Amplificador de fuente común JFET

Los circuitos amplificadores de transistores, como el amplificador de emisor común, se fabrican con transistores bipolares, pero también se pueden fabricar pequeños amplificadores de señal utilizando transistores de efecto de campo . Estos dispositivos tienen la ventaja sobre los transistores bipolares de tener una impedancia de entrada extremadamente alta junto con una salida de bajo ruido, lo que los hace ideales para su uso en circuitos amplificadores que tienen señales de entrada muy pequeñas.

El diseño de un circuito amplificador basado en un transistor de efecto de campo de unión o «JFET», (FET de canal N para este tutorial) o incluso un FET de silicio de óxido metálico o «MOSFET» es exactamente el mismo principio que para el circuito de transistor bipolar utilizado para un circuito amplificador de clase A que vimos en el tutorial anterior.

En primer lugar, se debe encontrar un punto de reposo adecuado o «punto Q» para la polarización correcta del circuito amplificador JFET con configuraciones de amplificador único de fuente común (CS), drenaje común (CD) o seguidor de fuente (SF) y Common-gate (CG) disponible para la mayoría de dispositivos FET.

Estas tres configuraciones de amplificador JFET corresponden a las configuraciones de emisor común, seguidor de emisor y de base común que utilizan transistores bipolares. En este tutorial sobre amplificadores FET, veremos el popular amplificador de fuente común JFET, ya que es el diseño de amplificador JFET más utilizado.

Considere la siguiente configuración del circuito del amplificador de fuente común JFET.

Amplificador de fuente común JFET

El circuito amplificador consta de un JFET de canal N, pero el dispositivo también podría ser un MOSFET de modo de agotamiento de canal N equivalente, ya que el diagrama del circuito sería el mismo, solo un cambio en el FET, conectado en una fuente común configuración. El voltaje de la puerta JFET Vg está polarizado a través de la red de divisores de potencial configurada por las resistencias R1 y R2 y está polarizado para operar dentro de su región de saturación, que es equivalente a la región activa del transistor de unión bipolar.

A diferencia de un circuito de transistor bipolar, la unión FET prácticamente no toma corriente de puerta de entrada, lo que permite que la puerta se trate como un circuito abierto. Entonces no se requieren curvas de características de entrada. Podemos comparar el JFET con el transistor de unión bipolar (BJT) en la siguiente tabla:

Comparación JFET a BJT

Dado que el JFET de canal N es un dispositivo en modo de agotamiento y normalmente está «ENCENDIDO», se requiere voltaje de puerta con respecto a la fuente para modular o controlar la corriente de drenaje. Este voltaje negativo se puede proporcionar polarizando desde un voltaje de fuente de alimentación separado o mediante una disposición de auto-polarización siempre que una corriente constante fluya a través del JFET incluso cuando no haya una señal de entrada presente y Vg mantenga una polarización inversa de la unión puerta-fuente pn.

En nuestro ejemplo simple, la polarización se proporciona desde una red divisor de potencial que permite que la señal de entrada produzca una caída de voltaje en la puerta, así como un aumento de voltaje en la puerta con una señal sinusoidal. Cualquier par adecuado de valores de resistencia en las proporciones correctas produciría el voltaje de polarización correcto, por lo que el voltaje de polarización de la puerta de CC Vg se da como:

Tenga en cuenta que esta ecuación solo determina la relación de las resistencias R1 y R2, pero para aprovechar la impedancia de entrada muy alta del JFET, además de reducir la disipación de potencia dentro del circuito, debemos hacer que estos valores de resistencia sean lo más altos posible, siendo comunes valores del orden de 1 MΩ a 10 MΩ.

La señal de entrada, (Vin) del amplificador JFET de fuente común se aplica entre el terminal Gate y el riel de cero voltios, (0v). Con un valor constante de voltaje de puerta Vg aplicado, el JFET opera dentro de su “región óhmica” actuando como un dispositivo resistivo lineal. El circuito de drenaje contiene la resistencia de carga, Rd. El voltaje de salida, Vout se desarrolla a través de esta resistencia de carga.

La eficiencia del amplificador de fuente común JFET se puede mejorar mediante la adición de una resistencia, Rs incluida en el cable de la fuente con la misma corriente de drenaje que fluye a través de esta resistencia. La resistencia Rs, también se usa para configurar los amplificadores JFET en “punto Q”.

Cuando el JFET se enciende completamente, una caída de voltaje igual a Rs * Id se desarrolla a través de esta resistencia, lo que eleva el potencial del terminal de la fuente por encima de 0v o del nivel del suelo. Esta caída de voltaje en Rs debido a la corriente de drenaje proporciona la condición de polarización inversa necesaria a través de la resistencia de compuerta, R2 genera efectivamente retroalimentación negativa.

Entonces, para mantener la unión puerta-fuente con polarización inversa, el voltaje de la fuente, Vs debe ser más alto que el voltaje de la puerta, Vg. Por lo tanto, este voltaje de la fuente se da como:

Entonces la corriente de drenaje, Id también es igual a la corriente de la fuente, es cuando «No hay corriente» ingresa al terminal de la puerta y esto se puede dar como:

Este circuito de polarización del divisor de potencial mejora la estabilidad del circuito del amplificador de fuente común JFET cuando se alimenta desde una única fuente de CC en comparación con la de un circuito de polarización de voltaje fijo. Tanto la resistencia Rs como el condensador de la fuente de derivación de Cs cumplen básicamente la misma función que la resistencia del emisor y el condensador en el circuito amplificador de transistor bipolar de emisor común, es decir, para proporcionar una buena estabilidad y evitar una reducción en la pérdida de ganancia de voltaje. Sin embargo, el precio que se paga por un voltaje de puerta en reposo estabilizado es que una mayor parte del voltaje de suministro cae a través de Rs.

El valor en faradios del condensador de derivación de la fuente es generalmente bastante alto por encima de 100 uF y estará polarizado. Esto le da al capacitor un valor de impedancia mucho menor, menos del 10% de la transconductancia, gm (el coeficiente de transferencia que representa la ganancia) del dispositivo. A altas frecuencias, el condensador de derivación actúa esencialmente como un cortocircuito y la fuente se conectará efectivamente directamente a tierra.

El circuito básico y las características de un amplificador de fuente común JFET son muy similares a los del amplificador de emisor común. Una línea de carga de CC se construye uniendo los dos puntos relacionados con la corriente de drenaje, Id y la tensión de alimentación, Vdd recordando que cuando Id = 0: ( Vdd = Vds ) y cuando Vds = 0: ( Id = Vdd / RL ) . Por lo tanto, la línea de carga es la intersección de las curvas en el punto Q de la siguiente manera:

Curvas de características del amplificador de fuente común JFET

Al igual que con el circuito bipolar de emisor común, la línea de carga de CC para el amplificador de fuente común JFET produce una ecuación de línea recta cuyo gradiente se da como: -1 / (Rd + Rs) y que cruza el eje vertical Id en el punto A igual a Vdd / (Rd + Rs). El otro extremo de la línea de carga cruza el eje horizontal en el punto B que es igual a la tensión de alimentación, Vdd.

La posición real del punto Q en la línea de carga de CC generalmente se coloca en el punto central medio de la línea de carga (para operación de clase A) y está determinada por el valor medio de Vg que está sesgado negativamente ya que el JFET es un dispositivo en modo de agotamiento. Al igual que el amplificador de emisor común bipolar, la salida del amplificador de fuente común JFET está 180° desfasada con respecto a la señal de entrada.

Una de las principales desventajas de usar JFET en modo de agotamiento es que deben estar sesgados negativamente. Si esta polarización falla por alguna razón, el voltaje de la fuente de la puerta puede aumentar y volverse positivo causando un aumento en la corriente de drenaje que da como resultado una falla en el voltaje de drenaje, Vd.

Además, la alta resistencia del canal, Rds (encendido) del FET de unión, junto con la alta corriente de drenaje en estado estable en reposo, hace que estos dispositivos se calienten, por lo que se requiere un disipador de calor adicional. Sin embargo, la mayoría de los problemas asociados con el uso de JFET se pueden reducir en gran medida utilizando dispositivos MOSFET en modo de mejora.

Los MOSFET o los FET de semiconductores de óxido metálico tienen una impedancia de entrada mucho más alta y resistencias de canal bajas en comparación con el JFET equivalente. Además, las disposiciones de polarización para los MOSFET son diferentes y, a menos que las polaricemos positivamente para los dispositivos de canal N y negativamente para los dispositivos de canal P, no fluirá corriente de drenaje, entonces tenemos un transistor a prueba de fallas.

Corriente del amplificador JFET y ganancias de potencia

Dijimos anteriormente que la corriente de entrada, Ig de un amplificador JFET de fuente común es muy pequeña debido a la impedancia de puerta extremadamente alta, Rg. Por lo tanto, un amplificador de fuente común JFET tiene una muy buena relación entre sus impedancias de entrada y salida, para cualquier cantidad de corriente de salida, IOUT el amplificador JFET tendrá una ganancia de corriente muy alta Ai.

Debido a esta fuente común, los amplificadores JFET son extremadamente valiosos como circuitos de adaptación de impedancia o se utilizan como amplificadores de voltaje. Asimismo, debido a que: Potencia = Voltaje x Corriente, (P = V * I) y los voltajes de salida suelen ser de varios milivoltios o incluso voltios, la ganancia de potencia, Ap también es muy alta.

En el siguiente tutorial veremos cómo la polarización incorrecta del amplificador de transistor puede causar distorsión a la señal de salida en forma de distorsión de amplitud debido al recorte y así como el efecto de distorsión de fase y frecuencia.