Tema 5-El Transistor Unipolar 2009.Ppt 0

Tema 5: Transistores unipolares

Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

Tema 5:

Transistores unipolares

Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-1 5-1


Objetivos1. Conocer los smbolos de los transistores JFET (canal n y p) y MOSFET (acumulacin y deplexin, canal n y p). 2. Conocer la estructura interna del MOSFET de acumulacin canal n y sus principios de funcionamiento. 3. Comprender las curvas de funcionamiento (transferencia y salida) y las zonas de funcionamiento de los transistores unipolares. 4. Conocer los parmetros de catlogo relativos a DC de estos transistores (VGSOFF, RON, ID-ON, VDS-ON, VDS-MAX, IDMAX, PMAX). 5. Aplicar las ecuaciones bsicas DC de estos 5-2 5-2Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid



Objetivos6. Comprender el funcionamiento del amplificador en fuente comn. 7. Analizar circuitos sencillos que exploten las funcionalidades bsicas del transistor unipolar. 8. Aplicar el modelo equivalente en pequea seal simplificado del transistor unipolar en saturacin. 9. Conocer los parmetros de catlogo relativos a AC de estos transistores . 10. Comprender la funcionalidad bsica del transistor unipolar como generador de corriente dependiente de tensin. 11. Aplicar la funcionalidad bsica del transistor unipolar como interruptor controlable por tensin. El alumno tiene a su disposicin, en documentoaparte, una relacin pormenorizada de los objetivos de este tema.Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid


5-3 5-3


TemarioFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

1. MOSFET de acumulacin1.1. Canal n, estructura interna y smbolo 1.2. Criterio de signos 1.3. Principio, curvas, zonas y ecuaciones funcionamiento de

1.3.1. Curvas de salida, zonas y ecuaciones de funcionamiento del MOSFET canal n (VGS-OFF, VDS-MAX, IDMAX, PMAX, RON) 1.3.2. Curva de transferencia del MOSFET de acumulacin canal n 1.3.3. Informacin de catlogo

1.4. Canal p1.4.1. Estructura interna y smbolo 1.4.2. Curvas

2. Estudio analtico/grfico de un circuito con NMOSDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

2.1. Localizacin del punto de trabajo

5-4 5-4


TemarioFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

3. Modelo en pequea seal simplificado del MOSFET 4. Aplicaciones 4.1. Amplificador en fuente comn4.1.1. Sin CS 4.1.2. Con CS

4.2.

Conmutacin todo/nadaEncender/apagar LED (o una carga) Comparador (con A.O.) + switch* Inversor CMOS Puente*

4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4.

3. Otros tipos de FET, smbolos y curvas


Tiempo de imparticin del tema:

5-5 5-5


BibliografaFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

Electrnica de Allan R. Hambley. Prentice-Hall. 2 Edicin, 2001. Cap. 5.

Ed.

Para los puntos 4.2.1 a 4.2.4, ambos inclusive, no se da bibliografa.


5-6 5-6


Estructura del MOSFET de Acumulacin Canal NMetal, conductor S G W D xido de Si, aislante e


n+ L

n+ p

Substrato Semiconductor B: Body, suBstrato S: Source, Surtidor, fuente D: Drain, Drenador G: Gate, puerta5-7 5-7

MOS

B



Smbolo del MOSFET de Acumulacin Canal ND D B G


G

S

S


5-8 5-8


Criterio de Signos para el Canal NFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

iD vDS vGS iS


5-9 5-9


Principios de Funcionamiento: vGS =0ViD iD vDS D G vGS1 = 0 S n+


vGS

n+ B vDS

p

iD1 = 0Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-10 5-10


Principios de Funcionamiento: vGS > 0 V (I)iD D G vGS2 > 0 S n+


n+ B vDS

p


5-11 5-11


Principios de Funcionamiento: vGS > 0 V (y II)iD D G vGS3 > v GS2 S n+


n+ B vDS

p


5-12 5-12


Principios de Funcionamiento: vGS = VtoiD D G vGS4 = Vto S n+


n+ B vDS

p


5-13 5-13


Principios de Funcionamiento: vGS > Vto (I)iD D G vGS5 > Vto S n+


n+ B vDS

p


5-14 5-14


Principios de Funcionamiento: vGS > Vto (II)iD D G vGS5 > Vto S


n+ RON n+ B vDS

p

iD5 > 0Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-15 5-15


Principios de Funcionamiento: vGS > Vto (III)iD D G vGS6 > vGS5 S n+


n+ B vDS

p


5-16 5-16


Principios de Funcionamiento: vGS > Vto (y IV)iD D G vGS6 > vGS5 S


n+ RON(vGS) n+ B vDS

p

iD6 > iD5Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

RON6 < RON55-17 5-17



75

iD (mA)

Principios de Funcionamiento: hmica, CurvasvGS = 8 V vGS = 10 V vGS = 6 V

2N7000

50

vGS = 4 V

25

Vto ~2 V0 100 200 300 400

vGS = 2 V vGS = 0 V

RON(vGS = 2 V) ~ 47 RON(vGS = 8 V) ~ 3.9 RON(vGS = 4 V) ~ 7.2 RON(vGS = 6 V) ~ 4.7 Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

500 vDS (mV)

RON(vGS = 10 V) ~ 3.5 5-18 5-18


Principios de Funcionamiento: Efecto de vDSiD D G


n+ B n+ vDS > vDS

vGS5 > Vto

S

p

iD5 > iD5Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

RON5 > RON55-19 5-19


Principios de Funcionamiento: SaturaciniD D G


n+ B n+ vDS > vDS

vGS5 > Vto

S

p

iD5 < iD5 = iDS(vGS)Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-20 5-20


Curvas de SalidaFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

200

ID (mA)

VDS = VGS - Vto

2N7000

150

Zona hmicaVGS = 4 V

Zona de SaturacinVGS = 3.5 V

100

50

VGS = 3 V VGS = 2 V

0

1

2

3

4

5

6

7 VDS (V)

Zona de CorteDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-21 5-21


Ecuaciones de FuncionamientoFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

Zona de Corte:

ID = 0 Zona de Saturacin:

ID = K (VGS - Vto)2 Zona hmica:

ID = K [2 (VGS - Vto) VDS - VDS2]funcin difcil de manejar. Afortunadamente, si

VDS 0

resulta muy cmoda la relacin:

RON VDS / ID | 1 / [2 K (VGS - Vto)] |Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-22 5-22


Curvas de Salida (I)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

ID (mA) 300

2N7000

200

100

0

10

20

30

40

50

VDS (V)

Al superar un determinado valor de ID , IDMX , el transistor se destruyeDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-23 5-23


Curvas de Salida ( II)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

ID (mA) 300

2N7000

200

100

0

10

20

30

40

50

VDS (V)

Potencia disipada: PD = VDS ID Al superar un determinado valor de PD , PD-MAX , el transistor se destruyeDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-24 5-24


Curva de TransferenciaFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

En saturacin: ID = K (VGS - Vto)2IDS (mA) 600

2N7000

Zona de Corte

Zona de Saturacin

400

200

Vto0 1 2 3 4 5 VGS (V)

Curva Real Curva Terica con K = 0.051 A/V2 y Vto = 2 VDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-25 5-25


Informacin de Catlogo (I)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-26 5-26


Informacin de Catlogo (II)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-27 5-27


Informacin de Catlogo (III)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-28 5-28


Informacin de Catlogo (IV)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-29 5-29


Informacin de Catlogo (V)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-30 5-30


Informacin de Catlogo (VI)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-31 5-31


Informacin de Catlogo (VII)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-32 5-32


Informacin de Catlogo (y VIII)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-33 5-33


Estructura del MOSFET de Acumulacin Canal PMetal, conductor S G D xido de Si, aislante


p+

p+ n


B



Smbolo del MOSFET de Acumulacin Canal PD D B G


G

S

S


5-35 5-35


Criterio de Signos para el Canal PFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

ID VDS VGS IS


5-36 5-36


Curvas de Salida del PMOSFETFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

ID

PMOSFET

NMOSFET

0

VDS


5-37 5-37


Curva de Transferencia del PMOSFETIDS


PMOSFET

NMOSFET

Vto

0

VGS

Vto5-38 5-38



Estudio Analtico/Grfico de Circuito a MOSFETRD 40


RG1 2.5M VG

RG4 VG = VDD R G4+ R G 4 VGS = VG = 4 4 .4VVDD I DS = K ( VGS Vto ) ? 12V4

2N7000 RG2 1M

I DS = 44 4mA VDS = 4 V

VDS = VDD R D I D OK VDS > VGS Vto = 4 4 .4V Q(100 mA, 8 V) Saturado

Vto-2N7000 = 2 V K2N7000 = 0.051 A/V2Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-39 5-39


Estudio Analtico/Grfico de Circuito a MOSFETID (mA) 300 Q (100 mA, 8 V) 200 100


ID (mA)

Recta de Carga de Salida VDS = VDD R D I D

2 0

4

6

8

10

12

0.5

1.0

1.5

VDS (V) 0

VGSQ

2.5 3.0 R G4 = VDD R G4+ R G 4

2.0

3.5

4.0 VGS (V)


5-40 5-40


Inyeccin de Seal (I)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

RG1 2.5M

RD 40 VDD 12V

VG RG2 1M

2N7000


5-41 5-41


Inyeccin de Seal (II)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

RG1 2.5M

RD 40 VDD 12V

VG RG2 1M

2N7000


5-42 5-42


Inyeccin de Seal (y III)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

RG1 2.5M CG VG RG2 1M

RD 40 VDD 12V

2N7000


5-43 5-43


Estudio Grfico en AC: AmplificaciniDS (mA) 300 Q (100 mA, 8 V) 200 100


iD (mA)

Recta de Carga de Salida VDS = VDD R D I D

2 0 0

4

6

8

10

12

0.5

1.0

1.5

vDS (V) 0 vDS (V) 2.3 VPP

VGSQ

2.5 3.0 R G4 = VDD R G4+ R G 4

2.0

3.5

4.0 vGS (V) vGS (V) 0.4 VPP

GV = - 5.75

t

t5-44 5-44



DistorsinFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010 iD (mA) iDS (mA) 300 200 100 2 0 0 4 6 8 10 vDS (V) vDS (V) 12 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 vGS (V) vGS (V)

t

t5-45 5-45



Circuito de polarizacinFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-46 5-46


Modelo en Pequea Seal del FET (I)G D


vgs S

gmvgs S

gm: gfs, transconductancia [-1, S, mho, ]Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-47 5-47


Modelo en Pequea Seal del FET (y II)D


G

vgs S

gmvgs

ro S

gm: gfs, transconductancia [-1, S, mho, ] ro: impedancia de salida []5-48 5-48


Determinacin de gmFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

I D gm VGS ( K (VGS Vto ) 4) = 4 (VGS Vto ) K VGS

gm = 4 kI D


5-49 5-49


Informacin de Catlogo (I)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-50 5-50


Informacin de Catlogo (y II)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010


5-51 5-51


Amplificador en Fuente Comn (I)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

RG1 2.26k

RD 500

2N7000 RG2 1k

VDD 12V


5-52 5-52


Amplificador en Fuente Comn (II)RiRG RG1 2.26k RD 500


vi

CL

Ro voVDD RL 27k 12V

CG

vg

600 RG2 1k

2N7000 RS 120

Q(10 mA, 5.8 V) => gm = 45.5 mS vo GV = viDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-53 5-53


Amp. en Fuente Comn: EcuacionesRiRG1 2.26k RD 500


RG vg 600

vi

CL

Ro voVDD RL 27k 12V

CG

2N7000 RG2 1k RS 120

4 R i = R G4// R G 4= 44 vo g m ( R D // R L ) = 4 4 .4 GV = = vi 4 gm RS +Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

4 R o = R D = 44

5-54 5-54


Amp. en Fuente Comn: Formas de Onda


vg, vi, vo (mV)4

2

0

-2

vo g m ( R D // R L ) = 4 4 .4 GV = = vi 4 gm RS +Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

-4

t

5-55 5-55


Amp. en Fuente Comn: OptimizacinRiRG1 2.26k RD 500


RG vg 600

vi

CL

Ro voVDD RL 27k 12V

CG

2N7000 RG2 1k RS 120

vO Ri = G V = 4 4 .4 vG R i + R G

Maximizar

Maximizar GV Maximizar RiDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-56 5-56


Amp. en Fuente Comn: Maximizar RiRiRG1 2.26k 2.26M RD 500


RG vg 600

vi

CL

Ro voVDD RL 27k 12V

CG

2N7000 RG2 1k 1M RS 120

R i = R G4// R G 4= 44 4kvo Ri = G V G V = 4 4 .4 vG R i + R G


5-57 5-57


Amp. en Fuente Comn: Maximizar GV (I)RiRG1 2.26M RD 500


RG vg 600

vi

CL

Ro voVDD RL 27k 12V

CG

2N7000 RG2 1M RS 120

vo g m ( R D // R L ) GV = = vi 4 gm RS + Minimizar RSDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-58 5-58


Amp. Fuente Comn: Maximizar GV (II)RiRG vg 600 RG2 1M RG1 2.26M RD 500


vi

CL

Ro voVDD RL 27k 12V

CG

2N7000

vo g m ( R D // R L ) GV = = vi 4 gm RS + Minimizar RSDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-59 5-59


Amp. en Fuente Comn: Maximizar GV (y III)RiRG1 2.26M RD 500


RG vg 600

vi

CL

Ro voVDD RL 27k 12V

CG

2N7000 RG2 1M RS 120 CS

vo g m ( R D // R L ) GV = = 4 = g m ( R D // R L ) = 4.4 vi 4 gm RS +


5-60 5-60


Control de un LED (I)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

D

(20 mA, 2.0 V) (0, VDD)

VCONTROL

VDD 5V


5-61 5-61


Control de un LED (II)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

D

D

VDD 5V


5-62 5-62


Control de un LED (III)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

D

VDD 5V


5-63 5-63


Control de un LED (IV)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

D VCONTROL

VDD 5V


5-64 5-64


Control de un LED (y V)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

RD

D VCONTROL

VDD 5V

Vto ~ VDD / 2

VDD VD RD = ID

RON ON VCONTROL = VDD => OFFDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-68 5-68


Pull-up/pull-down (I)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

VCONTROL

VDD 5V

(0, VDD)


5-69 5-69


Pull-up/pull-down (y II)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

VCONTROL-P

VOUTVCONTROL-N

VDD 5V

VOUT = 0 => VCONTROL-N = VDD y VCONTROL-P = VDD VOUT = VDD => VCONTROL-N = 0 y VCONTROL-P = 0Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-70 5-70


Inversor CMOSFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

VIN

VOUT

VDD 5V

VIN = 0 => VOUT = VDD VIN = VDD => VOUT = 0Departamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

X

X5-71 5-71


Control de un LED Bicolor (I)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

(20 mA, 2.0 V)D VCONTROL VDD 5V

(0, VDD)


5-72 5-72


Control de un LED Bicolor (II)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

D


5-73 5-73


Control de un LED Bicolor (III)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

RD D

VCONTROL VCONTROL = 0 => Verde VCONTROL = VDD => RojoDepartamento de Sistemas Electrnicos y de Control Universidad Politcnica de Madrid

5-74 5-74


Control de un LED Bicolor (y IV)Fundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

VCONTROLD

RD

VCONTROL

VDD 5V

Montaje en Puente


5-75 5-75


Estructura del MOSFET de Deplexin Canal NMetal, conductor S G D xido de Si, aislante


n+

n+ p


B



Smbolo del MOSFET de Deplexin Canal ND D B G


G

S

S


5-77 5-77


Estructura del MOSFET de Deplexin Canal PMetal, conductor S G D xido de Si, aislante


p+

p+ n


B



Smbolo del MOSFET de Deplexin Canal PD D B G


G

S

S


5-79 5-79


Estructura del JFET Canal NFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

S

G

D

n+

p+ iD

n+

n p+

Canal G


5-80 5-80


Smbolo del JFET canal NFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

D

G

S


5-81 5-81


Estructura del JFET Canal PFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

S

G

D

p+

n+

p+

p n+

G


5-82 5-82


Smbolo del JFET canal PFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

D

G

S


5-83 5-83


Curvas de Salida de los FETsFundamentos de Electrnica. Curso 2009-2010

ID

Canal P

Canal N

0

VDS


5-84 5-84


Curvas de Transferencia de los FETsPMOSFET-DIDS


NMOSFET-D

JF ET -N

Vto-PA

Vto-JN Vto-ND

0

Vto-PD

Vto-JP

Vto-NA5-85 5-85


NM OS FE T-AVGS

A ETOSF PM

T-P JFE

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