Germano Maioli Penello Eletrônica II Germano Maioli Penello gpenello@gmail.com http://www.lee.eng.uerj.br/~germano Aula 04 1

Parâmetros importantes Resistência (impedância) de entrada Resistência (impedância) de saída Ganho do amplificador 2

Modelo de circuito Independente da complexidade do amplificador, podemos modelar o funcionamento do amplificador olhando apenas para seus terminais de entrada e saída. Ganho total de tensão 3

Cascata de amplificadores Idealmente, só precisamos de um amplificador perfeito. Alto ganho, alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Não é possível projetar um amplificador ideal! As impedâncias de entrada, de saída e o ganho de um amplificador são correlacionados. Precisamos acoplar diversos amplificadores para otimizar o circuito final. 4

Largura de banda Se medirmos a função de transferência em função de w, obtemos o gráfico abaixo: Resposta em amplitude do amplificador Largura de banda é definida como a faixa de frequência em que a resposta em amplitude é constante dentro de 3 dB (~0.707). 5

Classificação de amplificadores Baseado apenas na largura de banda Acoplado capacitivamente (amplificador AC) Diretamente acoplado (amplificador DC) Passa-banda (filtro passa-banda) 6

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) 7

Transistores Dispositivo de 3 terminais – muito mais versáteis que o diodo (dispositivo de 2 terminais). Podem ser usados em amplificação de sinal a 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) Chaveamento - sinal de controle faz com que a corrente varie entre zero e um valor elevado, como uma chave que liga e desliga o circuito. Amplificação – sinal de controle (baixa intensidade) gera uma corrente de maior intensidade que reproduz o próprio sinal de controle (Amplificação linear). 8

Transistores Dois tipos principais: Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) Transistor bipolar de junção (BJT) 9 http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lateral_mosfet.svg

Transistores Dois tipos principais: Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) Transistor bipolar de junção (BJT) O MOSFET se tornou muito mais utilizado que o BJT em circuitos eletrônicos, especialmente em projetos de circuitos integrados (ex. Microprocessadores). Comparado ao BJT, o MOSFET pode ser fabricado em dimensões reduzidas e o seu processo de manufatura é relativamente simples (Curso de microeletrônica). Opera comparativamente em baixa potência e pode ser utilizado tanto em circuitos analógicos quanto digitais. Cada processador atualmente contém da ordem de 2.5 bilhões de transistores! O MOSFET é um dos dispositivos mais fabricado na história raça humana. 10

MOSFET 11

MOSFET Atualmente, não se utiliza mais metal na porta do MOSFET. O Acrônimo não é precisamente correto! Um melhor acrônimo utilizado é IGFET (FET de porta isolada). Não nos preocuparemos com este detalhe ao longo do curso, utilizaremos o nome MOSFET tendo isto em mente. Note no desenho anterior que o MOSFET é um dispositivo de 4 terminais! Ao conectar o terminal corpo no terminal fonte, fazemos com que as junções pn com o substrato não influenciem o funcionamento do dispositivo e, assim, podemos analisar o MOSFET como um dispositivo de 3 terminais. Tensão aplicada na porta controla o fluxo de corrente entre a fonte e o dreno. As dimensões de largura (W) e comprimento (L) são importantes para denominar MOSFETs de canal curto ou longo. Analisaremos neste curso, MOSFETs de canal longo. 12

MOSFET - funcionamento http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/mosfet/mosfet.html 13

MOSFET - funcionamento Tipo intensificação Observe os seguintes pontos no aplicativo anterior (MOSFET de canal n ou NMOS): Tensão de gatilho (threshold voltage) Tensão overdrive Camada de inversão (canal-n) Relação entre iDS e vGS Relação entre iD e vDS 14

MOSFET - funcionamento Tipo intensificação Observe os seguintes pontos no aplicativo anterior (MOSFET de canal n ou NMOS): Tensão de gatilho (threshold voltage) Tensão overdrive Camada de inversão (canal-n) Relação entre iDS e vGS Relação entre iD e vDS Baixo vDS – relação linear Alto vDS – saturação 15

MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? 16

MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de vDS 17

MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de vDS Relação linear entre vDS e iD 18

MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de vDS Parâmetro de transcondutância do processo Depende de como o MOSFET foi construído! Óxido utilizado Mobilidade do elétron Razão entre largura e comprimento do canal k’n = mnCox Parâmetro de transcondutância do MOSFET kn = (mnCox)(W/L) 19

MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de vDS kn = (mnCox)(W/L) 20

MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? A medida que vDS aumenta iD é relacionado com vDS com um termo linear e um termo parabólico com concavidade para baixo. 21

MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? vDS > VOV iD independe de vDS (isto é uma primeira aproximação, veremos mais adiante que existe uma pequena relação entre eles) 22

MOSFET - funcionamento Com esta análise, começamos a entender o funcionamento do MOSFET 23

PMOS Faça a análise do PMOS 24

CMOS Com o avanço da tecnologia, conseguiu-se fabricar dispositivos NMOS e PMOS em um mesmo substrato. A esta tecnologia, damos o nome de CMOS (MOS complementar). 25

Símbolo de circuito Fonte Dreno Porta Porta Fonte Dreno MOSFET de canal n (Tipo intensificação) MOSFET de canal p (Tipo intensificação) 26

Símbolo de circuito Espaço indica o isolamento (óxido) na porta Seta indica a direção da corrente convencional (elétrons no sentido contrário) 27

Canal n – características IxV 28

Canal n – características IxV Repetiremos aqui a mesma análise feita anteriormente. 29

Canal n – características IxV  ?? 30

Canal n – características IxV  31

Canal n – características IxV 32

Canal n – características IxV (Triodo) (saturação) 33

Canal n – características IxV (Triodo) Equivalentes (saturação) 34

Canal n – características IxV (Trido) Equivalentes (saturação) 35

Canal n – características IxV (Trido) Equivalentes (saturação) Equivalentes 36

Canal n – características IxV (Trido) Equivalentes (saturação) Equivalentes 37

Canal n – características IxV 38

MOSFET – modelo de circuito equivalente Na região de saturação, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão Por que iG = 0? 39

MOSFET – modelo de circuito equivalente Na região de saturação, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão Por que iG = 0? Este ainda não é o melhor modelo! Veremos adiante um modelo um pouco melhor. 40

MOSFET – melhor aproximação na região de saturação Na realidade, a corrente iD dpende de vDS na região de saturação iD = vDS / ro 41

MOSFET – melhor aproximação na região de saturação Corrente iD dpende de vDS iD = vDS / ro Este fenômeno é explicado pela modulação do comprimento do canal. Ele depende da tecnologia de processamento e é proporcional ao comprimento de canal (L) do MOSFET. ro é chamado de resistência de saída. 42

MOSFET – modelo de circuito equivalente Na região ativa, 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 42 ) 43

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) 44

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) 45

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) 1º passo: Determinar RD 2º passo: Determinar a região de operação do MOSFET. Triodo ou saturação? VDS maior ou menor que VOV? Ou de forma equivalente, VGD maior ou menor que Vt? 3º passo: usar a equação que relaciona iD com VOV ou VDS dependendo da região. 4º passo: calcular Rs 46

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) 47

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) 48

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) 49

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) 50

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) 51

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) 52

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) 53

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) 54

Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação? 55

Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação? 1º passo: usar a equação que relaciona iD com VOV. 2º passo: calcular VSG 3º passo: Calcular RD 4º passo: determinar RG1 e RG2 56

Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação? 57

Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação? 58

Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação? RG1 e RG2 agem como um divisor de tensão para VDD. Podemos escolher qualquer valor de resistência que diminua a tensão de porta para 3V. 59

Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação? 60

Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação? A saturação é mantida quando VDG < |Vt|. Caso VD – VG > |Vt|, estamos fora da região de saturação. 61

Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação? A saturação é mantida quando VDG < |Vt|. Caso VD – VG > |Vt|, estamos fora da região de saturação. RD não pode ser maior que 8kW. 62