Los amplificadores con transistores de efecto de campo (FET) ofrecen una excelente ganancia de voltaje, alta impedancia de entrada y son considerados configuraciones de bajo consumo de potencia. Estos dispositivos, como los JFET y los MOSFET de tipo decremental, permiten diseñar amplificadores con ganancias de voltaje similares a las de los BJT, pero con una impedancia de entrada significativamente mayor. Los MOSFET incrementales son particularmente populares en circuitos digitales, especialmente en configuraciones CMOS de bajo consumo, y también se utilizan en aplicaciones de alta frecuencia y de interfaz para computadoras.
A diferencia de los BJT, que utilizan el factor de amplificación β (beta), los FET emplean el factor de transconductancia (gm). En el análisis de pequeña señal (alterna), la fuente de tensión de corriente continua (VDD) se cortocircuita, y los condensadores de acoplamiento (C1 y C2) y de derivación (Cs) se comportan como cortocircuitos en el rango de frecuencias de trabajo del amplificador. El circuito equivalente de AC para el FET es más simple que el de los BJT debido a su alta impedancia de entrada.
Modelo de Pequeña Señal para el FET
En corriente continua (DC), la relación entre el voltaje compuerta-fuente (VGS) y la corriente de drenaje (ID) se rige por la ecuación de Shockley. El cambio en la corriente de drenador, ocasionado por un cambio en el voltaje compuerta-fuente, se determina mediante la transconductancia (gm):
gm = ΔID / ΔVGS
Determinación de la Transconductancia (gm)
La transconductancia puede determinarse gráficamente o matemáticamente. Gráficamente, se obtiene a partir de la pendiente de la curva característica en el punto de operación (Punto Q).
Matemáticamente, la transconductancia se puede expresar como:
gm = gm0 * (1 - VGS / VP)
Donde |VP| es la magnitud del voltaje de pinch-off. Cuando VGS = 0, gm alcanza su valor máximo, gm0.
En las hojas de especificaciones, la transconductancia a menudo se proporciona como Yfs (parámetro de admitancia de transferencia directa). Para JFETs, este valor típicamente varía entre 1000 y 5000 µs (o 1-5 ms).
Debido a que el factor (1 - VGS / VP) es menor que 1 para cualquier VGS ≠ 0, la magnitud de gm disminuye a medida que VGS se aproxima a VP. El impacto de la corriente de drenaje (ID) sobre gm se puede visualizar mediante la ecuación de Shockley:
ID = IDSS * (1 - VGS / VP)²
Es posible graficar gm en función de ID utilizando datos como IDSS y VP. Por ejemplo, si ID = IDSS, VGS = VP, y gm = 0. Si ID = IDSS / 2, VGS = VP * (1 - 1/√2), y gm = gm0 / √2. Si ID = IDSS / 4, VGS = VP * (1 - 1/2), y gm = gm0 / 2.
Ejemplo de Cálculo de gm
Dado IDSS = 8mA y VP = -4V, se puede graficar gm vs. ID. Para ID = 4mA (IDSS/2), gm = 2.83 mS. Para ID = 2mA (IDSS/4), gm = 2 mS.
Impedancias de Entrada y Salida
Impedancia de Entrada (Zi)
La impedancia de entrada de un FET es extremadamente alta. Para un JFET, se toma un valor típico de 10⁹ Ω (1000 MΩ), mientras que para los MOSFETs, este valor puede ser de 10¹² Ω a 10¹⁵ Ω, debido a la puerta aislada.
Impedancia de Salida (Z0)
La impedancia de salida de un FET es de magnitud similar a la de un BJT. En las hojas de especificaciones, se representa como Yos (admitancia de salida) o rd (resistencia de drenaje). Se puede expresar en forma de ecuación, considerando el cambio en la corriente de drenaje (ΔID) con respecto al cambio en el voltaje drenador-fuente (ΔVDS) manteniendo VGS constante. Si rd es significativamente mayor que la resistencia de carga (RD), la impedancia de salida se aproxima a RD.
Circuitos Equivalentes de AC y Polarización
Circuito Equivalente de AC para el FET
El circuito equivalente de AC para un FET incorpora la transconductancia (gm), la resistencia de drenaje interna (rd), y las resistencias externas del circuito.
Circuito de Polarización para el JFET
Se pueden emplear diversas configuraciones de polarización para establecer el punto de operación del JFET, como la polarización fija, la polarización por divisor de voltaje y la autopolarización.
Polarización Fija
En la polarización fija, se utilizan resistencias (RD, RG) y una fuente de alimentación (VDD). El análisis de AC, asumiendo que rd ≥ 10RD, permite simplificar el cálculo de la impedancia de salida a Z0 ≈ RD.
Polarización por Divisor de Voltaje
Esta configuración utiliza un divisor de voltaje (R1, R2) para establecer el voltaje de compuerta. Con condensadores de desacoplamiento, la impedancia de entrada se ve afectada por las resistencias del divisor, y la impedancia de salida depende de RD y rd.
Configuración con Desvío (By-pass)**
Cuando el condensador de derivación (Cs) está presente en paralelo con la resistencia de fuente (RS), se cortocircuita RS en AC, lo que aumenta la ganancia de voltaje del amplificador.
Sin Desvío
Sin el condensador de derivación, la resistencia de fuente (RS) afecta la ganancia de voltaje. El análisis del circuito equivalente de AC, considerando la resistencia total en el nodo S, permite determinar la impedancia de salida.
Ganancia de Voltaje (Av)
La ganancia de voltaje de un amplificador de fuente común se obtiene mediante la fórmula:
AV = - Vout / Vin
El signo negativo indica que la señal de salida está invertida con respecto a la señal de entrada.
Otra forma de obtener la ganancia es:
AV = - gm * RL
Donde RL es la resistencia de carga efectiva vista por el dispositivo.
En amplificadores de fuente común, la ganancia de voltaje puede expresarse también como:
Av = gm * (RD || rd) (sin condensador de derivación en la fuente)
Y con condensador de derivación en la fuente:
Av = gm * RD (si rd » RD)
La resistencia de pantano (rS) juega un papel similar al de la resistencia de emisor en los BJT, afectando la ganancia y la impedancia de entrada.
Modelos AC para MOSFETs
MOSFETs de Tipo Decremental (DE-MOSFET)
El modelo de pequeña señal para los MOSFETs de tipo decremental es esencialmente el mismo que para los JFETs, utilizando la transconductancia (gm) y la resistencia de drenaje (rd). La principal diferencia radica en que VGS puede ser positivo para canal "n" y negativo para canal "p", lo que puede resultar en una gm mayor que gm0.
MOSFETs de Tipo Incremental (E-MOSFET)
Para los MOSFETs de tipo incremental, el modelo equivalente de AC también es similar. La transconductancia (gm) se determina de manera análoga, y las configuraciones como la retroalimentación en drenaje o el divisor de voltaje se analizan de forma similar, teniendo en cuenta las características específicas de estos dispositivos.
Diseño de Redes Amplificadoras FET
El diseño de amplificadores FET implica determinar los valores de los componentes de polarización (resistencias y fuentes de alimentación) para lograr una ganancia de voltaje deseada y un punto de operación específico. Esto se logra aplicando los principios de análisis DC y AC.
Ejemplo de Diseño
Para diseñar una red de polarización fija con una ganancia AC de 10, se deben determinar los valores de RD y otras resistencias basándose en los parámetros del FET (IDSS, VP) y la fuente de alimentación (VDD).
Amplificadores Multietapa
Los amplificadores multietapa combinan varias etapas de amplificación para obtener una ganancia total mayor. El análisis de cada etapa individualmente, considerando sus respectivos puntos de operación y modelos de pequeña señal, permite determinar la ganancia general, la impedancia de entrada y la impedancia de salida del amplificador completo.
El análisis de estos circuitos complejos implica:
- Cálculo de los puntos de operación (Punto Q) para cada transistor.
- Determinación de las expresiones literales para la ganancia de voltaje (Av), impedancia de entrada (Zi) y impedancia de salida (Z0) de cada etapa.
- Evaluación de estas expresiones con los valores de los componentes.