JFET Amp Capacitance Calculations-V03.Nb Prof

JFET CAPACITANCE CALCULATIONS

In order to simplify the design procedure for the frequency response of the JFET amplifier we will consider effect of each capacitance separately. In other words, treat all others as if they are very large in size while concentrating on the one being taken into consideration at the time. Figure 1

below is depicting the case in which CG is being considered as the only capacitance affecting the frequency response.

Figure 1. SSAC of Common Source Stage with all Capacitors except CG are assumed to be too large to affect the frequency response.

Note that CG creates a "High-Pass" single pole simple RC filter effect as Vsignal passes to the gate. The equivalent resistance it sees for the cut-off frequency is,

1 Req = RG + Rsignal w-3 dB = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ CG Req.CG

CG can be calculated from above for a given cut-off frequency.ji Eqzyuivalent Resistance for CD : H L j z k {

Univ. of Southern Maine 1 ELE342/343 Electronics 1999/20 JFET Amp Capacitance Calculations-v03.nb Prof. M. G. Guven

Figure 2. SSAC of Common Source Stage with all Capacitors except CD are assumed to be too large to affect the frequency response

Req = RL + rds RD Rout = rds RD CD

Equivalent Resistance for CS : H L H ˛ L H ˛ L

Figure 3. SSAC of Common Source Stage with all Capacitors except CS are assumed to be too large to affect the frequency response

' Req = RS R CS CS eq

H L ˛@H L D

Univ. of Southern Maine 2 ELE342/343 Electronics 1999/20 JFET Amp Capacitance Calculations-v03.nb Prof.M.G.Guven

Figure 4. VTest - ITest Method Applied to Determine R' eq seen by CS at the source of the JFET

DvGS = Vg - Vs ,Vg = 0, Vs = Vtest H L

Make a Norton-Thevenin conversion:

Figure 5.

Univ. of Southern Maine 3 ELE342/343 Electronics 1999/20 JFET Amp Capacitance Calculations-v03.nb Prof. M. G. Guven

Vtest = Itest rds + RD RL + gm -Vs .rds Vs = Vtest

Vtest 1 + gm rds = Itest rds + RD RL H ˛ L H L V r + R R ' test ds D L R eq = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ HCS L H ˛ L Itest 1 + gm rds

One can take into accountH multiple˛ Leffects of all three capacitances by using a correction factor, k H L to calculate the capacitorH values inL the case when all of the capacitors are taken to create the same cut-off frequency. Obviously, if all except one are taken to be much larger than the values calculated above no such correction is needed. Then,

1 1. w-3 dB = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ .k k is correction for multiple capacitances. Req.C

i y j z w-3 dB ∫ jamplifier'z s specified 3 dB cut - off frequency k { k = 1.96 for 3 capacitances all chosen to create the same cut off point as the others

If no 3-dB cut-off point is specified but a working frequency is given, in order to avoid the filtering effect of the capacitances their values should be chosen to create cut-off points well below the lowest operating frequency. A safe rule is to leave a factor of 10 as given below.

1 wlowest 2. ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ £ ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ If there is no 3 dB point specified. Req.C 10

ji zy j z k {

Univ. of Southern Maine 4 ELE342/343 Electronics 1999/20 JFET Amp Capacitance Calculations-v03.nb Prof.M.G.Guven

ü Capacitor Calculations For The Example Circuit above:

f-3 dB £ 50 hz

1 1.96 1 ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ . 1.96 = 2 pf-3 dB î C ≥ ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ Req.C 2 pf-3 dB Req 157 Req 1 i y H L jCG ≥ ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄz ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ = 13.5 nFarad Ceramic or paper will do. j 157z H * 470L KW k { 1 CD ≥ ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ 157 * Rout + RL 1 = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ = 320 nFarad RL = small is the worst 157 * 20 KW+small H L r + R R 134 KW+ 23.5 KW R 1 ' ds D L L CS : R eq = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ > ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ = 1 KW CS -3 1 + gm rds 1 10 H 134 K gm L H L + * W 1 CS ≥ ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄH ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ =˛ 7.6L mFarad ElectrolyticH or˛ TantalumL 157H * 1L KW 5.3 KW H L

H ˛ L

Homework:

Use Microsim Suite to draw the circuit diagram of this design and verify its bias as well as the small signal gain and frequency response with J2N3819. Make sure you run the simulation with the SPICE parameters of the JFET modified to the numbers used in the example above.

Univ. of Southern Maine 5 ELE342/343 Electronics 1999/20