drenaje RD.

𝑅𝐷 =

(𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐷 ) 𝐼𝐷

𝑅𝐷 =

(20𝑉 − 10𝑉) = 3.33𝑋103 3𝑚𝐴

𝑅𝐷 = 3.33Ω -Estudiante 2: b.) Calcular la resistencia del drenaje RS. 𝑅𝑆 =

𝑉𝐺𝑆(𝑜𝑓𝑓) 𝐼𝐷𝑆𝑆

𝑅𝑆 =

−8𝑉 = 500Ω 16𝑚𝐴

𝑅𝑆 = 500Ω -Estudiante 3: c.) Cual es el tipo de polarización del JFET y explique porque el valor de RG debe ser alto? Los transistores de efecto de campo (FET) son dispositivos de tres terminales: FUENTE (Source), DRENAJE (Drain) y PUERTA (Gate) que trabajan controlando la corriente entre drenaje y fuente a través del campo eléctrico establecido mediante la tensión aplicada al terminal de puerta. El terminal de puerta, que funciona como terminal de control, no maneja virtualmente corriente, salvo alguna corriente de fuga. El dispositivo presenta, en consecuencia, una elevada impedancia de entrada (puede llegar a valores del orden de 10 MΩ) que resulta esencial en variadas aplicaciones como ser: llaves analógicas, amplificadores de muy alta impedancia de entrada, etc. Son muy utilizados, también, como resistencias controladas por tensión y fuentes de corriente. Algunos tipos de FET presentan facilidades en cuanto a su integración en áreas pequeñas y se utilizan especialmente en altas escalas de integración (LSI o VLSI), con un amplio desarrollo para circuitos digitales (microprocesadores, memorias, etc.) y un permanente avance en su utilización en circuitos integrados de aplicación analógica. Teniendo en cuenta que pueden llegar a manejar más de 10 A de corriente se utilizan en diversas aplicaciones en reemplazo del transistor bipolar, dando un alto rendimiento en circuitos relativamente simples. El FET es un dispositivo cuyo funcionamiento puede ser asimilado al de una fuente de corriente controlada por tensión y presenta las siguientes características:

• es un dispositivo unipolar, tiene un único tipo de portadores. • presenta alta impedancia de entrada. La corriente de entrada es prácticamente nula (IG). • tiene un bajo producto ganancia-ancho de banda. • es de fácil fabricación e integración. En principio son dispositivos simétricos, o sea bidireccionales, no hay distinción entre los terminales de drenaje y fuente, salvo por el sentido de circulación de corriente. Se toma como convención que la corriente es positiva cuando circula de drenaje a fuente. En la fig. 1.01 se indica la convención de signos utilizada para las tensiones y la corriente en los transistores de efecto de campo. Hay dos variedades fundamentales de FET: • el transistor de efecto de campo de juntura (JFET) • el transistor de efecto de campo de compuerta aislada (IGFET), o más comúnmente transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET). Ambos están disponibles en dos clases (canal N y canal P). Dentro de los MOSFET se distinguen los de enriquecimiento o normalmente abiertos y los de empobrecimiento o normalmente en conducción. -Estudiante 4: d.) Calcular la reactancia capacitiva de los condensadores de acople. Como entendemos comprendemos y tenemos todos los valores utilizamos la fórmula para encontrar las reactancias capacitivas de los condensadores (capacitores) 𝑋𝑐 =

1 2𝜋𝑓𝑐1

𝑋𝑐1 =

1 = 15.91Ω 2𝜋 ∗ 1𝑘ℎ𝑧 ∗ 10𝑢𝑓

𝑋𝑐2 =

1 = 15.91Ω 2𝜋 ∗ 1𝑘ℎ𝑧 ∗ 10𝑢𝑓

𝑋𝑐3 =

1 = 1591.54Ω 2𝜋 ∗ 1𝑘ℎ𝑧 ∗ 0.1𝑢𝑓

-Estudiante 5: e.) Calcular la ganancia de voltaje AV. 𝐴𝑣 = −𝐺𝑚 ∗ 𝑅𝐷

𝑨𝒗 = 𝟐𝒎𝑨 ∗ 𝟑. 𝟑𝟑Ω = 𝟔. 𝟔𝟔𝒎𝑨

3.Presentar la simulación del amplificador de baja señal con JFET propuesto en la que se evidencie el correcto funcionamiento y las siguientes mediciones. - Amplitud de la señal de salida usando el Osciloscopio.

- Valor de VGS.

- Valor de VDS.

- Valor de VGD.

- Valor de la corriente ID.

Conclusiones

Antes de realizar el abordaje disciplinar de un tema, es pertinente identificar los conceptos o nociones que debe manejar el estudiante; para el caso específico del tema de Circuitos se considera necesario realizar un trabajo previo sobre el concepto de energía, sus diferentes formas de manifestarse y transformaciones. De esta forma el estudiante puede incluir en sus esquemas conceptuales conocimientos sobre fenómenos más complejos que le van a permitir explicar los acontecimientos cotidianos, como el funcionamiento de los electrodomésticos. Es importante no presentar al estudiante los conceptos físicos como definiciones, formulas o teorías acabadas, donde lo importante es repetir una definición teórica que no tiene discusión. Por el contrario, las temáticas se deben abordar reconociendo el trabajo en ciencias como el resultado de un largo proceso donde han participado diversos personajes, a través del tiempo; incluir la historia en la enseñanza de la Física de una forma didáctica (cuento) -para nuestro caso de la Electricidad- permite no solo humanizar los contenidos, sino cambiar la percepción que tienen los estudiantes sobre la construcción del conocimiento científico.

Bibliografía

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