Fundamentos de Electrónica

Apresentação em tema: "Fundamentos de Electrónica"— Transcrição da apresentação:

1 Fundamentos de Electrónica
Transístores de Efeito de Campo Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – MOSFET

2 Roteiro Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais
Montagens amplificadores de um único canal Princípios Físicos Modelo de alta-frequência Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

3 Transístor de efeito de campo de reforço
Gate Oxide Layers G D Drain S Source Drain – Dreno Source – Fonte Gate - Gate W N L N Channel P Body (substrate) B Valores típicos: L=1 to 10 m W=2 to 500 m Oxid layer = 0.02 to 0.1 m Transistor NMOS de enriquecimento Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

4 normal as junções (S e D)
Funcionamento Vds Vgs D S G Região de depleção N N Em funcionamento normal as junções (S e D) estão ao corte Channel P Notar que o dispositivo é simétrico se não contarmos com a ligação S - B B Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

5 Vt -> Tensão de Limiar
Criação do canal A aplicação de uma tensão positiva na gate atrai electrões de forma a se formar uma região tipo N (inversão de população) Canal D S G Diz que se forma o Canal N N A gate e o canal formão as placas de um condensador P Channel Canal tipo N B Vt -> Tensão de Limiar Vgs > Vt Formação de canal NMOS Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

6 FET NMOS FET – Canal N PMOS FET – Canal P
FET Enriquecimento – O canal não existe e tem de ser criado -> Vt > 0 FET Depleção – O canal é pré implementado. Este é removido aplicando uma tensão negativa na gate. Vt < 0 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

7 Funcionamento na zona de tríodo
iD S G D Channel N P B Canal Vgs Vds Vgs=Vt+3V Vgs=Vt+2V Vgs=Vt+1V ID Vgs<Vt vds Para Vds pequeno o canal comporta-se como uma resistência variável Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

8 Saturação D S G Vgs Vds Canal Canal Saturado tríodo B
P B Quando Vds aumenta a tensão Vgd diminui até se tornar inferior a Vt. O canal fecha-se do lado do dreno (pinch-off), e o valor da corrente deixa de aumentar, assumindo um valor constante – Zona de Saturação. Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

9 Curvas características
Zona de tríodo Zona de saturação Vgs<2V Vt=1V Vgs<1.8V Vgs<1.6V Vgs=1.4V Vgs<Vt Vgs M1 Vds Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

10 Constante dieléctrica
Equações Região de tríodo Valores típicos Constante dieléctrica Região de saturação Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

11 Vt -> Tensão de Limiar
PMOS Canal Vt -> Tensão de Limiar D S G Vt < 0 P P Vgs < Vt N Channel Formação de canal B Canal tipo P Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

12 CMOS D D S G S G Oxido isolante Poço N (N Well) N P N P P N
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

13 Símbolos PMOS NMOS D S ID G ID G D S D S G ID G ID D S
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

14 Equações PMOS Vds Vgs Vgs Vds Região de tríodo Região de saturação S S
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

15 Modelação de canal VA Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

16 Modelação de canal N P L O aumento de VDS faz diminuir a largura efectiva do canal (L), resultando num aumento da corrente no dreno. Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

17 NMOS de depleção Canal já está implantado. Conduz com VGS=0
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

18 PMOS de depleção Canal já está implantado. Conduz com VGS=0
Id (A) reforço 2,0E-05 depleção 0,0E+00 -2,0E-05 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Vgs (V) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

19 Exercícios Pagina 12 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

20 Efeito da temperatura Vt diminui cerca de 2mV por ºC
K diminui com a temperatura (efeito dominante) Corrente diminui com a temperatura Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

21 Efeito de corpo VT depende de VSB Nivel de fermi (parametro físico)
Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

22 Disrupção Disrupção Punch Through Disrupção do Oxido
Pode dar-se a disrupção da junção Drain-Boby para valores de Vds elevados. (50 a 100V) Punch Through Quando a tensão Vds atinge valores (20V) tais que a região de depleção da junção Drain-body se estende través do canal até à source. Disrupção do Oxido Vgs atinge valores de cerca de 50V. Destrutiva. Diodos limitadores. Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

23 MOSFET como amplificador
A variação do pequeno sinal vgs vai provocar a variação da corrente id que por sua vez irá provocar a variação de vo. Montagem para analise do MOSFET como um amplificador VDD Analise para pequenos sinas: Temos, vGS=VGS+vgs R1 1kohm Vo M1 vgs Grande sinal ou componente DC (MM) pequeno sinal ou componente AC (mm) Vgs Sinal total (mM) Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

24 Analise de pequenos sinais
VDD R1 1kohm Vo M1 vgs Vgs Pequenas variações em Vgs produzem variações em Vo. Desde que estas variações sejam pequenas a relação é linear. Temos: - Ganho de tensão Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

25 Analise de pequenos sinais
Podemos desprezar o ultimo termo e fica: Para com O ganho de tensão será: Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

26 Modelo de pequenos sinais
Modelo T D D G G S S ou Por separação da fonte de corrente em duas fontes ou gm menor do que dos BJT Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

27 Incorporando o efeito de Early
Modelo  aumentado D ro modela o efeito de modelação de canal. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. G S Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

28 Transcondutância de corpo
G + B ro vGS gm.vGS gmB.vBS + vBS - S - Para Vsb=0 Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

29 Técnicas de polarização
Circuitos discretos: Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

30 Técnicas de polarização
Circuitos integrados: VDD Andar de amplificação Rd VDD Espelho de corrente Rp Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

31 Circuitos de viragem de corrente
Com uma sucessão de espelhos de corrente pode alterar o sentido da corrente Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

32 Configurações básicas amplificadoras de um único andar
Implementação em circuito integrado, com cargas activas (transístores) em vez de resistências. VDD VDD VDD Vo Vi Vo Vo Vi Vi Fonte comum: Ganho de tensão elevado Gate comum: Boa resposta em frequência Dreno comum: Ganho de corrente elevado Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

33 Modelo de pequenos sinais:
Fonte comum (source) I1 VDD vo + - vi Q1 Q2 Ganho de tensão: Modelo de pequenos sinais: + - Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

34 Fonte comum Q1 Q2 I off II Sat Triu III IV Curva de transferência
Região de funcionamento I II III IV Q1 Q2 I off II Sat Triu III IV É utilizada realimentação para garantir o funcionamento na zona III. Não é influenciada pelo efeito de corpo Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

35 Gate comum Q3 Q2 Vbias Q1 + vi -
VDD VDD Q3 Q2 Vbias Q1 + vi - Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

36 Andar Dreno Comum (Source Follower)
Vdd G + I1 - Vo Vo S G S Vo + - Vss Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

37 Com transístor de depleção
Tecnologia NMOS Q2 Q1 Q1 OFF Vdd-Vt2 A Com transístor de depleção Q1 Saturação B Q1 Tríodo Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

38 Inversor CMOS Operação iD vO VDD
P – Zona Saturação N – Zona Tríodo iD Vi Vo vO N – Zona Saturação P – Zona Tríodo Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

39 Característica de transferência
Qn Saturação Qp tríodo Qn OFF Declive -1 Vdd/2 +Vt Qp e Qn na Saturação Vdd/2 -Vt Qp Saturação Qn tríodo Declive -1 VOL VOL Qp OFF VIL VIH Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

40 Margens de Ruído - Cálculo de VIL
Zona triúdo Zona saturação Assume-se que o dispositivo é simétrico: Derivando Substituindo em cima resulta E Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

41 Resulta para o tempo de propagação:
Operação dinâmica t Vdd Região saturação Região tríodo Vdd Vdd/2 t Resulta para o tempo de propagação: Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

42 Fluxo de corrente e dissipação de potência
VDD VDD/2 VI A carga fornecida será E a energia A potencia será Para uma dada tecnologia é conhecido o produto atraso potência: Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

43 Modelo de alta frequência
Capacidade da gate Tríodo Saturação Corte Capacidade das junções Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

44 Modelo de alta frequência
G Cgd D ro Cgs Cdb S Csb B Modelo simplificado Cgd Cgs G ro S D Produto ganho largura de banda: Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

45 O MOSFET com um interruptor
Para tensões vds pequenas o MOS comporta-se como uma resistência da valor: Entre -3V e 3V ambos conduzem >3V Qp conduz, <3V Qn conduz Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

46 Porta de Transmissão C C C C Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

47 Transcondutância do processo
Parâmetros Tensão de limiar VT0 V Transcondutância do processo KP A/V^2 2E-5 Efeito de corpo GAMMA V^(1/2) Modelação de canal LAMBDA V^-1 Espessura do oxido TOX m Difusão lateral LD PHI 0.6 Dopagem NSUB cm^-3 Mobilidade U0 cm^2/Vs 600 Resistência da fonte RS  Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

48 Parâmetros Resistência do dreno RD 
Capacidade da junção de corpo com polarização nula CJ F/m^2 Coeficiente de gradação MJ 0.5 Capacidade de sobreposição gate fonte CGSO F/m “ ” gate fonte CGDO Tensão interna da junção PB V Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003

49 Dedução das equações Integrando de 0 a L ou o que é equivalente de 0 a Vds Na zona de saturação podemos fazer donde resulta Transístor de Efeito de Campo, Paulo Lopes, ISCTE 2003