Aula 05

Eletrônica II
Germano Maioli Penello
[email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano
Aula 05
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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)
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MOSFET
3
MOSFET - funcionamento
http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/mosfet/mosfet.html
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Símbolo de circuito
Fonte
Dreno
Porta
Porta
Fonte
MOSFET de canal n
(Tipo intensificação)
Dreno
MOSFET de canal p
(Tipo intensificação)
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Simbolos de MOSFET
Canal-p
Canal-n
MOSFET
intensificação
MOSFET
intensificação
Sem corpo
MOSFET
depleção
MOSFET
depleção
Sem corpo
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Canal n – características IxV
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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 )
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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)
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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)
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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.
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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)
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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?
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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?
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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?
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MOSFET como amplificador
Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS
Para vGS < vt, o que acontece?
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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
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MOSFET como amplificador
Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS
E quando o MOSFET entra na região de saturação?
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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.
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MOSFET como amplificador
Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS
Como determinar o ponto B?
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MOSFET como amplificador
Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS
vGS = VGS|B
e
vDS = VGS|B - Vt
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MOSFET como amplificador
Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS
E quando o MOSFET entra na região de triodo?
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MOSFET como amplificador
Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS
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MOSFET como amplificador
Amplificador de tensão com o MOSFET. Analisando o gráfico vDS x vGS
24
Polarizando o MOSFET
Lembrem-se que desejamos um amplificador linear!
Onde é um bom ponto para ter um amplificador linear neste gráfico?
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Polarizando o MOSFET
Lembrem-se que desejamos um amplificador linear!
Q – ponto quiescente
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Sinal AC
Superpondo um sinal AC ao sinal DC
Note bem a nomenclatura!
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Sinal AC
Superpondo um sinal AC ao sinal DC
Valor instantâneo
Tensão DC
Tensão AC
Note bem a nomenclatura!
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Sinal AC
Superpondo um sinal AC ao sinal DC
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Sinal AC
Superpondo um sinal AC ao sinal DC
Quanto menor for o sinal ac,
melhor é a linearidade!
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Sinal AC
Superpondo um sinal AC ao sinal DC
Se o sinal AC for “grande”,
saímos da região linear!
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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
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Aproximação de sinal pequeno
33
Aproximação de sinal pequeno
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Aproximação de sinal pequeno
35
Aproximação de sinal pequeno
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Aproximação de sinal pequeno
Ganho é negativo! Era de se esperar pela inclinação da reta.
Desvio de fase de 180º
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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
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VTC (análise gráfica)
VTC – característica de transferência de tensão
Equação de reta num gráfico iD x vDS
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VTC (análise gráfica)
VTC – característica de transferência de tensão
Linha reta no gráfico
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VTC (análise gráfica)
VTC – característica de transferência de tensão
Reta de carga.
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VTC (análise gráfica)
VTC – característica de transferência de tensão
42
Ponto quiescente
O ponto quiescente é determinado pelo valor de VGS e de RD
Como determinar o melhor ponto quiescente?
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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.
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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
45
Sinais pequenos
Vamos agora ver em mais detalhes a operação em sinais pequenos
46
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:
47
Corrente de sinal no dreno
Como determinar a corrente do sinal no dreno?
48
Corrente de sinal no dreno
Como determinar a corrente do sinal no dreno?
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Corrente de sinal no dreno
Como determinar a corrente do sinal no dreno?
Corrente DC
(slide 48)
Corrente diretamente
proporcional ao sinal de
entrada
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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
Sinais pequenos
Para reduzir as distorções não lineares o
sinal deve ser mantido pequeno
Matematicamente falando:
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Sinais pequenos
Para reduzir as distorções não lineares o
sinal deve ser mantido pequeno
Matematicamente falando:
Rearrumanto os termos:
Equivalentes:
53
Sinais pequenos
ou
Se essa condição é satisfeita, podemos desprezar o último termo:
Onde definimos id como
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Sinais pequenos
O parâmetro que relaciona id com vgs é chamado de transcondutância do MOSFET gm
55
Sinais pequenos
O parâmetro que relaciona id com vgs é chamado de transcondutância do MOSFET gm
Análise gráfica:
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Sinais pequenos
Dentro da aproximação de sinais pequenos
57
Sinais pequenos
Dentro da aproximação de sinais pequenos
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Sinais pequenos
Dentro da aproximação de sinais pequenos
Simplificano o sinal DC (VDS = VDD – RDID)
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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).
60
Sinais pequenos
Dentro da aproximação de sinais pequenos
Simplificano o sinal DC (VDS = VDD – RDID)
Lembrando que:
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Sinais pequenos
Dentro da aproximação de sinais pequenos
Relação linear entre vds e vgs
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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?
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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)
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Exemplo
65
Exemplo
Determinar VOV
Determinar ID (saturação)
Determinar VDS
VDS > VOV ? (conferir se está mesmo na saturação!)
Calcular AV
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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.
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