¿Por qué el voltaje de la fuente es 1/4 del voltaje de suministro aplicado al drenaje en un circuito JFET con divisor de voltaje?

De acuerdo con un artículo sobre transistores de efecto de campo de unión (JFET) en ElectronicsTutorial , el voltaje a través de la resistencia de la fuente es igual a 1/4 del voltaje de suministro aplicado al drenaje/puerta para un amplificador de clase "A". Citando del artículo:

Este circuito amplificador de fuente común (CS) está polarizado en modo clase "A" por la red divisora ​​de voltaje formada por las resistencias R1 y R2. El voltaje a través de la resistencia RS de la fuente generalmente se establece en aproximadamente un cuarto de VDD (VDD /4), pero puede tener cualquier valor razonable.

Me propuse verificar esta ecuación usándola en una pregunta que estaba tratando de resolver, un circuito JFET divisor de voltaje equivalente de polarización de CC simple con 2N3819 como el componente JFET para mi circuito.

Circuito JFET simple

Asumiendo que:

  • R2 = 150k ohmios
  • ID (corriente de drenaje) = 3mA
  • IDSS (Corriente de drenaje saturada) = 10mA
  • VDD (voltaje de suministro para polarización de CC) = 20 V
  • VDS (voltaje de fuente de drenaje) = 7V
  • VGS (voltaje de fuente de puerta) = -3V

Me propuse encontrar los valores de resistencia sin resolver y los valores de voltaje requeridos. Basado en el uso de VS = VDD/4 y otras ecuaciones como la ecuación de Shockley y las ecuaciones KVL relacionadas con el voltaje de puerta/puerta-fuente/drenaje-fuente:

  • Vgs = Vg - Vs
  • Vds = Vdd - IdRd - IdRs
  • Ecuación de Shockley
  • Regla del divisor de voltaje para encontrar el voltaje de puerta, Vg

Pude encontrar los valores de voltaje calculados (que se usarán para comparar con los resultados simulados):

  • Vg = 3,643 V
  • Vgs = -1.357V
  • vs = 5V
  • Vd (voltaje de drenaje) = 8V

Los valores de resistencia calculados fueron:

  • R1 = 673459,2173 ohmios
  • RS = 1666,67 ohmios
  • RD = 2666,67 ohmios

Conectar los valores de resistencia calculados en la simulación me da:

Resultados de la simulación

Parece que VS = VDD/4 es correcto, aunque con ligeras diferencias en el valor entre los resultados calculados y simulados:

  • Vg (simulado) = 3,643 V [coincide con el valor calculado]
  • Vs (simulado) = 5,117 V [difiere del valor calculado con una diferencia de 0,117 V]
  • Vgs = -1,474 V [difiere del valor calculado con una diferencia de 0,117 V]
  • Vd = 8,19 V [difiere del valor calculado con una diferencia de 0,19 V]
  • Id = 3,07 mA [difiere del valor original con una diferencia de 0,7 mA]

Ahora que he verificado que la ecuación es realmente correcta, quiero preguntar:

  1. ¿Cómo se deriva la ecuación VS = VDD/4?
  2. ¿Qué causa la diferencia entre los valores simulados y calculados? ¿Se debe a factores adicionales (como la resistencia del cable) que el software de simulación considera al mostrar los resultados simulados?
  3. ¿Hay otra forma de encontrar los valores de resistencia/voltaje calculados sin tener que usar la ecuación VS antes mencionada o el método gráfico?

Gracias.

Soy nuevo aquí, así que avíseme si debo agregar, eliminar o modificar algo en mi publicación. Gracias.
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Acerca de su primera pregunta: el texto en la cita dice: "... generalmente se establece en aproximadamente una cuarta parte de VDD, (VDD /4) pero puede ser cualquier valor razonable ". Si entiendo esto correctamente, también puede diseñar un circuito de manera que el voltaje sea VDD/3 o VDD/5 o cualquier valor. Sin embargo, por alguna razón, tiene sentido usar VDD/4 en lugar de VDD/3 o VDD/5.
@MartinRosenau Gracias por el consejo. Además, una observación muy interesante que he pasado por alto. Rehice mis cálculos basados ​​en VDD/(3, 2, 5) y sorprendentemente no hay diferencia entre usar VDD/4 para encontrar los valores basados ​​en el circuito. Me pregunto qué circunstancia llevó a este resultado.

Respuestas (1)

¿Cómo se deriva la ecuación VS = VDD/4?

Debe sesgar la puerta debajo de la fuente.

Y la amplitud de salida en el drenaje solo se limitará a la diferencia entre Vdd y el voltaje de polarización en el drenaje.

Así que eliges tus resistencias para darte V s ≈ V d d / 4 para maximizar aproximadamente la posible amplitud de salida mientras permite un rango razonable de amplitudes de entrada.

¿Qué causa la diferencia entre los valores simulados y calculados? ¿Se debe a factores adicionales (como la resistencia del cable) que el software de simulación considera al mostrar los resultados simulados?

El simulador no considera la resistencia del cable.

Pero usa un modelo mucho más completo para el JFET que el que usó para los cálculos con lápiz y papel. Esta es probablemente la razón principal de la diferencia entre la simulación y el cálculo.

De hecho, asumió arbitrariamente valores para ID, VDS y VGS, por lo que no estoy seguro de qué modelo para el FET estaba usando. Por lo general, debe hacer algunos cálculos para obtener uno de estos tres valores después de elegir los otros dos.

¿Hay otra forma de encontrar los valores de resistencia/voltaje calculados sin tener que usar la ecuación VS antes mencionada o el método gráfico?

Prácticamente, puede iniciar el simulador y hacer algunos barridos de parámetros para encontrar rápidamente los valores de resistencia apropiados para este tipo de circuito.

Y, para agregar a esta respuesta (para el OP), si tenía la intención de sesgar la fuente a solo 1 o 2 voltios por encima del suelo, es posible que descubra que es inalcanzable sin recurrir a una resistencia de fuente que tiene un valor inviablemente alto.
¿Por qué el voltaje de la fuente es 1/4 del voltaje de suministro aplicado al drenaje en un circuito JFET con divisor de voltaje?
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