JFET come amplificatore

Si è visto come una alternativa al transistor bipolare BJT sia il transistor ad effetto campo JFET; pur avendo strutture fisiche diverse i due componenti elettronici hanno delle modalità di funzionamento e di collegamento analoghe almeno a livello di polarizzazione, di funzionamento in continua e come dispositivi interruttori.

Queste analogie valgono anche nell'impiego del JFET come amplificatore ma bisogna premettere che le amplificazioni di segnale introdotte da un JFET sono abbastanza inferiori a quelle che possono essere ottenute da un BJT.

Dopo che il JFET è stato opportunamente polarizzato, è possibile applicare all'ingresso un segnale v_i da amplificare.

Nel caso più semplice il segnale da elaborare è un'onda sinusoidale v_i che dovrà risultare in uscita amplificata con aumento quindi, della sua ampiezza ma isofrequenziale rispetto l'ingresso ( come nel caso del BJT ) pertanto il segnale di uscita v_o risulterà avere un valore massimo maggiore rispetto l'ingresso, ma con lo stesso periodo, la stessa frequenza e la stessa pulsazione.

Il processo di amplificazione viene schematizzato qui sotto, sulle caratteristiche del dispositivo.

Nel circuito la batteria V_GG polarizza inversamente il la giunzione di gate i punto di lavoro Q può essere individuato sulla transcaratteristica in corrispondenza di V_GS=-V_GG e il canale viene percorso da una corrente continua I_D.

Sulle caratteristiche di uscita, Q viene individuato dall'intersezione fra la retta di carico e la tensione V_GS corrispondente.

Se ora sovrapponiamo il segnale v_i alla tensione continua V_GG il punto di funzionamento si sposta periodicamente da Q₁ a Q₂.

Si ha la generazione di un segnale in corrente variabile i_d e una corrispondente tensione v_ds
amplificata rispetto al segnale di ingresso v_gs.

Già dal disegno si vede che il segnale di uscita viene invertito di 180° rispetto all'ingresso.

Analisi del segnale

Come nel caso del dell'amplificatore a transistor BJT, dopo aver risolto tutti gli aspetti del funzionamento statico si può passare all'analisi dinamica del dispositivo amplificatore.

Nel funzionamento dinamico, l'amplificatore viene rappresentato con le batterie in continua cortocircuitate a massa, mentre risulta attivo solo il generatore del segnale; i condensatori devono essere cortocircuitati. Il JFET viene sostituito col suoi modello per piccoli segnali:

In questo circuito equivalente sono definite:

Transconduttanza g_m ( o conduttanza mutua )

oppure

esprime la pendenza della transcaratteristica (o caratteristica di trasferimento) nel punto Q. I valori di transconduttanza del JFET sono più bassi degli analoghi valori h_fe del BJT pertanto bisogna aspettarsi amplificazioni minori.
Si può dimostrare che è possibile ottenere il valore di gm partendo da altri parametri statici, tramite le relazioni:

dalla oppure

Resistenza di drain r_d o resistenza di uscita, viene definita come:

ha solitamente valori compresi fra 50kΩ÷1MΩ

Fattore di amplificazione μ usato talvolta ed ottenuto dai due precedenti ovviamente col metodo del generatore equivalente.

Si deve sostituire nel circuito dinamico il circuito equivalente così elaborato. Sono stati usati dei simboli di generatore di tensione e di corrente in continua ma solo in modo fittizio .

essi vanno comunque interpretati come generatori di tensione e di corrente in alternata, perchè l'analisi del segnale viene eseguita secondo questo regime.

Configurazioni amplificatrici del JFET

Le configurazioni amplificatrici fondamentali del JFET sono analoghe a quelle del BJT (base comune, collettore comune ed emettitore comune) . Ricordiamo che per valutare il funzionamento in banda di un amplificatore a JFET bisogna cortocircuitare le batterie in continua ed i condensatori di accoppiamento e poi sostituire al JFET il modello per piccoli segnali (circuito equivalente alle medie frequenze) .

Configurazione a source comune

Come si vede, durante il funzionamento dinamico il terminale di source si trova collegato a massa perché il condensatore C_s bypassa R_s.

Si nota:

attraverso questa configurazione si ottiene una amplificazione di tensione ( non elevatissima ) con inversione del segnale con una resistenza di ingresso molto elevata.

Configurazione a drain comune

L'amplificatore viene anche chiamato inseguitore di source (source follower). In questo schema, il drain risulta collegato, per il segnale, direttamente a massa, dato che la batteria è considerata in corto circuito verso massa.

Per questa configurazione si ha:

L'amplificazione di tensione è circa unitaria, si dice infatti che la tensione di uscita v_o insegue la tensione di ingresso v_i ; per questa peculiarità, esso,viene usato come adattatore di impedenza: trasformare un segnale associato ad una impedenza medio-alta nello stesso segnale (stessa ampiezza e stessa fase ) associato ad una bassa impedenza.

Configurazione a gate comune

In questo schema, per il segnale, il gate viene portato a massa dal condensatore C_G

Si ha una amplificazione di tensione praticamente della stessa entità della configurazione a source comune però con resistenza di ingresso molto più bassa.