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Amplificadores con transistores de efecto de campo

Amplificadores con transistores FET

Los transistores FET ofrecen algunas ventajas que los hacen más adecuados en ciertas aplicaciones. Seguidamente se exponen algunos de estos casos:

• La alta impedancia de entrada los hace ideales para aplicaciones en voltímetros electrónicos, osciloscopios y otros instrumentos que requieran una alta impedancia de entrada para evitar cargar el circuito al que se le aplica la medida.

• Poseen una salida de ruido bastante baja, lo que hace que sean muy útiles en circuitos amplificadores previos de pequeña señal.

• Poseen una capacidad entre sus electrodos bastante reducida. Por esta razón, el FET es muy adecuado en amplificadores de radiofrecuencia, donde las altas frecuencias de funcionamiento pueden hacer que dicha capacidad altere el funcionamiento normal del transistor.



Como ocurría ,con los transistores bipolares, los FET se pueden conectar en tres configuraciones diferentes, como son: surtidor común "SC", drenador. común “DC" y graduador común "GC". Las dos primeras configuraciones poseen una alta impedancia de entrada, lo que les hace muy recomendables para amplificadores de señales débiles. Sin embargo, el último amplificador (GC) posee muy pocas aplicaciones.

Seguidamente vamos a estudiar el amplificador de surtidor común, por ser el de más uso.

Amplificador de surtidor común "SC“ :

En la Figura 15.17 se muestra un amplificador con FET en configuración "SC".Este circuito es muy similar al del amplificador de emisor común con transistores bipolares. La tensión Vos polariza inversamente la unión graduador-surtidor a través de la resistencia RG . Ésta debe poseer un valor muy elevado (del orden de 1 MΩ), ya que de ello depende el valor de la impedancia de entrada. Por otro lado, como apenas circula corriente por esta resistencia, la caída de tensión que se producirá en ella se hace prácticamente despreciable y no afectará a la polarizacióndel graduador.



La tensión de alimentación VDD es positiva respecto a masa, por lo que la corriente del surtidor circulará hacia el drenador a través del canal N. La resistencia RD limita el paso de esta corriente y produce una ganancia de tensión en la salida.

Para comprender mejor cómo se realiza el proceso de amplificación será necesario dibujar la recta de carga sobre la curva característica de drenador. Seguidamente exponemosun ejemplo de cómo se traza dicha recta de carga.



En la Figura 15.18 se muestra un amplificador FET en "sc" con polarización fija.

Para trazar la recta de carga hay que encontrar sus extremos. Como siempre, el extremo inferior coincidirá con el valor de la tensión de la fuente, ya que según la ecuación de la recta:

para ID = 0 se cumple que VDS = VDD = 16 V. DR

DSDDD

V-VI



El extremo superior de la línea de carga se encontrará para VDS = 0, es decir:

Si llevamos ahora estos valores a las curvas características de drenador, podremos trazar la recta de carga, tal como se muestra en la Figura 15. 19.

mAARD

4004.04000

16V-VI

DSDDD



En este caso, el punto de funcionamiento del FET lo determina la intersección de la recta de carga con la curva de la tensión VGS = - 0,4 V de polarización de puerta. Según se puede apreciar en la Figura 15.19, para este punto la tensión VDS es igual a 8 V. Lo que es bastante aceptable, ya que se encuentra situado aproximadamente en la mitad de la tensión de alimentación y, por lo tanto, eltransistor puede funcionar linealmente.

Si en estas condiciones inyectamos una señal alterna senoidal en la entrada con una variación entre picos de 0,4 V, la tensión VGS de polarización variará a lo largo de la línea de carga entre los valores de - O,2V y - 0,6 V (véase Figura 15.19). Esto ocasiona que la tensión VDS , que aparece en la salida, varíe entre 4,8 y 11,5 V. Es decir, 6,7 V entre picos.

La ganancia de tensión en este caso será:

Si observas atentamente la señal de entrada y la comparas con la de salida, apreciarás que esta última aparece con una inversión de fase de 180, igual que ocurre en un amplificador de emisor común.

75,164,0

7,6VA

salV

V

V

Vent



Amplificador con surtidor. común con polarización de una sola fuente :

Existe la posibilidad de eliminar la fuente de polarización del graduador, tal como se muestra en la Figura 15.20.

A cambio de la fuente eliminada se conecta una resistencia Rs en serie con el surtidor. Al circular la corriente de surtidor pór Rs , provoca una caída de tensión que hace que este terminal se haga positivo respecto al graduador. De esta forma, se consigue que dicho graduador quede sometido a una tensión de polarización negativa respecto al surtidor.



El cálculo de esta resistencia es muy sencillo, lo único que necesitamos conocer es la tensión de polarización y la corriente del surtidor en el punto de trabajo del transistor. Como Is =ID eIG = O, aplicando las leyes de Kirchhoff a la malla formada por Rs , graduador-surtidor y RG, tendremos que:

Esta forma de polarización es más económica que la de dos fuentes, pero aparece un pequeño inconveniente. La ganancia de tensión se modifica sensiblemente con los cambios decorriente del surtidor. Veamos cómo ocurre esto:

Cuando se aplica una señal positiva a la entrada del graduador, la corriente del surtidor aumenta y con ella también lo hace la caída de tensión de Rs, lo que provoca un aumento de la tensión negativa de polarización del graduador y, por tanto, una disminución de la corriente. En consecuencia, se reduce el efecto de amplificación de la señal de entrada y con ella la ganancia.

DI

GSSV

R



Cuando ocurre este efecto se dice que el amplificador está realimentado. Si esta realimentación provoca disminución del efecto de la señal de entrada, se dice entonces que la realimentación es negativa.

La realimentación negativa provoca una disminución de la ganancia. Sin embargo, puede ser interesante en aquellas aplicaciones en que se quiera reducir la distorsión a costa de perderganancia. Así, por ejemplo, si aumentamos la corriente a unos límites cercanos a la distorsión, la realimentación negativa la reduciría y la mantendría siempre en la zona de operación sin distorsión.

Existen otras aplicaciones en las que interesa obtener una ganancia máxima de tensión. Para conseguirlo, es necesario eliminar la realimentación negativa mediante la conexión de un condensador de desacoplo o de paso en derivación con Rs tal como se muestra en la Figura 15.21 (al igual que se hacía en los amplificadores de emisor común).



Este condensador cortocircuita a masa la señal de C.A. y elimina el efecto de realimentación. Sin embargo, la polarización se mantiene fijada por Rs, ya que en este caso es la componente de C.C. la que actúa (la C.C. queda bloqueada por el condensador). Al igual que se hacia en el amplificador de emisor común, este condensador debe poseer una capacidad considerable para que su reactancia sea baja a la frecuencia de la señal de entrada.



Amplificador con surtidor común con polarización por divisor de tensión :

Lo mismo que ocurría con los transistores bipolares, los FET no poseen una característica exacta de trabajo y, por lo tanto, se hace necesario diseñar un circuito que trabaje dentro de los límites de las características del transistor. En este caso, el circuito de polarización fija mediante dos fuentes no es muy aconsejable, ya que posee un punto de trabajo fija y en el instante en que varíen los valores característicos del transistor, éste no responderá adecuadamente.

Por otro lado, el circuito de polarización por fuente es más interesante, ya que, debido al efecto de Rs' existe una estabilización del punto de trabajo en un determinado margen de actuación.Así, por ejemplo, si el transistor condujese más corriente de la esperada, aumentaría la. tensión negativa de polarización y dicha corriente tendería a reducirse. No obstante, para que este efecto sea óptimo, se hace necesario que la resistencia del surtidor sea lo más alta posible, para que, así, se haga más notable el efecto de estabilización. El problema que se plantea con una Rs demasiado alta es que la tensión de polarización VGS se puede hacer tan elevada que ponga en corte al transistor. Este fenómeno se puede evitar con un circuito de polarización por divisor de tensión, tal como se muestra en la Figura 15.22.



Con el circuito de la Figura 15.22 se somete al terminal de graduador a una tensión positiva fija que evita que el transistor entre en corte por efecto de una tensión demasiado negativa respecto al surtidor. En definitiva, la tensión de polarización se establece por combinación entre el potencial positivo del divisor y el negativo que se produce a causa de Rs. En consecuencia, con este circuito sí que es posible utilizar una resistencia de surtidor de gran valor para conseguir el efecto de estabilización deseado.



Amplificador de drenador común, “DC“ :

En la Figura 15.24 se muestra un amplificador de drenador común. Observa que es similar al amplificador de colector común.

Este amplificador funciona de forma muy similar a la del colector común. La tensión que aparece en la salida es una reproducción exacta de la de entrada, por lo que la ganancia es prácticamente igual a la unidad. Además, no existe inversión de fase.



Este circuito posee la ventaja de presentar una alta impedancia a su entrada y una impedancia baja a la salida, lo que le convierte en un circuito ideal en aplicaciones como entradas de instrumentos de medida electrónicos.

En definitiva, este amplificador cumple la función de aislamiento entre dos etapas. También se le conoce por el nombre en inglés de buffer.


Amplificadores con transistores MOSFET

Dado que en los transistores MOSFET el terminal de graduador está aislado del canal y que la corriente del mismo es prácticamente nula, estos semiconductores son ideales en aquellas aplicaciones donde se necesite un consumo de potencia reducido. Si a estas características le añadimos el pequeño espacio que puede llegar a ocupar en la elaboración de un circuito integrado, podremos encontrar con frecuencia C.l. construidos con transistores MOSFET. donde se utiliza la integración a gran escala (un solo chip puede llegar a contener miles de transistores). Típicas aplicaciones de estos componentes son: elaboración de microprocesadores y memorias que posteriormente se utilizan para la fabricación de ordenadores, calculadoras, sistemas de automatización complejos, etc.

En la Figura 15.25 se muestra un amplificador con MOSFET de empobrecimiento en surtidor común.


Amplificadores con transistores MOSFET

Con el circuito de la Figura 15.25 se consigue un funcionamiento lineal, ya que la polarización es nula. En este caso el terminal de graduador permanece aislado de la fuente de alimentación de C.C., lo que hace que la corriente por este terminal sea prácticamente nula. En estas condiciones, si la señal de entrada es positiva, la corriente por el drenador y el sumidero aumenta; por el contrario, si la señal se convierte en negativa, dicha corriente disminuye.