Germano Maioli Penello Eletrônica II Germano Maioli Penello gpenello@gmail.com http://www.lee.eng.uerj.br/~germano Aula 05

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)

MOSFET

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

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

Simbolos de MOSFET Canal-p Canal-n MOSFET intensificação Sem corpo MOSFET depleção MOSFET depleção Sem corpo

Canal n – características IxV

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

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 vGS (independe de vDS)

Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 mA/V2, L = 1mm e W = 32 mm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0)

Resumindo aula passada O MOSFET foi apresentado com algumas de suas características. Apresentamos as relações entre a corrente que passa entre o dreno e a fonte (iD) do MOSFET com a tensão entre os os terminais de dreno e fonte (vDS) para uma tensão vGS fixa. 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 (iD) do MOSFET com a tensão entre a porta e a fonte (vGS ou equivalentemente vOV ). Por fim, resolvemos alguns circuitos DC com MOSFET.

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

MOSFET como amplificador Na saturação, o MOSFET funciona como uma fonte de corrente controlada por tensão. A tensão vGS controla a corrente iD 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?

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

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

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS Para vGS < vt, o que acontece?

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS iD = 0 MOSFET na região de corte, não tem corrente iD. Tensão de saída = VDD

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS E quando o MOSFET entra na região de saturação?

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS Começa a passar corrente e o resistor RD apresenta uma queda de potencial. A medida que a corrente aumenta, a ddp no resistor aumenta.

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS Como determinar o ponto B?

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS vGS = VGS|B e vDS = VGS|B - Vt

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS E quando o MOSFET entra na região de triodo?

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS

MOSFET como amplificador Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS

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

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

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

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

Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC

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

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

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

Aproximação de sinal pequeno

Aproximação de sinal pequeno

Aproximação de sinal pequeno

Aproximação de sinal pequeno

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

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

VTC (análise gráfica) VTC – característica de transferência de tensão Equação de reta num gráfico iD x vDS

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

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

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

Ponto quiescente O ponto quiescente é determinado pelo valor de VGS e de RD Como determinar o melhor ponto quiescente?

Ponto quiescente O ponto quiescente é determinado pelo valor de VGS e de RD 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.

Ponto quiescente O ponto quiescente é determinado pelo valor de VGS e de RD Como determinar um bom valor para RD? Olhando a reta de carga Q1 – muito próximo de VDD Q2 – muito próximo da região de triodo Esses pontos não permitem boa varredura de vds

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

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

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

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

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

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!

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

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

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

Sinais pequenos O parâmetro que relaciona id com vgs é chamado de transcondutância do MOSFET gm

Sinais pequenos O parâmetro que relaciona id com vgs é chamado de transcondutância do MOSFET gm Análise gráfica:

Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos

Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos

Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Simplificano o sinal DC (VDS = VDD – RDID)

Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Simplificano o sinal DC (VDS = VDD – RDID) Este termo é o termo correspondente à componente de tensão do sinal, já removida a componente DC (VDS).

Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Simplificano o sinal DC (VDS = VDD – RDID) Lembrando que:

Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Relação linear entre vds e vgs

Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Relação linear entre vds e vgs O ganho de tensão do sinal é Por que é negativo?

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

Exemplo

Exemplo Determinar VOV Determinar ID (saturação) Determinar VDS VDS > VOV ? (conferir se está mesmo na saturação!) Calcular AV

Exemplo Comparar VOV com VDS para deteminar quando o MOSFET sai da saturação. Com o ganho, relacionar o sinal máximo de saída com o sinal máximo de entrada.