1 Eletrônica II Germano Maioli Penello Aula 06 II _ 2015-1.html.

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1 1 Eletrônica II Germano Maioli Penello Aula 06 gpenello@gmail.com http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II _ 2015-1.html

2 2 Revisão: 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)

3 3 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?

4 4 Polarizando o MOSFET Lembrem-se que desejamos um amplificador linear! Onde é um bom ponto para ter um amplificador linear neste gráfico?

5 5 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC Note bem a nomenclatura! Valor instantâneo Tensão DC Tensão AC

6 6 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC Quanto menor for o sinal ac, melhor é a linearidade! Se o sinal AC for “grande”, saímos da região linear!

7 7 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 Ganho é negativo! Era de se esperar pela inclinação da reta.

8 8 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

9 9 VTC (análise gráfica) VTC – característica de transferência de tensão

10 10 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

11 11 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:

12 12 Sinais pequenos Para reduzir as distorções não lineares o sinal deve ser mantido pequeno Matematicamente falando: Equivalentes: Rearrumanto os termos:

13 13 Sinais pequenos O parâmetro que relaciona i d com v gs é chamado de transcondutância do MOSFET g m Análise gráfica:

14 14 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)

15 15 Exemplo Determinar V OV Determinar I D (saturação) Determinar V DS V DS > V OV ? (conferir se está mesmo na saturação!) Calcular A V

16 16 Exemplo

17 17 Exemplo

18 18 Exemplo

19 19 Exemplo

20 20 Exemplo

21 21 Exemplo

22 22 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.

23 23 Exemplo

24 24 Exemplo Primeira aproximação!

25 25 Exemplo Primeira aproximação! Aproximação de sinais pequenos é válida!

26 26 Exemplo Primeira aproximação! Atenção! Nesta análise que acabamos de fazer, consideramos que apenas v ds varia. Isto não é rigorosamente correto! V GS e v DS variam ao mesmo tempo, enquanto v GS aumenta, v DS diminui (lembre-se que o ganho é negativo).

27 27 Exemplo Condição de saturação!

28 28 Exemplo Condição de saturação! Ela tem que valer para todo instante!

29 29 Exemplo

30 30 Exemplo

31 31 Exemplo Resultado mais correto que o anterior!

32 32 Resumo da aula passada Na aula passada, mostramos que na condição de sinais pequenos podemos separar a análise DC da análise do sinal Em resumo, uma vez que o ponto de operação DC é calculado, podemos fazer a análise do sinal ignorando as quantidades DC.

33 33 Resumo da aula passada

34 34 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Na região de saturação, o MOSFET se comporta como uma fonte de corrente controlada por tensão. Na aproximação de sinal pequeno, a tensão entre o a porta e a fonte v gs gera uma corrente entre o dreno e a fonte, g m v gs Note como o modelo representa exatamente este funcionamento Válida a todo instante! Note que estamos falando apenas do sinal AC

35 35 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Na análise de sinais pequenos, o transistor pode ser substituído por este modelo de circuito, facilitando a análise. Modelo  -híbrido

36 36 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Na análise de sinais pequenos, o transistor pode ser substituído por este modelo de circuito, facilitando a análise. Mas vimos que depois de analisar o ponto de operação DC, apenas nos preocupamos com o sinal AC. Por isto, as fontes de tensões DC ideias são substituídas por curto circuitos. Modelo  -híbrido

37 37 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Na análise de sinais pequenos, o transistor pode ser substituído por este modelo de circuito, facilitando a análise. Mas vimos que depois de analisar o ponto de operação DC, apenas nos preocupamos com o sinal. Por isto, as fontes de tensões DC ideias são substituídas por curto circuitos. E caso haja fontes de corrente DC? O que fazer com elas? Modelo  -híbrido

38 38 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Na análise de sinais pequenos, o transistor pode ser substituído por este modelo de circuito, facilitando a análise. A corrente de sinal de uma fonte de corrente DC será sempre zero (a corrente não varia no tempo!). Uma fonte de corrente constante DC é substituída por um circuito aberto. Modelo  -híbrido

39 39 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Ao fazer a análise do sinal na aproximação de pequenos sinais: substituímos o transistor pelo modelo de pequenos sinais curto circuitamos as fontes de tensão removemos as fontes de corrente deixando um circuito aberto. Modelo  -híbrido

40 40 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais O modelo ideal do MOSFET considera que a corrente de saturação não depende de v DS. Sabemos que isto não é verdade! Uma aproximação melhor modela o MOSFET com uma resistência finita r o entre o dreno e a fonte. Ideal  r o =  Real  r o = finito Modelo  -híbrido

41 41 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais O modelo ideal do MOSFET considera que a corrente de saturação não depende de v DS. Sabemos que isto não é verdade! Uma aproximação melhor modela o MOSFET com uma resistência finita r o entre o dreno e a fonte. Como substituir no modelo de pequenos sinais uma resistência r o ? ? Modelo  -híbrido

42 42 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais O modelo ideal do MOSFET considera que a corrente de saturação não depende de v DS. Sabemos que isto não é verdade! Uma aproximação melhor modela o MOSFET com uma resistência finita r o entre o dreno e a fonte. Lembrando: Esta resistência aparece por causa do efeito de modulação de comprimento de canal ( = 0  r o =  ; ≠ 0  r o = finito) Modelo  -híbrido

43 43 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Para =0: Tipicamente r o = 10 k  a 1000 k  Modelo  -híbrido

44 44 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T

45 45 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T

46 46 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T

47 47 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T

48 48 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T Por simplicidade, omitimos r o. Ele pode novamente ser adicionado entre a fonte e o dreno.

49 49 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T Por simplicidade, omitimos r o. Ele pode novamente ser adicionado entre a fonte e o dreno.

50 50 Exemplo

51 51 Exemplo 1º análise DC. Qual o circuito? 2º análise de sinal. Qual o circuito? Qual o modelo que utilizaremos?

52 52 Exemplo 1º análise DC. Qual o circuito? Capacitores bloqueiam sinais DC, se comportando como uma chave aberta.

53 53 Exemplo 1º análise DC. Qual o circuito?

54 54 Exemplo 1º análise DC.

55 55 Exemplo 1º análise DC.

56 56 Exemplo 1º análise DC.

57 57 Exemplo 1º análise DC. Eq. quadrática para I D. Soluções: 1,06mA e 1,72mA

58 58 Exemplo 1º análise DC. Eq. quadrática para I D. Soluções: 1,06mA e 1,72mA

59 59 Exemplo 1º análise DC. Por que desprezamos a solução I D = 1,72mA?

60 60 Exemplo 1º análise DC. Por que desprezamos a solução I D = 1,72mA? Solução fisicamente em sentido! Queda de tensão no resistor maior que V DD

61 61 Exemplo 1º análise DC.

62 62 Exemplo 1º análise DC.

63 63 Exemplo 2º análise do sinal. Modelo  -hibrido ou modelo T?

64 64 Exemplo 2º análise do sinal. Modelo  -hibrido ou modelo T? Qualquer um dos ois pode ser usado. Neste caso usaremos o  -híbrido. Por quê?

65 65 Exemplo 2º análise do sinal. Substituir o MOSFET pelo modelo

66 66 Exemplo 2º análise do sinal. O que acontece com as fontes DC?

67 67 Exemplo 2º análise do sinal.

68 68 Exemplo 2º análise do sinal. O que acontece com as capacitâncias?

69 69 Exemplo 2º análise do sinal. Idealização!

70 70 Exemplo Circuito equivalente para pequenos sinais

71 71 Exemplo 2º análise do sinal.

72 72 Exemplo 2º análise do sinal.

73 73 Exemplo 2º análise do sinal.

74 74 Exemplo 2º análise do sinal. Agora temos todos os valores para simplificar o circuito ainda mais. 3 resistências em paralelo.

75 75 Exemplo 2º análise do sinal. O que desejamos determinar neste circuito?

76 76 Exemplo 2º análise do sinal.

77 77 Exemplo 2º análise do sinal.

78 78 Exemplo 2º análise do sinal.

79 79 Exemplo 2º análise do sinal.

80 80 Exemplo 2º análise do sinal.

81 81 Exemplo 2º análise do sinal.

82 82 Exemplo 2º análise do sinal.

83 83 Exemplo 2º análise do sinal.

84 84 Exemplo 2º análise do sinal.