JFET

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JFET´s – Análise CC 
 
CELET – Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica 
Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE 
Vitória da Conquista - 2009 
1a Parte 
 
IFBA 
• Transistor de junção por efeito de campo (Junction Field-Effect 
Transistor); 
• É um transistor unipolar, depende somente de um tipo de carga, 
ou as lacunas ou os elétrons; 
 
• Fonte porque os elétrons livres entram no 
dispositivo nesse ponto; 
• Dreno por onde os elétrons livres saem; 
• Porta = gate. 
 
 
• É um dispositivo sensível a tensão 
JFET´s - estrutura e símbolo 
 Polarização (funcionamento) 
– Uma alimentação positiva VDD é ligada entre o dreno e a fonte, o que estabelece 
um fluxo de elétrons livres; 
– A tensão reversa VGG aplicada na junção porta-fonte cria uma camada de 
depleção em volta das regiões p; 
– Quanto mais negativa essa tensão, mais estreito torna-se o canal. Ou seja a 
tensão reversa controla o fluxo de elétrons livres; 
 A impedância de entrada alta (dezenas ou centenas de megohms). 
 
 
JFET´s - Funcionamento 
JFET´s 
– De 0 a 4 V a corrente sobe rapidamente, região ôhmica; 
– De 4 a 30 V se comporta como uma fonte de corrente, região ativa; 
– Acima de 30 V, o JFET rompe-se, região de ruptura; 
– Para VGS(desligado) = -4 V, a corrente de dreno ID é aproximadamente 0, região de 
corte; 
 
• Curvas de Dreno – Análise 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JFET´s 
– Observe que VGS(desligado) = -4 V é igual em módulo a VDS máximo na região 
ôhmica; 
– VGS = 0, equivale a um curto entre a porta e a fonte, e 
 IDSS = 10 mA = máxima corrente do Dreno; 
– Quanto mais negativa VGS menor ID. 
• Curvas de Dreno – Análise 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Curva de Transcondutância 
– A curva é um trecho de parábola; 
– A equação desta curva, para 
qualquer JFET é: 
 
– Muitas folhas de dados só fornecem IDSS e VGS(desligado); 
 
 
 
 
 
 
 
– A partir daí pode-se traçar a curva usando 
os pontos: 
 
JFET´s 
• Polarização da Porta 
– É a pior forma de polarizar o JFET; 
 
– Em razão da variação na corrente de dreno ser 
tão grande; 
 
JFET´s – Análise CC 
(b) Figura simplificada (a) Polarização da Porta 
(c) O ponto Q varia demais com 
polarização da porta 
• Autopolarização 
 
– Usa RS para estabilizar o circuito; 
– Em um 1o momento: 
 A corrente ID aumenta, logo VS aumenta pois RS é fixo; 
 Isso aumenta a tensão reversa VG, que por sua vez estreita o canal e reduz 
ID; 
– Em um 2o momento: 
 A corrente ID diminui, logo VS diminui pois RS é fixo; 
 Isso diminui a tensão reversa VG, que por sua vez aumenta o canal e 
aumenta ID; 
– O que compensa parcialmente o aumento inicial em ID estabilizando o circuito. 
 
JFET´s – Análise CC 
• Autopolarização – Tensão porta-fonte 
 
– Como a porta tem polarização reversa, flui uma corrente de porta 
desprezível através de RG, assim: 
 VG = 0 
– A tensão da Fonte ao terra: 
 VS = IDRS 
– A tensão da porta-fonte: 
 VGS = VG –VS = 0 – IDRS 
 
 VGS = – IDRS 
 
JFET´s – Análise CC 
• Linha de Autopolarização 
 ID = – VGS 
 RS 
– Exemplos: 
→VGS = 0 ID = 0 = 0 
 500 
 
→VGS = -1 V ID = -(-1) = 2 mA 
 500 
 
→VGS = -2 V ID = -(-2) = 4 mA 
 500 
 
– A corrente de dreno varia linearmente com VGS. 
 
 
JFET´s – Análise CC 
Autopolarização 
• Efeito da variação da Resistência da Fonte 
 
 
 
 
 
 
 
• Projeto gráfico 
 RS = – VGS 
 ID 
• Projeto conveniente 
 RS = VGS(desligado) 
 IDSS 
 
 
 
JFET´s – Análise CC 
Autopolarização 
• Tolerância 
– Devido às variações de VGS(desligado) e IDSS para valor de RS a ser usado em 
grande escala; 
– As folhas de dados incluem duas curvas, a mínima e a máxima. 
 
 
 
 
JFET´s – Análise CC 
• Polarização por Divisor de Tensão 
 
 VTh = R2___ VDD VS = VTh – VGS 
 R1 + R2 
 
 ID = VTh – VGS VD = VDD – IDRD 
 RS 
– Se VTh for suficientemente grande para sobrepujar VGS, 
 ID será aproximadamente constante; 
 
 Problema num JFET: 
– O VGS pode variar vários volts de um JFET 
para outro; 
 
– Ficando difícil estabelecer o valor de VTh. 
 
 
 
JFET´s – Análise CC 
• Polarização por Divisor de Tensão 
 
Linha de polarização 
 
– Quanto maior for VTh, mais horizontal a linha de 
polarização se torna, porém há um limite; 
 
 
 
 
 
JFET´s – Análise CC 
• Polarização por Fontes 
 
– A idéia aqui é de sobrepujar as variações de VGS fazendo VSS >> VGS, 
porém isso é difícil. 
 
 ID = VSS – VGS 
 RS 
 
 
 
JFET´s – Análise CC 
• Polarização por Fonte de Corrente (com 2 Alimentações) 
 
– A idéia aqui é produzir uma corrente do dreno que seja independente de VGS. 
Uma corrente constante. 
 IC = VEE – VBE 
 RE 
 
 
 
JFET´s – Análise CC 
• Polarização por Fonte de Corrente (com 1 Alimentação) 
 
– O TBJ, fonte de corrente, força a corrente do dreno ser igual à do coletor, 
que é constante. 
 ID = IC 
 
 
 
 
JFET´s – Análise CC 
JFET´s - Análise CA 
 
CELET – Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica 
Prof. Edvaldo Moraes Ruas (EE) 
Vitória da Conquista - 2010 
 
IFBA 
2a Parte 
• É a razão: gm = ∆ID . 
 ∆VGS 
• Como as variações em ID e em VGS são equivalentes à correte e à tensão 
CA, a equação fica 
gm = id . 
 vgs 
 que é uma fórmula para pequeno sinal, exata para variações 
infinitesimais. 
• Usaremos está equação como uma aproximação para gm toda vez que o 
valor de pico a pico de id for menor do que 10% da corrente do dreno no 
ponto Q. 
• Exemplo de como calcular gm e sua apresentação: 
id = 0,2 mA gm = 0,2 m .= 2000 µS 
vgs = 0,1 V 0,1 
 
Transcondutância 
• A transcondutância gm nos informa sobre o controle que a tensão da porta 
tem sobre a corrente do dreno. Quanto mais alto gm mais eficiente é a 
tensão da porta no controle da corrente do dreno. 
 
Transcondutância 
• Modelo π 
 Esse modelo é para baixas frequências. 
 
 
 
• Outra equação 
 
gm = gm0 [ 1 – VGS/VGS(desl.)] 
 
 onde: gm0 para VGS = 0; 
 VGS(desl.) para gm = 0. 
 
• Um valor preciso de VGS(off) 
 
 VGS(off) = – 2IDSS . 
 gm0 
 
 Funcionamento 
• Quando um pequeno sinal CA é acoplado à porta, ele produz variações na 
tensão da porta-fonte; 
• Isto produz uma corrente de dreno que varia também e que flui através do 
resistor do dreno; 
• Obtendo assim uma tensão CA amplificada na saída semelhante ao 
pequeno sinal CA da porta. 
 
 Inversão de fase 
• Um aumento na tensão da porta-fonte 
 produz mais corrente de dreno, portanto 
 diminui a tensão de dreno. 
• Assim, inverte a tensão de saída. 
 
Amplificador Fonte Comum (SC) 
 R1 || R2; 
 
 RGS >> 0 circuito aberto; 
 
 vsaída = – gmvgsRD sinal “–” inversão de fase 
 
 vent = vgs 
 
 vsaída . = – gmRD 
 vent 
 
 A = – gmRD 
 
 Modelo CA do estágio SC 
 
Ganho de Tensão (Amplificador SC) 
onde: 
 A= ganho de tensão sem carga; 
 gm= transcondutância; 
 RD = resistência do dreno. 
 
 
 
• Este tipo de distorção é chamado distorção por lei quadráticaporque a 
curva de transcondutância é parabólica; 
• Uma forma de se minimizar a distorção é manter o sinal pequeno; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Um sinal é pequeno quando a corrente do dreno tem um valor de pico a 
pico menor do que 10% da corrente do dreno quiescente. 
 
 
 
 
 
 
Distorção 
• Se rS for suficientemente grande, a linearização local poderá reduzir a não 
linearidade da curva de transcondutância. 
 
• Tensão de entrada 
 RGS >> 0 
vent – vgs – gmvgsrS = 0 
vent = (1 + gmrS ).vgs 
 
• Tensão de saída 
 vsaída = – gmvgsRD 
 
Resistor de linearização (Amplificador SC) 
• Ganho 
vsaída = – gmRD A = – RD 
 vent 1 + gmrS rS + 1/gm 
rS reduz o ganho de tensão; 
gm têm menos efeito no ganho de tensão; 
Para se reduzir por linearização as variações em 
gm, rS precisa ser muito maior do que 1/gm. 
 
 Neste caso a tensão de saída é aproximadamente igual a tensão de entrada 
e esta em fase com ela. 
 Por isso o circuito é chamado de seguidor de fonte; 
 Devido a sua alta impedância de entrada ele é geralmente usado no 
terminal de entrada de instrumentos de medição. 
 
Amplificador de Dreno Comum (DC) 
 
• Tensão de entrada 
 vent – vgs – gmvgsRS = 0 
 vent = (1 + gmRS ).vgs 
 
• Tensão de saída é: 
 vsaída = gmvgsRS 
 
Amplificador de Dreno Comum (DC) 
• Ganho 
vsaída = gmRS A = RS 
 vent 1 + gmRS RS + 1/gm 
 
 
O seguidor de fonte tem menor distorção que um 
amplificador SC devido ao resistor da fonte não 
derivado. 
• Tensão de saída 
 vsaída = RS . vent 
 RS + 1/gm 
 
Isto lembra um divisor de tensão. 
Logo, aproximadamente: zsaída(fonte) = 1 . 
 gm 
 
 Impedância de Entrada e Saída 
 
 zent = RS + (1/gm) 
 
 zsaída = RS || (1/gm) 
 
• zent = R1 || R2 para um Divisor de Tensão 
• zent = RG para Autopolarização 
 
 
 zsaída = RS || (1/gm) 
 
Amplificador de Dreno Comum (DC) 
• Corrente CA de entrada 
 ient = id = gm vgs 
 
Rearranjado 
vgs = 1 . 
ient gm 
 
Como vgs = vent 
zent = 1 . 
 gm 
Por exemplo, se g = 2000 µS, 
zent = 1 . = 500 Ω 
 2000 µ 
 
• Portanto a impedância de entrada é baixa, por isso ele tem apenas 
algumas aplicações. 
Amplificador de Porta Comum (GC) 
• A idéia consiste em usar somente dois pontos da linha de carga: 
 corte e saturação. 
 
 
 
 
 
Saturação Corte 
VGS = 0 VGS ≤ VGS(desl.) 
 
 
 Resistência CC do Estado Ligado 
 
 A Chave JFET não é perfeita porque uma pequena resistência aparece na 
saturação. 
 RDS(lig.) = VGS . 
 ID 
Chave Analógica JFET 
 Resistência CA do Estado Ligado 
 
 A Resistência CA aparece quando o transistor esta saturado e é aplicado 
um sinal CA. 
 rds(lig.) = ΔVDS . 
 Δ ID 
 
 
 Chave Shunt 
 
 
 
 
 
 
 Chave Série 
 
 
Chave Analógica JFET 
 Multiplexando 
 
 Normalmente somente um dos sinais de entrada aparece na saída, ou seja, 
um dos sinais de controle é zero. 
 
 
Chave Analógica JFET 
 Chopper JFET (Interruptor Pulsante) 
 
• Se utilizarmos acoplamento direto, sem capacitores de acoplamento e de 
derivação, e se ligarmos vários estágios, a desvantagem é o drift ou 
deriva; 
• Drift é um lento desvio na tensão de saída produzido pelas variações da 
alimentação e do transistor. 
• Para resolver esse problema é que utilizamos o método Chopper. 
 
 
Chave Analógica JFET 
 Algumas aplicações dos JFET´s em que suas propriedades dão uma 
vantagem sobre o TBJ. 
 
 Amplificador Buffer 
• Um buffer isola o estágio anterior do posterior; 
• Idealmente, um buffer deve ter uma alta impedância de entrada (na faixa 
dos megohms em baixas frequências), que significa uma corrente baixa 
para o estágio anterior; 
• E deve ter uma baixa impedância de saída para que ele dê conta de cargas 
pesadas; 
 
 
 
• Seguidor da Fonte é um amplificador buffer. 
 
 
Outras Aplicações JFET 
 Amplificador de Baixo Ruído 
 
• Ruído é qualquer perturbação indesejada superposta ao sinal útil; 
• Qualquer dispositivo eletrônico produz uma certa quantidade de ruído; 
• O JFET é um dispositivo de baixo ruído; 
• Isto é especialmente desejável na seção de entrada, justamente porque os 
estágios subsequentes amplificam o ruído com o sinal de entrada. 
Outras Aplicações JFET 
 Resistência Variável com a Tensão 
• A região de saturação de um JFET também é chamada região ôhmica; 
• Na região ôhmica, rds(ligado) pode ser controlada por VGS; 
• Quanto mais negativo VGS, maior torna-se rds(ligado); 
 Exemplo, de um 2N5951 
 Para VGS = 0 V, ID = 0,75 mA e VDS = 100 mV 
 rds(ligado) = 100 m =133 Ω 
 0,75 m 
 Para VGS = – 2 V, ID = 0,4 mA e VDS = 100 mV 
 rds(ligado) = 100 m = 250 Ω 
 0,4 m 
• Quando usado dessa forma, o JFET não precisa de uma tensão CC de 
dreno de alimentação, e sim, um sinal de entrada. 
 
 
Outras Aplicações JFET 
 Controle Automático de Ganho 
• Para contrabalançar as variações de volume indesejadas, a maioria dos 
receptores utilizam um controle automático de ganho. 
 A = – gm rD 
 
 
Outras Aplicações JFET 
 Amplificador Cascode 
• Amplificador Cascode é um amplificador de fonte comum que alimenta 
um amplificador com porta comum; 
• O amplificador SC tem ganho de 
 A1 = – gm RD 
• A impedância de entrada do amplificador GC é 1/gm; logo 
 A1 = – gm RD = – gm 1 . = – 1 
 gm 
• O amplificador GC tem um ganho de 
 A2 = gm RD 
• Logo, o ganho total dos dois é 
 A2 = A1 A2 = – gm RD 
• Portanto o amplificador cascode tem o mesmo ganho do amplificador SC. 
A vantagem é a sua baixa capacitância de entrada. 
Outras Aplicações JFET 
Amplificador GC e SC 
• Ganho 
vsaída = – gmRD A = – RD 
 vent 1 + gmrS rS + 1/gm 
• Corrente CA de entrada 
 ient = id = gm vgs 
 
Rearranjado 
vgs = 1 . 
ient gm 
 
Como vgs = vent 
zent = 1 . 
 gm 
 Limitador de Corrente 
• O Limitador é capaz de proteger uma carga contra uma corrente 
excessiva; 
 
• Por exemplo, suponha que a corrente de carga normal seja 
 de 1 mA. Se IDSS = 10 mA e rDS(ligado) = 200 Ω, então uma 
 corrente de carga normal de 1 mA significa que o JFET 
 está na região ôhmica; 
 VDS = 1 m .200 = 0,2 V 
• Praticamente toda a tensão da alimentação aparece na carga; 
 
• Suponha agora que a carga esteja em curto; a corrente de carga tenta 
aumentar excessivamente, forçando o JFET a ir para região ativa, onde 
esta limitada a corrente de 10 mA, e funciona agora como uma fonte de 
corrente. 
Outras Aplicações JFET