JFET en alterna, señales senoidales.


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Anterior: Polarización del transistor JFET.

 

Para poder utilizar el JFET en alterna será necesario conocer antes unos temas que son de importancia,  ya que si no se interpretan de manera adecuada se tendrá problemas a la hora de implementar los circuitos del transistor JFET en alterna, esto es en los circuitos de amplificación con el JFET.

Se han preparado una serie de vídeos publicados en el canal de youtube de mrelberni, en los cuales se comenta sobre estos temas, los cuales son:

 

 

El JFET en alterna

 

1.-El JFET en alterna, la transconductancia.

 La transconductancia es un  término matemático muy útil cuando se quieren realizar circuitos de amplificación con el JFET, también con el mosfet, se representa mediante gm e indica cuanto es el cambio en el valor de la corriente de drenaje ID cuando se cambia el valor de la tensión compuerta fuente VGS, con respecto al punto operación al cual se ha polarizado el JFET, matemáticamente esto  se ve así:

gm=(ΔID)/(ΔVGS), su unidad es el mho o el siemens que es Ω-1

Si ΔVGS se hace muy pequeño, la transconductancia será la pendiente de la curva de transferencia en el punto de operación Q, esto es

gm=(dID)/(dVGS), donde ID está dado por la ecuación de Shockley.

Cuando se quiere hacer trabajar el jfet en alterna, esto es en circuitos de amplificación, se polariza por ejemplo por divisor de tensión, el circuito quedará como se ve en la figura.

el jfet en alterna transconductancia

Los condensadores en alterna se comportan como cortocircuitos, se comentará sobre esto mas adelante, la señal alterna vi llegará a la entrada, por lo tanto la tensión compuerta fuente en alterna será vgs=vi, como el JFET está polarizado en un punto de operación Q con una VGSQ y una IDQ, la señal de alterna vi=vgs alternará en torno al punto de operación Q  VGSQ, provocando que VGSQ cambie en valor y esto a su vez hará que IDQ cambie, provocando una corriente iq que alternará en torno a IDQ.

Para una señal alterna la transconductancia será igual al cambio de la corriente id provocado por la señal alterna vgs, esto es:

gm=(id)/(vgs)

Como la IDQ depende de VGSQ, la transconductancia dependerá del punto de operación al cual se ha polarizado el  circuito de amplificación, la hoja de datos del JFET normalmente da el valor de la transconductancia cuando la VGS=0, esto es para ID=IDSS, simbolizado como:

gm0 o gfs

Hay una fórmula que permite encontrar el valor de la transconductancia gmQ en un punto cualquiera de la curva de transferencia, a partir del valor que se tiene en la hoja de datos gm0, la fórmula es la siguiente, y es muy importante comprenderla:

el jfet en alterna gmq

Una vez que ya se conoce el valor de la transconductacia en el punto de operación al cual se a polarizado el JFET en continua, se puede comenzar a analizar los circuitos de el jfet en alterna, ya se comentó que para alterna gm=(id)/(vgs) la que al reacomodar se obtiene id=gm*vgs, que será la forma en que mas se utilizará.

El vídeo que se preparó para esta parte es el siguiente:

2.-El JFET en alterna parte 2 respuesta de la salida a la entrada alterna.

En este caso lo que se ve es que al obtener la señal de salida en el drenador, esta estará invertida con respecto a la señal alterna de entrada que ingresa por la compuerta; los condensadores son cortocircuitos para la señal alterna.

 el jfet en alterna, entrada vs salida

La suma de las tensiones continuas sobre las resistencias RS y RD con la tensión entre el drenaje y la fuente debe ser igual a VDD, esto es VRD+VDS+VRS=VDD; para el análisis en alterna la tensión sobre RS no se verá afectada, ya que esta resistencia en el análisis en alterna no existe, como se verá mas adelante, porque esta puenteada mediante un condensador de desacoplo Cs,

La señal alterna llegará a la compuerta montada sobre VGSQ a la cual se polarizó el JFET, la salida se obtendrá en el drenador montada sobre la VDSQ al cual se polarizó el JFET, cuando vgs aumenta, provoca que ID aumente lo que hace que la tensión sobre la resistencia de drenaje VRD aumente, esto a su vez hará que la VDSQ disminuya; entonces en la salida se obtendrá una vds que disminuye cuando vgs aumenta, por el contrario si vgs disminuye entonces ID disminuirá, lo cual hace que VRD diminuya provocando que VDS aumente, como consecuencia en la salida se obtiene una vds que aumenta cuando vgs disminuye.

EL resultado es que cuando se envía una señal por la compuerta, en el drenador se obtendrá una señal amplificada pero invertida.

En el siguiente vídeo se comenta sobre este tema, y además se ve como se obtiene el mismo resultado analizando los cambios sobre la gráfica de transferencia.

3.- El JFET en alterna parte 3 circuito equivalente y ganancia.

Se ha comentado que para alterna los condensadores que aparecen en el circuito de amplificación son cortocircuitos, están preparados para eso, la reactancia de los condensadores para la frecuencia a la cual van a trabajar dentro del amplificador debe ser muy baja, mientras que para continua, que corresponde a la parte de la polarización en la cual se ubica el punto de operación los condensadores se comportan como circuitos abiertos, ya que la frecuencia en continua es cero y para una frecuencia de cero la reactancia de un condensador tiende al infinito.

circuito de amplificación del JFET

Por el principio de superposición se puede hacer un análisis por separado para la parte de alterna como para la parte de continua, la parte de continua ya se vio cuando se polarizó el JFET, ahora para la parte de alterna ademas de considerar los condensadores como cortocircuitos, se necesita ver algo mas, que es que una fuente de continua en un circuito de alterna se comporta como un cortocircuito, esto es porque una fuente de continua en teoría no debe tener una resistencia interna, entonces si a una fuente de continua le llega una señal alterna, en la fuente de continua no caerá ninguna tensión alterna porque no tiene resistencia interna, por eso es que la a fuente de continua en alterna es un cortocircuito, y si la fuente de continua está conectada a tierra la señal alterna al pasar a través de la fuente de continua irá directamente hacia tierra; teniendo en cuenta estas consideraciones se puede hacer un esquema del circuito equivalente para el análisis en alterna del  circuito de amplificación.

El jfer en alterna, circuito para el análisis en alterna.

Este circuito se puede reducir aun mas tal como se muestra a continuación

Circuito equivalente, para el análisis en alterna del JFET

Para obtener la ganancia de tensión Av, se necesita conocer la tensión de entrada Vi que es Vi=vgs y la tensión de salida Vo, la tensión obtenida en la salida es Vo=id*rd, por lo tanto:

Av=Vo/Vi, luego

Av=(id*rd)/vgs, pero vgs=id/gm, entonces

Av=(id*rd)/(id/gm), de donde

Av=gm*rd, Que es la ganancia de voltaje para un circuito de amplificación con un JFET.

La ganancia de voltaje en un circuito de amplificación con el JFET es muy baja comparada con la ganancia que tiene un transistor BJT, en cuanto a la ganancia de corriente, no se puede hacer un cálculo ya que la corriente de entrada ig=0 es cero; la corriente de salida será igual a id=gm*vgs, en un circuito de amplificación con el JFET se obtiene corriente id a partir de una tensión vgs.

 El vídeo que se preparó en cuanto a este tema es el siguiente:

4.- El JFET en alterna parte 4 impedancia de entrada e impedancia de salida.

Los JFET tienen una alta impedancia o resistencia de entrada Rent que se mide entre la compuerta G y la fuente S, la cual se puede conocer con la ayuda de la hoja de datos, allí se encuentra un valor llamado IGSS, el cual se ha medido para un cierto valor de VGS, para conocer la resistencia de entrada será necesario aplicar la ley de ohm entre estos dos valores, algo asi:

Rent=VGS/IGSS, para un JFET de canal n VGS será negativo, se usará su valor absoluto.

Este valor es muy grande, muchas veces de miles de mega ohmios, por eso se considera que el JFET es un circuito abierto en su entrada.

El jfet en alterna, impedancia de entrada y de salida

Para el JFET en alterna, la resistencia entrada total que se conoce como impedancia de entrada Zi será

Zi=rs+(R1//R2//Rent), como Rent es muy grande

Zi=rs+(R1//R2), como rs pequeña

Zi=(R1//R2)

La impedancia de entrada para un circuito de amplificación  polarizado por divisor de tensión será el equivalente paralelo entre las resistencias de polarización R1 y R2.

En el caso de la resistencia de salida del JFET en la hoja de datos hay un valor llamado conductancia de salida gos o yos, al  tomar la inversa gos-1 de este valor se conocerá la resitencia de salida del JFET Rsal=gos-1.

La impedancia de salida Zo de un circuito de amplificación con el JFET se puede hallar así:

Zo=rd//Rsal, como rd será normalmente mucho menor que Rsal.

Zo=rd;

La impedancia de salida para un circuito de amplificación polarizado por diviosr de tensión será el equivalente paralelo entre RD//RL, esto es rd.

El vídeo que se preparó en cuanto a este tema es el siguiente:

5.- EJFET en alterna parte 5 punto de operación.

La ubicación del punto de operación Q sobre la curva de transferencia de un JFET va influir en al salida de un circuito de amplificación, provocando distorsiones sobre la señal amplificada, esto es debido a que el JFET responde a una ecuación cuadrática representada por la ecuación de Schockley; es sobre este fenómeno que se comenta en el siguiente vídeo.

6.- El JFET en alterna parte 6 condensador de acoplo y desacoplo.

El condensador ubicado entre la señal alterna y la compuerta G se conoce como condensador de acoplo de la entrada, porque sirve para acoplar la señal de entrada con el  circuito de polarización del JFET, de esta forma se logra que la señal de entrada vi se monte  sobre la VGSQ, pero para esto el condensador debe de tener una reactancia muy pequeña para la frecuencia de la señal, para que de esta manera la señal vea al condensador como un cortocircuito; el circuito de polarización esto es la parte de continua no se ve afectada por el condensador ya que para continua el condensador es un circuito abierto.

Algo similar ocurre con el condensador ubicado entre entre el drenaje D y la carga sobre la cual se utiliza la señal amplificada, solo que en este caso la señal antes de pasar hacia la carga se encuentra montada sobre VDSQ, el condensador se prepara para que la señal amplificada lo vea como un cortocircuito, para ello también debe de tener una impedancia muy baja para la frecuencia de la señal.

En cuanto al condensador de desacoplo que es el que está ubicado entre la fuente S  y tierra, lo que hace es conectar directamente la fuente S hacia tierra para el caso de alterna, para esto se tiene que preparar de tal forma que tenga una reactancia muy pequeña para la frecuencia de la señal, para que la señal lo vea como un cortocircuito, de allí que en el circuito equivalente para alterna la resistencia RS ya no está, porque para la señal RS será una impedancia muy alta en comparación con la reactancia del condensador de desacoplo, y le será mas fácil ir hacia tierra por el condensador de desacoplo que por RS, este condensador no afecta a la polarización de continua pues como ya se a comentado un condensador para continua es un circuito abierto.

Será necesario encontrar cuales son los valores adecuados para las capacitancias de los condensadores que se usarán en los circuitos de amplificación, es sobre la forma de calcular los valores adecuados para estos condensadores de lo que trata el siguiente vídeo.

Anterior: Polarización del Transistor JFET.

Siguiente: Amplificación con el transistor JFET.

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