Aceste dispozitive au avantajul, față de tranzistoarele bipolare, unei impedanțe de intrare extrem de ridicată, împreună cu o ieșire de zgomot redus, făcându-le ideale pentru a fi utilizate în circuite de amplificare care au semnale de intrare foarte mici.

Schema unui circuit amplificator bazat pe un tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune sau "JFET", (FET canal-N pentru acest tutorial) sau chiar un "MOSFET", are exact același principiu ca cel pentru circuitul cu tranzistor bipolar folosit pentru un circuit amplificator clasă A, pe care l-am analizat în tutorialul anterior.

În primul rând, este necesar să se găsească un punct static adecvat sau un "punct Q" pentru polarizarea corectă a circuitului amplificator JFET cu configurații de amplificator singur: Sursă-comună (CS), Drenă-comună (CD) și Poartă-comună (CG) disponibile pentru majoritatea dispozitivelor FET.

Aceste trei configurații ale amplificatorului JFET corespund emitorului-comun, emitorului-repetor și configurațiilor de bază-comună de la tranzistoare bipolare. În acest tutorial, despre amplificatoarele FET, vom analiza popularul Amplificator JFET cu Sursă-comună deoarece acesta este cea mai utilizată schemă de amplificator JFET.

Luați în considerare configurația circuitului Amplificator JFET cu sursă-comună de mai jos.

Amplificator JFET cu sursă-comună

Circuitul amplificator constă dintr-un JFET cu canal-N, dar dispozitivul ar putea fi, de asemenea, un echivalent MOSFET în mod de epuizare cu canal-N, deoarece schema circuitului ar fi aceeași doar o modificare a FET, conectat într-o configurație sursă-comună. Tensiunea pe poarta JFET VG este polarizată prin rețeaua divizoare de potențial stabilită de rezistoarele R1 și R2 și este polarizată să funcționeze în regiunea sa de saturație care este echivalentă cu regiunea activă a tranzistorului cu joncțiune bipolar.

Spre deosebire de un circuit cu tranzistor bipolar, joncțiunea FET nu are practic nici un curent de intrare, permițând porții să fie tratată ca un circuit deschis. Deci nu sunt necesare curbe caracteristice de intrare. Putem compara JFET cu tranzistorul cu joncțiune bipolar (BJT) în tabelul următor.

Comparație JFET cu BJT

Deoarece JFET-ul canal-N este un dispozitiv cu mod de epuizare și este normal "ON", este necesară o tensiune negativă a porții în raport cu sursa pentru a modula sau a controla curentul de drenă. Această tensiune negativă poate fi asigurată prin polarizarea de la o tensiune de alimentare separată sau printr-un aranjament de auto-polarizare, atâta timp cât un curent staționar curge prin JFET, chiar dacă nu există semnal de intrare prezent și VG menține o polarizare inversă a joncțiuni PN poartă-sursă.

În exemplul nostru simplu, polarizarea este asigurată de o rețea divizoare de potențial care permite semnalului de intrare să producă o cădere de tensiune pe poartă, precum și creșterea tensiunii la poartă cu un semnal sinusoidal. Orice pereche potrivită de valori rezistive în proporții corecte ar produce tensiunea de polarizare corectă, astfel încât tensiunea DC de polarizare a porții VG este dată de:

Rețineți că această ecuație determină doar raportul dintre rezistoarele R1 și R2 , dar pentru a profita de impedanța de intrare foarte mare a JFET și pentru a reduce disiparea de putere în circuit, trebuie să facem ca aceste valori ale rezistoarelor să fie ridicate pe cât posibil, cu valori cuprinse între 1 și 10 MΩ fiind comune.

Semnalul de intrare (Vin) al amplificatorului JFET cu sursă-comună este aplicat între terminalul Poartă și masă (0V). Cu o valoare constantă a tensiunii de poartă VG aplicată, JFET operează în "regiunea ohmică", acționând ca un dispozitiv liniar rezistiv. Circuitul de drenă conține rezistorul de sarcină RD. Tensiunea de ieșire, Vout este dezvoltată pe această rezistență de sarcină.

Eficiența amplificatorului JFET cu sursă-comună poate fi îmbunătățită prin adăugarea unui rezistor Rs inclus în legătura sursei, cu același curent de drenă curgând prin acest rezistor. Rezistorul Rs este, de asemenea, folosit pentru a seta "punctul-Q" al amplificatoarelor JFET.

Când JFET este comutat complet "ON", o cădere de tensiune egală cu Rs x ID este dezvoltată pe acest rezistor crescând potențialul terminalului sursă peste 0V sau nivelul masei. Această cădere de tensiune pe Rs, datorată curentului de drenă, asigură condiția de polarizare inversă necesară pe rezistorul porții R2 generând efectiv un feedback negativ.

Deci, pentru a păstra joncțiunea poarta-sursă invers polarizată, tensiunea sursă Vs trebuie să fie mai mare decât tensiunea poartă VG. Această tensiune sursă este, prin urmare, dată de:

Atunci, curentul de drenă ID este de asemenea egal cu curentul sursă Is deoarece "nici-un curent" nu intră în terminalul Poartă și acest lucru poate fi dat ca:

Acest circuit de polarizare cu divizor de potențial îmbunătățește stabilitatea circuitului amplificator JFET cu sursă- comună atunci când este alimentat dintr-o singură alimentare DC în comparație cu cea a unui circuit de polarizare cu tensiune fixată. Atât rezistorul Rs cât și condensatorul by-pass sursă Cs servesc în principiu aceeași funcție ca și rezistorul și condensatorul de emitor în circuitul amplificator cu tranzistor bipolar cu emitor-comun, și anume de a asigura o stabilitate bună și pentru a preveni o reducere a câștigului de tensiune. Dar, prețul plătit pentru o tensiune de poartă static stabilizată este că mai multă tensiune de alimentare este căzută pe Rs.

Valoarea în farazi a condensatorului bypass sursă este, în general, destul de ridicată peste 100 μF și va fi polarizat. Aceasta conferă condensatorului o valoare a impedanței mult mai mică, mai mică de 10% din valoarea transconductanței, valoarea gm (coeficientul de transfer reprezentând câștig) a dispozitivului. La frecvențe înalte, condensatorul bypass acționează în esență ca un scurtcircuit și sursa va fi conectată efectiv direct la masă.

Circuitul de bază și caracteristicile unui amplificator JFET cu sursă-comună sunt foarte asemănătoare cu cele ale amplificatorului cu emitor-comun. O linie de sarcină DC este construită prin unirea celor două puncte referitoare la curentul de drenă ID și tensiunea de alimentare VDD, reamintind că atunci când ID = 0: (VDD = VDS) și când VDS = 0: (ID = VDD/RL). Linia de sarcină este așadar intersecția curbelor la punctul Q, ca mai jos.

Curbe caracteristice ale amplificatorului JFET cu sursă-comună

Ca și în cazul circuitului bipolar cu emitor-comun, linia de sarcină DC pentru amplificatorul JFET cu sursă-comună produce o ecuație de linie dreaptă a cărei pantă este dată de: -1/(RD + Rs) și traversează axa verticală ID la punctul A egal cu VDD/(RD + Rs). Celălalt capăt al liniei de sarcină traversează axa orizontală la punctul B, care este egal cu tensiunea de alimentare VDD.

Poziția reală a punctului-Q pe linia de sarcină DC este, în general, poziționată la punctul central al liniei de sarcină (pentru operare clasă A) și este determinată de valoarea medie a VG care este polarizată negativ, deoarece JFET este în modul de epuizare. Ca și amplificatorul cu emitor-comun bipolar, ieșirea amplificatorului JFET cu sursă-comună este defazată cu 180⁰ față de semnalul de intrare.

Unul dintre principalele dezavantaje ale utilizării JFET în modul de epuizare este că trebuie să fie polarizate negativ. În cazul în care această polarizare nu reușește din orice motiv, tensiunea poartă-sursă poate crește și devine pozitivă determinând o creștere a curentului de drenă ducând la defectarea tensiunii de drenă, VD.

De asemenea, rezistența înaltă a canalului RDS (on) al joncțiunii FET, cuplată cu un curent de drenă ridicat la starea staționară statică, face ca aceste dispozitive să fie încălzite, deci este necesar un radiator suplimentar. Cu toate acestea, majoritatea problemelor asociate cu utilizarea JFET-urilor pot fi mult reduse prin utilizarea în loc a dispozitivelor MOSFET în modul de îmbunătățire.

MOSFET sau Metal Oxide Semiconductor FET au impedanță de intrare mult mai mare și rezistențe reduse ale canalelor comparativ cu JFET echivalent. De asemenea, aranjamentele de polarizare pentru MOSFET-uri sunt diferite și dacă nu le-am polarizat pozitiv pentru dispozitivele cu canal-N și negativ pentru dispozitivele cu canal-P nu va circula curent de drenă, atunci avem în realitate un tranzistor sigur.

Câștiguri de curent și putere ale amplificatorului JFET

Am spus anterior că curentul de intrare IG al unui amplificator JFET sursă-comună este foarte mic din cauza impedanței de poartă extrem de ridicată RG. Un amplificator JFET sursă-comună are, prin urmare, un raport foarte bun între impedanțele sale de intrare și de ieșire și pentru orice cantitate de curent de ieșire Io amplificatorul JFET va avea un câștig de curent foarte ridicat Ai.

Din cauza aceasta, amplificatoarele JFET sursă-comună sunt extrem de valoroase ca circuite de adaptare a impedanțelor sau sunt utilizate ca amplificatoare de tensiune. De asemenea, deoarece puterea = tensiunea × curentul, iar tensiunile de ieșire sunt de obicei câțiva milivolți sau chiar volți, câștigul de putere Ap este de asemenea foarte mare.

În tutorialul următor vom analiza modul în care polarizare incorectă a amplificatorului cu tranzistor poate cauza distorsiunea semnalului de ieșire sub forma distorsiunii amplitudinii datorată limitării și a efectului distorsiunii de fază și de frecvență.