1 Eletrônica II Germano Maioli Penello Aula 05 II_2015-2.html.

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1 1 Eletrônica II Germano Maioli Penello Aula 05 gpenello@gmail.com http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II_2015-2.html

2 2 Transistores Dispositivo de 3 terminais – muito mais versáteis que o diodo (dispositivo de 2 terminais). Podem ser usados tanto em amplificação de sinal como em lógica digital e memória. Ex. de aplicação: controlar a corrente que passa por dois terminais a partir de uma tensão em outro terminal (fonte de corrente controlada por tensão)

3 3 MOSFET

4 4 MOSFET - funcionamento http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/mosfet/mosfet.html

5 5 Símbolo de circuito MOSFET de canal n (Tipo intensificação) MOSFET de canal p (Tipo intensificação) Porta Dreno Fonte Dreno Porta

6 6 Canal n – características IxV

7 7 MOSFET – modelo de circuito equivalente Na região de saturação, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão No caso ideal, r o   (Se r o   voltamos exatamente ao modelo proposto no slide 45 )

8 8 MOSFET - amplificador Para ser usado como amplificador, o MOSFET deve operar na região de saturação. Desta maneira, ele opera como uma fonte de corrente constante com o valor da corrente determinado por v GS (independe de v DS )

9 9 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 mA e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k’ = 100  A/V 2, L = 1  m e W = 32  m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal ( =0)

10 10 Resumindo aula passada O MOSFET foi apresentado com algumas de suas características. Discutimos as regiões de funcionamento do MOSFET Região de corte Região triodo Região de saturação Na região de saturação, relacionamos a corrente que passa entre o dreno e a fonte (i D ) do MOSFET com a tensão entre a porta e a fonte (v GS ou equivalentemente v OV ). Por fim, resolvemos alguns circuitos DC com MOSFET. Apresentamos as relações entre a corrente que passa entre o dreno e a fonte (i D ) do MOSFET com a tensão entre os os terminais de dreno e fonte (v DS ) para uma tensão v GS fixa.

11 11 MOSFET como amplificador Na saturação, o MOSFET funciona como uma fonte de corrente controlada por tensão. Por isso criamos um modelo de circuito equivalente A tensão v GS controla a corrente i D Modelo de grandes sinais (large-signal equivalent circuit model)

12 12 MOSFET como amplificador Na saturação, o MOSFET funciona como uma fonte de corrente controlada por tensão. A tensão v GS controla a corrente i D Uma fonte de corrente controlada por tensão pode ser utilizada para construir um amplificador de transimpedância (entrada  tensão; saída  corrente). Estamos interessados em construir um amplificador de tensão com o MOSFET. Como podemos fazê-lo?

13 13 MOSFET como amplificador Estamos interessados em construir um amplificador de tensão com o MOSFET. Neste circuito abaixo, a tensão v GS controla a corrente i D. Como aproveitar isso para obter na saída de um circuito uma tensão?

14 14 MOSFET como amplificador Estamos interessados em construir um amplificador de tensão com o MOSFET. Neste circuito abaixo, a tensão v GS controla a corrente i D. Como aproveitar isso para obter na saída de um circuito uma tensão?

15 15 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS Para v GS < v t, o que acontece?

16 16 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS MOSFET na região de corte, não tem corrente i D. Tensão de saída = V DD i D = 0

17 17 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS E quando o MOSFET entra na região de saturação?

18 18 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS Começa a passar corrente e o resistor R D apresenta uma queda de potencial. A medida que a corrente aumenta, a ddp no resistor aumenta.

19 19 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS Como determinar o ponto B?

20 20 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS v GS = V GS | B e v DS = V GS | B - V t

21 21 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS E quando o MOSFET entra na região de triodo?

22 22 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS

23 23 MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico v DS x v GS

24 24 Polarizando o MOSFET Lembrem-se que desejamos um amplificador linear! Onde é um bom ponto para ter um amplificador linear neste gráfico?

25 25 Polarizando o MOSFET Lembrem-se que desejamos um amplificador linear! Q – ponto quiescente

26 26 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC Note bem a nomenclatura!

27 27 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC Note bem a nomenclatura! Valor instantâneo Tensão DC Tensão AC

28 28 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC

29 29 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC Quanto menor for o sinal ac, melhor é a linearidade!

30 30 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC Se o sinal AC for “grande”, saímos da região linear!

31 31 Aproximação de sinal pequeno Vimos que se o sinal AC for de baixa intensidade, conseguiremos criar um amplificador linear! v ds = A v v gs Onde o A v é o fator de proporcionalidade entre os sinais. Matematicamente falando, Reta tangente no ponto Q

32 32 Aproximação de sinal pequeno

33 33 Aproximação de sinal pequeno

34 34 Aproximação de sinal pequeno

35 35 Aproximação de sinal pequeno

36 36 Aproximação de sinal pequeno Ganho é negativo! Era de se esperar pela inclinação da reta. Desvio de fase de 180º

37 37 Aproximação de sinal pequeno Lembrando: A corrente DC no dreno é dada por Rearrumando os termos: A maior ddp no resistor é V DD, portanto o ganho máximo é

38 38 VTC (análise gráfica) VTC – característica de transferência de tensão Equação de reta num gráfico i D x v DS

39 39 VTC (análise gráfica) VTC – característica de transferência de tensão Linha reta no gráfico

40 40 VTC (análise gráfica) VTC – característica de transferência de tensão Reta de carga.

41 41 VTC (análise gráfica) VTC – característica de transferência de tensão

42 42 Ponto quiescente O ponto quiescente é determinado pelo valor de V GS e de R D Como determinar o melhor ponto quiescente?

43 43 Ponto quiescente O ponto quiescente é determinado pelo valor de V GS e de R D Como determinar o melhor ponto quiescente? Quanto mais próximo de B, maior o ganho! Mas, menor será a amplitude do sinal AC que pode ser utilizado.

44 44 Ponto quiescente O ponto quiescente é determinado pelo valor de V GS e de R D Como determinar um bom valor para R D ? Olhando a reta de carga Q 1 – muito próximo de VDD Q 2 – muito próximo da região de triodo Esses pontos não permitem boa varredura de v ds

45 45 Sinais pequenos Vamos agora ver em mais detalhes a operação em sinais pequenos

46 46 Sinais pequenos Vamos agora ver em mais detalhes a operação em sinais pequenos Ponto de operação DC (desprezando modulação de comprimento de canal - =0) Para garantir operação na região de saturação:

47 47 Corrente de sinal no dreno Como determinar a corrente do sinal no dreno?

48 48 Corrente de sinal no dreno Como determinar a corrente do sinal no dreno?

49 49 Corrente de sinal no dreno Como determinar a corrente do sinal no dreno? Corrente DC (slide 48) Corrente diretamente proporcional ao sinal de entrada

50 50 Corrente de sinal no dreno Como determinar a corrente do sinal no dreno? Corrente quadraticamente proporcional ao sinal de entrada Esse termo gera distorções não lineares!

51 51 Sinais pequenos Para reduzir as distorções não lineares o sinal deve ser mantido pequeno Matematicamente falando:

52 52 Sinais pequenos Para reduzir as distorções não lineares o sinal deve ser mantido pequeno Matematicamente falando: Equivalentes: Rearrumanto os termos:

53 53 Sinais pequenos Se essa condição é satisfeita, podemos desprezar o último termo: ou Onde definimos i d como

54 54 Sinais pequenos O parâmetro que relaciona i d com v gs é chamado de transcondutância do MOSFET g m

55 55 Sinais pequenos O parâmetro que relaciona i d com v gs é chamado de transcondutância do MOSFET g m Análise gráfica:

56 56 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos

57 57 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos

58 58 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Simplificano o sinal DC (V DS = V DD – R D I D )

59 59 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Simplificano o sinal DC (V DS = V DD – R D I D ) Este termo é o termo correspondente à componente de tensão do sinal, já removida a componente DC (V DS ).

60 60 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Simplificano o sinal DC (V DS = V DD – R D I D ) Lembrando que:

61 61 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Relação linear entre v ds e v gs

62 62 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Relação linear entre v ds e v gs O ganho de tensão do sinal é Por que é negativo?

63 63 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Relação linear entre v ds e v gs O ganho de tensão do sinal é (consulte slide 56)Substituindo Mesmo resultado obtido anteriormente (slide 37)

64 64 Exemplo

65 65 Exemplo Determinar V OV Determinar I D (saturação) Determinar V DS V DS > V OV ? (conferir se está mesmo na saturação!) Calcular A V

66 66 Exemplo Comparar V OV com V DS para deteminar quando o MOSFET sai da saturação. Com o ganho, relacionar o sinal máximo de saída com o sinal máximo de entrada.