13.3: Seguidores de drenaje común MOSFET
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Como se discutió en la sección sobre JFET, el amplificador de drenaje común también se conoce como seguidor de fuente. El prototipo de circuito amplificador con modelo de dispositivo se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Al igual que con todos los seguidores de voltaje, esperamos una ganancia de voltaje no inversora cercana a la unidad con un alto\(Z_{in}\) y un bajo\(Z_{out}\).
Figura\(\PageIndex{1}\): Prototipo de drenaje común (seguidor de fuente).
Como es habitual, la señal de entrada se aplica al terminal de puerta y la salida se toma de la fuente. Debido a que la salida está en la fuente, no se pueden usar esquemas de polarización que tienen el terminal fuente conectado a tierra, como polarización cero y polarización del divisor de voltaje.
13.3.1: Ganancia de voltaje
La ecuación de ganancia de voltaje para el seguidor de drenaje común se desarrolla de la siguiente manera: Comenzamos con la definición fundamental de que la ganancia de voltaje es la relación de\(v_{out}\) a\(v_{in}\), y procedemos expresando estos voltajes en términos de sus equivalentes de ley de Ohm. La carga ahora se encuentra en la fuente del MOSFET y, por lo tanto, se puede denominar como cualquiera\(r_L\) o\(r_S\).
\[A_v = \frac{v_{out}}{v_{i n}} = \frac{v_S}{v_G} = \frac{v_L}{v_G} \\ A_v = \frac{i_D r_L}{i_D r_L+v_{GS}} \\ A_v = \frac{g_m v_{GS} r_L}{g_m v_{GS} r_L+v_{GS}} \\ A_v = \frac{g_m r_L}{g_m r_L+1} \label{13.5} \]
o, si lo prefiere
\[A_v = \frac{g_m r_S}{g_m r_S+1} \label{13.5b} \]
Si\(g_mr_S \gg 1\), la ganancia de voltaje estará muy cerca de la unidad; un resultado deseado.
13.3.2: Impedancia de entrada
El análisis de la impedancia de entrada del seguidor de fuente es prácticamente idéntico al del amplificador de fuente común. El mismo comentario se aplica respecto a la simplificación de las resistencias de polarización de puerta para llegar al valor de\(r_G\).
\[Z_{in} = r_G || r_{GS} \approx r_G \label{13.6} \]
13.3.3: Impedancia de salida
Para determinar la impedancia de salida, modificamos el circuito de la Figura\(\PageIndex{1}\) separando la resistencia de carga de la resistencia de polarización de la fuente. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\).
Figura\(\PageIndex{2}\): Análisis de impedancia de salida del seguidor de fuente.
Mirando hacia atrás en la fuente desde la perspectiva de la carga encontramos que la resistencia de polarización de la fuente,\(R_S\), está en paralelo con la impedancia mirando hacia atrás en el terminal de la fuente.
\[Z_{out} = R_S || Z_{source} \nonumber \]
Para encontrar\(Z_{source}\), tenga en cuenta que el voltaje en la fuente es\(v_{GS}\) y la corriente que ingresa a este nodo es\(i_D\). La relación de los dos dará la impedancia mirando hacia atrás en la fuente.
\[Z_{source} = \frac{v_{GS}}{i_D} \\ Z_{source} = \frac{v_{GS}}{g_m v_{GS}} \\ Z_{source} = \frac{1}{g_m} \label{13.7} \]
Por lo tanto, la impedancia de salida es
\[Z_{out} = R_S || \frac{1}{g_m} \label{13.8} \]
Mirando la Ecuación\ ref {13.8} es obvio que cuanto mayor es la transconductancia, menor es la impedancia de salida. Como se señaló anteriormente, una transconductancia grande también significa que la ganancia de voltaje estará cerca de la unidad. Como regla general entonces, se desea una gran transconductancia para el seguidor de fuente.
Tiempo para algunos ejemplos ilustrativos.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\)
Para el circuito de la Figura\(\PageIndex{3}\), determine la ganancia de voltaje y la impedancia de entrada. Supongamos\(V_{GS(off)}\) = −0.8 V y\(I_{DSS}\) = 30 mA.
Figura\(\PageIndex{3}\): Circuito por Ejemplo\(\PageIndex{1}\).
Este amplificador utiliza autopolarización por lo que necesitamos determinar\(g_{m0}R_S\).
\[g_{m0} =− \frac{2 I_{DSS}}{V_{GS (off )}} \nonumber \]
\[g_{m0} =− \frac{2 \times 30mA}{−0.8 V} \nonumber \]
\[g_{m0} = 75mS \nonumber \]
La resistencia de la fuente de CC es la resistencia de\(\Omega\) polarización 270 que resulta en\(g_{m0} R_S\) = 16.2. A partir de la ecuación de autopolarización o gráfica esto produce una corriente de drenaje de 2.61 mA.
\[g_m = g_{m0} \sqrt{\frac{I_D}{I_{DSS}}} \nonumber \]
\[g_m = 75 mS \sqrt{\frac{2.61 mA}{30 mA}} \nonumber \]
\[g_m = 22.1mS \nonumber \]
La ganancia de voltaje es
\[A_v = \frac{g_m r_S}{g_m r_S+1} \nonumber \]
\[A_v = \frac{22.1 mS(270\Omega || 150 \Omega )}{22.1 mS \times (270 \Omega || 150\Omega ) +1} \nonumber \]
\[A_v = 0.68 \nonumber \]
Por último, para la impedancia de entrada tenemos
\[Z_{in} = 1.2 M\Omega || Z_{in(gate)} \approx 1.2 M\Omega \nonumber \]
Ejemplo\(\PageIndex{2}\)
Para el circuito de la Figura\(\PageIndex{4}\), determine la ganancia de voltaje y la impedancia de entrada. Supongamos\(V_{GS(off)}\) = −2.5 V y\(I_{DSS}\) = 80 mA.
Figura\(\PageIndex{4}\): Circuito por Ejemplo\(\PageIndex{2}\).
Este seguidor utiliza un dispositivo de canal P con sesgo combinado. Tenga en cuenta que el terminal de origen está hacia la parte superior del esquema. Primero, determinar\(g_{m0}R_S\) y el factor de sesgo,\(k\). Entonces se puede usar la ecuación de polarización de combinación para determinar la corriente de drenaje.
\[g_{m0} =− \frac{2 I_{DSS}}{V_{GS (off )}} \nonumber \]
\[g_{m0} =− \frac{2 \times 80 mA}{−2.5 V} \nonumber \]
\[g_{m0} = 64 mS \nonumber \]
La resistencia de la fuente de CC es la resistencia de\(\Omega\) polarización de 1.8 k que resulta en\(g_{m0} R_S\) = 115.2. El factor de sesgo es\(V_{SS}/V_{GS(off)}\), o 4. La ecuación de sesgo de combinación (Ecuación 10.9) rinde\(I_D\) = 6.67 mA.
Ahora podemos encontrar la transconductancia y ganancia de voltaje.
\[g_m = g_{m0} \sqrt{\frac{I_D}{I_{DSS}}} \nonumber \]
\[g_m = 64mS \sqrt{\frac{6.67 mA}{80mA}} \nonumber \]
\[g_m = 18.5mS \nonumber \]
La ganancia de voltaje es
\[A_v = \frac{g_m r_S}{g_m r_S+1} \nonumber \]
\[A_v = \frac{18.5 mS(1.8k \Omega || 800\Omega )}{18.5 mS \times (1.8 k\Omega || 800 \Omega ) +1} \nonumber \]
\[A_v = 0.91 \nonumber \]
Por último, la impedancia de entrada es
\[Z_{in} = 560 k\Omega || Z_{in(gate)} \approx 560 k\Omega \nonumber \]