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8/16/2019 Practica #4 Amplificadores Fet
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Practica # 4 Amplificador con Transistor FET
Gabriel Santiago Orellana Cabrera
Universidad Politécnica Salesiana
Cuenca, Ecuador
Abstract — En esta práctica, se analizó en primer lugar el
diseño de los amplificadores con los transistores FET, y a su vez
después del diseño se analiza el funcionamiento de estos
amplificadores basándose en las condiciones del diseño de cada
uno de los circuitos de los amplificadores, que en este caso son tres,
source común, gate común, drain común.
Palabras clave— las palabras claves son las siguientes;
(Amplificador, JFet, Frecuencia de Corte, Transistor)
OBJETIVO GENERAL
Comprobar las configuraciones utilizando transistor FET
OBJETIVOS ESPECIFICOS1. Diseñar calcular y comprobar el funcionamiento de las
siguientes configuraciones utilizando el transistor fet parauna frecuencia de corte de 1Khz.
a. Amplificador en Source Común con y sin condensadorde Source y una ganancia de 6.
b. Amplificador en Drain Común con y sin condensadorde Drain y una ganancia de 1.
c. Amplificador en Gate Común con y sin condensador de
Gate y una ganancia de 3.
I. I NTRODUCCION
Trabajando con la implementación de los FET se pudo
diseñar amplificadores de pequeñas señales que oscilan entre los
mili voltios que se las origino gracias al generador de funciones,
la configuración que se utilizo para polarizar los transistores fue
por medio de divisor de voltaje ya que esta configuración
presenta mayor estabilidad lo que nos garantiza que lostransistores trabajen en la mitad de recta de carga. Una vez polarizado el transistor se realizo el calculo de impedancias decada circuito, con los valores de las impedancias se calculo se
obtuvo los los circuitos equivalentes en ca y los componentes
(capacitores) que sirven como acoplamientos en cada entrada y
salida de los circuitos. Para la configuración de Source Común
nos requirió tener una ganancia de 6, para lo cual voltaje que
ingresa a la salida debe ser 6 veces mayor. Para la configuraciónde Gate Común nos requirió tener una ganancia de 3 es decir que
el voltaje al medirlo en la salida debe ser igual a 3 veces el
voltaje de entrada. Para la configuración de Drain Común se nosrequirió tener una ganancia de 1 es decir que el voltaje de entrada
prácticamente es el mismo que el de salida. Se realizo todosestos cálculos para una frecuencia de corte de 1Khz en esta
frecuencia se tendrá un 77% de ganancia lo que quiere decir que
en 10 veces la frecuencia es decir 10Khz todas las
configuraciones nos debe dar el 100% de la ganancia, Tomando
en cuenta esto para la ganancia de 6 en la frecuencia de corte nos
dará un aproximado de 4.24 V y para 10 veces la frecuencia nos
dará los 6 V. Para la ganancia de 3 en la frecuencia de corte nos
dará un aproximado de 2.12 V y para 10 veces la frecuencia nos
dará los 3 V. Y para la ganancia de 1 en la frecuencia de corte
nos dará un aproximado de 0.707 V y para 10 veces la frecuencia
nos dará los 1 V.
II.
MARCO TEORICO
II-A. Amplificadores con FET.
El JFET (transistor de efecto de campo de unión) es un tipo de
FET que opera con una unión pn polarizada en inversa para
controlar corriente en un canal. Según su estructura, los JFET
caen dentro de cualquiera de dos categorías, de canal n o de
canal p.
La ecuación que rige a los FET en DCID mediante la ecuación
de Shockley:
!" # !$%% & '()*
(+
,
.&/
El factor de transconductancia gm, es la taza de cambio entra la
corriente de drenador y el voltaje gate-source
01 #2!"
2345 .6/
Procediendo a la derivación de la ecuación de Shockley
obtenemos la ganancia en función del voltaje gate-source
01 #6!$%%
78 & '
79%
78 .:/
El valor máximo de gm como podemos observar se lo conoce
como gmo y es cuando Vgs vale cero.
01; #6!$%%
78 .
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II-A.1 Análisis de un circuito amplificador con parámetros
híbridos.
Se tiene el circuito Equivalente del JFet visto como un
Cuadripolo y referenciados todos su paramentos internos, como
se había dicho en la práctica con BJT se usarán los parámetros
híbridos de estos transistores, en este caso será la
transconductancia.
Figura 1. Circuito equivalente de ca del JFET.
La impedancia de entrada se representa por el circuito abierto
en las terminales de entrada, entre el gate y el source, por lo que
se dice su impedancia es infinita.
La impedancia de salida se representa por el resistor rd, en
ocasiones se ignora la impedancia de salida por supuesta
suficientemente grande relación con otros elementos del
circuito por lo que puede ser representada como un circuito
abierto. En si el circuito equivalente es una fuente de corriente
cuya magnitud controla VGS y gm.
Tenemos entonces que sus impedancias son:
-Impedancia de entrada Zi’
En todos los JFET comerciales la impedancia de entrada es muy
grande debido a que en el gate no existe flujo de corriente por
lo que podemos aproximar a un circuito abierto.
-Impedancia de salida Zo’
Se define como la pendiente de la curva característica
horizontal en el punto de operación. [2] La impedancia de
salida en los JFET en hojas de especificaciones está dada como
yos en uS.
II-C.1. Configuración Source común.
Figura 2. Amplificador Source común
El amplificador en source común ofrece una importante ventaja
en comparación con otros amplificadores por su impedancia de
entra altísimo, que podemos considerar un circuito abierto. El
amplificador Source común es análogo al Emisor Común en
BJT.
Se aplica una señal de entrada al Gate y la señal de salida se
toma de Drain, la resistencia en el source la tenemos corto
circuitada por un capacitor de desacoplo por lo que la quesource pasa directamente a tierra y funciona como común entre
gate y drain. La polarización utilizada como se dijo
anteriormente es auto polarización. El ingreso esta acoplado
capacitivamente al Gate. El resistor RG sirve para asegurarnos
de que la compuerta no tenga ninguna corriente, por lo tanto
podemos imponernos una resistencia muy elevada. [3]
El condensador Ce es un condensador de desacoplo, su misión
es la de proporcionar un camino a tierra a la componente
alterna. En el capítulo anterior se analizó el efecto de la
resistencia RE desde el punto de vista de su efecto en la
estabilización del punto de polarización. Sin embargo, en este
capítulo veremos cómo desde el punto de vista de la
amplificación, esta resistencia hace disminuir la ganancia del
amplificador. Al añadir el condensador de desacoplo
conseguimos que la continua pase por RE mientras que la
alterna pasaría por el condensador Ce consiguiendo que no
afecte a la amplificación. [2]
II-B.2. Configuración Drain común.
Figura 3. Configuración en Drain común del JFET.
El amplificador en drenaje común es similar al amplificador
con BJT colector común. Al amplificador en Drain Común se
lo llama también seguidor de fuente, debido a que la señaltiende a la salida que se encuentra en dicha resistencia [3].
La configuración de drain común tiene la misma ganancia de
voltaje que colector común por lo que su funcionamiento
normalmente es para acoplador de impedancias. [3]
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Figura 4. Sustitución del modelo equivalente de ca del JFET.
II-B.3. Configuración Gate común.
Figura 4. Configuración en compuerta común del JFET.
La configuración de gate común presenta una impedancia de
entrada alta, pero no comparada con las anteriores que se pudo
suponer era infinita, esta configuración es similar a base común
en BJT. [3]
Figura 5. Sustitución del modelo equivalente de ca del JFET.
Materiales:
TABLA I. MATERIALES
Cantidad Elemento Precio c/u
3 Transistor FET (mpf 102) $ 0.60
20 Resistencias $ 0.06
0.5 metros Cable Multipar $ 1.00
Total $ 4.60
Equipos:
• Pinzas
• Pela Cable
• Protoboard
•
Multímetro
•
Osciloscopio
• Software de simulación (Multisim)
•
Fuente tensión continua•
Generador de funciones
III. DESARROLLO
III-A. Configuración de Source Común con condensador al
emisor.
Datos proporcionados o datos impuestos para comenzar los
cálculos de la primera configuración.
TABLA I I. DATOS PROPORCIONADOS
DATOS
PARAMETROS VALORES
>? 6
@ABB 12,3 mA
?C -4,95
DE 1KHz
?EE 15
@A 6 mA
Figura 6. Configuración Source común
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III-A.1. Calculo de las resistencias.
7FG # '7H & '!"
!"GG .&/
7FG # '
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III-A.4. Calculo de la polarización.
III-A.4.1. Recta de Carga de Salida.
yzoz !$ # M
?AB # ?{{ # `_? .&L/
yzoz 7$% # M
!$stu #7]]
T$ S TP .&O/
!$stu #&=
6I6UU\ S O=: \
@A|}~ # _I •^ |>
Figura 8. Recta de carga
III-A.4.2. Curva de Shockley .
yzoz !$ # M
?€B # ?C # 'ZN `? .&g/
yzoz 7$% # M
@A|}~ # @ABB # ^N[|> .&J/
Figura 9. Curva Shoctkley
III-A.5. Calculo de capacitores.
III-A.5.1 Capacitor de salida
; #&
6‚ V ƒ].T" S T„/ .&J/
; #&
6‚ V .&MMM/.6I6p\ S 6MU/
; # &gM …†
III-A.5.2 Capacitor de ingreso
‡ #&
6‚ V ƒ].oP S T/ .6M/
‡ #&
6‚ V .&MMM/.&p\ S 6p\/
‡ # 6& …†
III-A.5.3 Capacitor del source
P # &6‚ V ƒ].TG/
.6&/
P #&
6‚ V .&MMM/.&O=O/
P # &I&6 ˆ†
III-A.6. Tablas de datos medidos y calculados.
TABLA III. DATOS OBTENIDOS
DATOS OBTENIDOS
f
(Hz) Vi Vo ‰ #?Š
?‹
‰ Œ tdeface
Ž
100 1120 320 0,286 -10,88 0,25 m -27,36
200 1100 520 0,473 -6,51 0,27 m -46,8
300 1120 920 0,821 -1,71 0,21 m -48,6
400 1100 1270 1,155 1,25 2,2m -66,24
500 1100 1670 1,518 3,63 670u -73,8
600 1120 2160 1,929 5,70 720u -79,92
700 1110 2550 2,297 7,22 189u -88,2
800 1100 2960 2,691 8,60 180u -95,04
900 1080 3240 3,000 9,54 100u -103,6
1000 1080 3590 3,324 10,43 88u -111,6
2000 1100 5320 4,836 13,69 78u -136,8
3000 1080 5920 5,481 14,78 72u -151,2
4000 1080 6110 5,657 15,05 68u -158,4
5000 1080 6280 5,815 15,29 67u -162
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DATOS OBTENIDOS
f
(Hz) Vi Vo ‰ #?Š
?‹
‰ Œ tdeface
Ž
6000 1050 6320 6,019 15,59 57u -164,1
7000 1050 6400 6,095 15,70 53u -168,8
8000 1080 6400 5,926 15,46 8u -169,9
9000 1080 6400 5,926 15,46 6u -171,7
10000 1050 6440 6,133 15,75 2u -183,6
100 1120 320 0,286 -10,88 0,25 m -27,36
III-A.7. Graficas de Datos Obtenidos.
Figura 10. Grafica de la frecuencia frente a la ganancia en dB
Figura 11. Grafica de la frecuencia frente a la fase
III-A.7.1 Comparación entre los datos.
Figura 12. Grafica de la frecuencia frente a la ganancia en dB encomparación medido-simulado
Figura 13. Grafica de la frecuencia frente al ángulo de fase en
comparación calculado-simulado
III-A.8. Simulaciones.
Figura 14. Ganancia máxima del transistor
Figura 15. Diagramas de Bode
Figura 16. Simulación para 1 KHz
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Figura 17. Simulación para 10 KHz
III-B. Configuración de Source común sin condensador al
emisor.
Figura 18. Configuración de source común sin condensador
Simulaciones
Figura 19. Ganancia máxima
Figura 20. Diagramas de Bode
TABLA VI. DATOS OBTENIDOS
DATOS OBTENIDOS
F (Hz) Vi Vo ‰ #?Š
?‹ ‰ Œ
t
defaceŽ
100 1120 320 0,286 -10,88 2,5 -27,36
200 1100 520 0,473 -6,508 750 -46,8
300 1120 920 0,821 -1,709 375 -48,6
400 1100 1270 1,155 1,248 250 -66,24
500 1100 1670 1,518 3,626 140 -73,8
600 1120 2160 1,929 5,705 100 -79,92
700 1110 2550 2,297 7,224 80 -88,2
800 1100 2960 2,691 8,598 60 -95,04
900 1080 3240 3,000 9,542 50 -103,6
1000 1080 3590 3,324 10,433 30 -111,6
2000 1100 5320 4,836 13,690 10 -136,8
3000 1080 5920 5,481 14,778 9 -151,2
4000 1080 6110 5,657 15,052 9 -158,4
5000 1080 6280 5,815 15,291 8 -162
6000 1050 6320 6,019 15,591 6 -164,1
7000 1050 6400 6,095 15,700 6 -168,8
8000 1080 6400 5,926 15,455 5 -169,9
9000 1080 6400 5,926 15,455 4 -171,7
10000 1050 6440 6,133 15,754 3 -183,6
100 1120 320 0,286 -10,88 2,5 -27,36
Figura 21. Grafica de la frecuencia frente a la ganancia en dB
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III-C. Configuración de Drain común con condensador al
emisor.
TABLA V. DATOS PROPORCIONADOS
DATOS
PARAMETROS VALORES
> 1
@A 12,3
@A 2mA
DE 1KHz
?EE 15
Figura 22. Configuración en Drain común
III-C.1 Calculo de la Polarización.
7FG # '7H & '!"
!"GG .66/
7FG # '
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III-C.2.3 Cálculo de ganancias.
En esta sección del cálculo como ya tenemos como dato cual va
a ser la ganancia del amplificador procederemos a realizar el
cálculo de la resistencia de carga.
KW #01.Tw˜Tf/
& S 01.Tw˜Tf/ .::/
Tw˜Tf #Tw V Tf
Tw S Tf .:
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III-C.6. Máxima Dinamica
7$%sœ # &Mž 7 .
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DATOS OBTENIDOS
F
(Hz) Vi Vo ‰ #
?Š
?‹ ‰ Œ t
deface
Ž
7000 624 560 0,897 -0,940 6 7,56
8000 624 560 0,897 -0,940 5 5,76
9000 624 576 0,923 -0,695 4 3,888
10000 640 560 0,875 -0,590 3 3,6
Figura 30. Grafica de la frecuencia con la ganancia de voltaje
Figura 31. Grafica de la frecuencia con la ganancia en Db
III-C.9. Graficas de comparación.
Figura 32. Grafica comparativa de la frecuencia con la ganancia endB
Figura 33. Grafica comparativa de la frecuencia con la fase
III-D. Configuración de Drain común sin condensador al
emisor.
Figura 34. Configuración de colector común sin condensador de
emisor
Figura 35. Ganancia máxima
Figura 36. Diagramas de Bode
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TABLA VI I. DATOS OBTENIDOS
DATOS OBTENIDOS
f
(Hz) Vi Vo
‰
#?Š
?‹
‰ Œ t
defac
e
Ž
100 648 80 0,123 -18,170 2,5 90
200 632 128 0,203 -13,870 750 79,2
300 624 200 0,321 -9,883 375 70,2
400 632 240 0,380 -8,410 250 64,8
500 624 280 0,449 -6,961 140 57,6
600 632 320 0,506 -5,911 100 51,84
700 624 352 0,564 -4,973 80 47,88
800 632 384 0,608 -4,328 60 46,08
900 632 408 0,646 -3,801 50 42,12
1000 632 424 0,671 -3,467 30 39,6
2000 632 520 0,823 -1,694 10 21,6
3000 632 552 0,873 -1,176 9 14,04
4000 632 568 0,899 -0,927 9 11,52
5000 624 560 0,897 -0,940 8 9
6000 624 560 0,897 -0,940 6 8,64
7000 624 560 0,897 -0,940 6 7,56
8000 624 560 0,897 -0,940 5 5,76
9000 624 576 0,923 -0,695 4 3,888
10000 640 560 0,875 -0,590 3 3,6
100 648 80 0,123 -18,170 2,5 90
Figura 37. Grafica de la frecuencia con la ganancia de voltaje
Figura 38. Grafica de la frecuencia con la ganancia en Db
III-E. Configuración de Gate común con condensador al
emisor.
Datos proporcionados o datos impuestos para comenzar los
cálculos de la primera configuración.
TABLA V I I I. DATOS PROPORCIONADOS
DATOS PARAMETROS VALORES
>? 3
@A 6mA
@ABB 12,5 mA
DE 1KHz
?EE 15
Figura 39. Configuración gate común.
III-E.1 Calculo de la Polarización.
7FG # '7H & '!"
!"GG .
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7FG # 6IM= 7
01 #6 !"GG
7H & '
7FG
7H .
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III-E.3. Calculo de la polarización.
III-E.3.1. Recta de Carga de Salida.
yzoz !$ # M
?AB # ?{{ # `_? .L
Figura 41. Recta de carga
III-E.3.2. Curva de Shockley .
yzoz !$ # M
?€B # ?C # 'ZN `? .LL/
yzoz 7$% # M
@A|}~ # @ABB # ^N[|> .LO/
Figura 42. Curva Shoctkley
III-E.4. Calculo de capacitores.
III-E.4.1 Capacitor de salida
; #&
6‚ V ƒ].oj n oP/ .Lg/
; #&
6‚ V .&MMM/.=M \ n
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III-E.6. Simulaciones.
Figura 43. Simulación de la ganancia completa máxima
Figura 44. Simulación de los diagramas de Bode
Figura 45. Simulación para 1 KHz
Figura 46. Simulación para 10 KHz
TABLA IX. DATOS OBTENIDOS
DATOS OBTENIDOS
f
(Hz) Vi Vo
‰
#?Š
?‹
‰ Œ t
defac
e
Ž
100 720 184 0,26 -11,85 2,5 m 133,2
200 688 376 0,55 -5,25 2,7 m 108
300 672 560 0,83 -1,58 2,1 m 96,12
400 656 704 1,07 0,61 2,2m 90,72
500 645 834 1,29 2,23 670u 82,8
600 632 936 1,48 3,41 720u 73,44
700 626 1200 1,92 5,65 189u 70,56
800 608 1100 1,81 5,15 180u 63,36
900 600 1150 1,92 5,65 100u 58,32
1000 592 1210 2,04 6,21 88u 57,6
2000 536 1450 2,71 8,64 78u 30,96
3000 540 1550 2,87 9,16 72u 25,92
4000 540 1600 2,96 9,43 68u 21,6
5000 540 1600 2,96 9,43 67u 16,2
6000 540 1618 3,00 9,53 57u 12,96
7000 540 1630 3,02 9,60 53u 11,34
8000 540 1630 3,02 9,60 8u 9,216
9000 540 1630 3,02 9,60 6u 8,424
10000 540 1630 3,02 9,60 2u 8,28
Figura 47. Grafica de la frecuencia con la ganancia de voltaje en
dB
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Figura 48. Grafica de la frecuencia frente a la fase
Figura 49. Comparación entre lo simulado y medido
Figura 50. Grafica de la Comparación de frecuencia frente a la
fase
III-F. Configuración de base común sin condensador .
Figura 51. Configuración de base común sin condensador al emisor
III-F.1. Simulaciones
Figura 52. Grafica de la ganancia máxima
Figura 53. Grafica de los Bodes
TABLA X. DATOS OBTENIDOS
DATOS OBTENIDOS
f
(Hz)Vi Vo ‰ #
?Š
?‹
‰ Œ t deface Ž
100 680 220 0,32 -9,80 2,5 m 133,2
200 660 380 0,58 -4,80 2,7 m 108
300 660 560 0,85 -1,43 2,1 m 96,12
400 640 660 1,03 0,27 2,2m 90,72
500 620 780 1,26 1,99 670u 82,8
600 600 880 1,47 3,33 720u 73,44
700 580 980 1,69 4,56 189u 70,56
800 580 1010 1,74 4,82 180u 63,36
900 600 1150 1,92 5,65 100u 58,32
1000 560 1130 2,02 6,10 88u 57,6
2000 500 1360 2,72 8,69 78u 30,96
3000 500 1410 2,82 9,00 72u 25,92
4000 490 1440 2,94 9,36 68u 21,6
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DATOS OBTENIDOS
f
(Hz)Vi Vo ‰ #
?Š
?‹
‰ Œ t deface Ž
5000 540 1600 2,96 9,43 67u 16,2
6000 500 1480 2,96 9,43 57u 12,96
7000 500 1480 2,96 9,43 53u 11,34
8000 480 1480 3,08 9,78 8u 9,216
9000 460 1456 3,17 10,01 6u 8,424
10000 480 1480 3,08 9,78 2u 8,28
Figura 54. Grafica de la frecuencia con la ganancia en dB
Figura 55. Grafica de la frecuencia con la ganancia en dB
IV.
A NALISIS
Source Común
Como podemos ver el objetivo se ha cumplido con un poco de
margen de error pero dentro de los rangos de tolerancia
normales, y pues nuestro circuito está amplificando lo que nos
planteamos, y podemos decir que la mayoría de parámetros para
que funcione de mejor manera se debe al cálculo de las
resistencia y capacitores quienes influyen mucho en las
ganancias.
Gate Común
Como podemos ver nuestro amplificador está funcionando y es
de mucha importancia los valores calculados de las resistencias
y capacitores los cuales influyen mucho en el valor de la
ganancia.
Drain Común
Como podemos visualizar en el amplificador configuración
Drain común tenemos una ganancia de 1, y un ángulo de
desfase de cero grados ósea no tenemos desfases para lograr
aquello depende mucho del diseño por lo que se requiere tener
un cálculo bueno de resistencias y capacitores en especial.
V. CONCLUSIONES
Para los diseños de cada uno de los amplificadores, se debe
tomar decisiones muy importantes al momento de imponerse
datos, especialmente con mucho criterio en el funcionamiento
de cada uno de los amplificadores, ya que si tomamos una maladecisión, el funcionamiento de nuestro amplificador no será el
correcto.
Debemos tomar muy en cuenta que los valores que nosotros
calculamos en el proceso de diseño de cada amplificador, no
son comerciales en nuestro medio, por lo que se debe comprara
elementos muy parecidos a los calculados, especialmente de los
condensadores ya que estos influyen mucho al ver la ganancia
de cada amplificador.
En el caso de los transistores JFET que nosotros usamos, no van
a tener las mismas características de los catálogos, por lo que esmejor sacar nuestros propios parámetros de funcionamiento del
transistor a usar, esto se lo puede hacer de manera muy fácil en
el laboratorio, polarizando al transistor y analizando su curva
de Shockley la cual nos da valores reales de 7H y de !$%%, los
cuales son valores fundamentales para nuestros diseños y por
ende para el funcionamiento.
VI. CONCLUSIONS
For the designs of each of the amplifiers, take very important
decisions when imposed data, especially with much discretion
in the operation of each of the amplifiers, because if we make a bad decision, the functioning of our amplifier will not will be
correct.
We must take note that the values that we calculated in the
design process of each amplifier, are not commercial in our
area, so you should buy very similar elements to those
calculated, especially capacitors as these strongly influence the
see the gain of each amplifier.
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In the case of the JFET transistors that we use, they will not
have the same characteristics of the catalogs, so you better
make our own operating parameters of the transistor to be used,
this can do it very easily in the laboratory , polarizing the
transistor and analyzing their Shockley curve which gives us
real values and which are fundamental values for our designs
and thus for operation.
VII.
BIBLIOGRAFIAS
[1] Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos ElectrónicosDécima Edición. Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky. PearsonEducation.
[2] IRWIN, Análisis de Circuitos en Ingeniería. Editorial CEAC.Barcelona-España 1984
[3] Principios de Electrónica. Sexta Edición. Albert Paul Malvino.West Balley College.
[4] http://www.elo.jmc.utfsm.cl/sriquelme/apuntes/fuentes%20de%20corriente/fuentes%20de%20corriente.pdf
VIII. A NEXOS
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