Aula 10

Eletrônica II
Germano Maioli Penello
[email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II _ 2015-1.html
Aula 10
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Polarização de transistores
A polarização serve para definir a corrente ID estável e garantir uma tensão VDS
que mantenha o transistor em saturação para todos os sinais esperados na
entrada.
Nesta aula, veremos diferentes maneiras de polarizar um transistor.
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Polarização com VGS fixo
Sabendo que
Uma primeira maneira de polarizar o transistor seria fixando o valor de VGS
Com isso, fixamos a corrente que passa entre o dreno e a fonte do transistor.
É uma boa idéia?
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Polarização com VGS fixo
Sabendo que
Uma primeira maneira de polarizar o transistor seria fixando o valor de VGS
Com isso, fixamos a corrente que passa entre o dreno e a fonte do transistor.
Os valores de mn, Cox, Vt e W/L variam
significativamente em componentes
discretos. O mesmo fabricante pode
produzir o mesmo componente com
valores diferentes.
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Polarização com VG fixo e com Rs
Esta é uma excelente alternativa de polarização.
Se VG é muito maior que VGS, a corrente ID
é majoritariamente determinada pelos
valores de VG e RS. Para melhorar, RS
fornece uma realimentação negativa,
estabilizando ID.
ID
 VGS
(estamos fixando VG)  ID
Variação repentina de ID faz com que ID
tente voltar à situação de equilíbrio
Dispositivos diferentes têm ID similares
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Polarização com VG fixo e com Rs
Implementação prática
Com apenas uma fonte de tensão (com
o capacitor acoplando o sinal)
Com duas fontes de tensão (sem o
capacitor acoplando o sinal)
Por realimentar o sistema negativamente, o resistor RS é chamado de resistência
de degeneração
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Polarização com resistor entre o
dreno e a porta
Esta é uma maneira simples e eficiente de polarizar o
transistor (RG ~ MW)
VGS = VDS (lembre-se que IG = 0)
Similar à equação do slide 15 (
)
Realimentação negativa! Se a corrente ID aumenta por algum
motivo, VGS diminui. Se VGS diminui, a corrente ID diminui.
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Polarização com uma fonte de
corrente constante
Esta é a maneira mais eficaz de polarizar um transitor.
RG (~MW) é usado como um aterramento DC e
apresenta uma alta resistência ao sinal de entrada
acoplado capacitivamente à porta.
RD estabelece a tensão no dreno que determina a
varredura do sinal de saída mantendo o transistor
na saturação.
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Polarização com uma fonte de
corrente constante
Como construir uma fonte de corrente constante?
Q2 tem o mesmo VGS de Q1. Considerando
que ele está na saturação:
A corrente I é a corrente constante desejada.
A corrente I está relacionada com IREF pela razão de aspecto
dos transistores. Este circuito é chamado de espelho de
corrente. Muito usado em projetos MOS de CI.
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Polarização com uma fonte de
corrente constante
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Polarização com uma fonte de
corrente constante
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Amplificadores com MOSFETs
Circuitos de componentes discretos
Agora analisaremos circuitos completos de amplificadores com
componentes discretos MOS. É importante ressaltar que os MOSFETs
são utilizados majoritariamente em circuitos integrados, não em circuitos
discretos.
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Circuitos completos
Até o momento no curso, analisamos separadamente o circuito DC com
MOSFET.
Depois, analisamos a simplificação dos circuitos dentro da aproximação de
sinal pequeno.
Por fim, mostramos os circuitos de polarização.
Agora, apresentaremos os circuitos completos dos amplificadores.
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Amplificador de fonte comum
Circuito completo de um amplificador de fonte comum utilizando polarização
com corrente constante. Agora já temos todas as ferramentas para analisar
este circuito.
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Amplificador de fonte comum
Acabamos de fazer a análise
DC deste circuito!
Agora faremos a análise o
sinal. Qual o modelo a se
utilizar?
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Amplificador de fonte comum
Ro = RD||ro
Ganho negativo
Divisor de tensão na entrada
Divisor de corrente na saída
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Amplificador de fonte comum com Rs
A diferença é que
agora incluímos Rs no
circuito anterior.
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Amplificador de fonte comum com Rs
Já analisamos este circuito anteriormente (aula 08). A única diferença é que ele
agora tem a resistência RG. Isto muda a resistência de entrada Rin (Rin = RG) e
altera o ganho de tensão total.
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Amplificador de porta comum
Qual o circuito DC a ser
analisado?
Qual o modelo de circuito
de pequenos sinais que
utilizamos?
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Amplificador de porta comum
Exatamente o mesmo resultado que obtivemos na aula 09! Confira.
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Amplificador de dreno comum
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Amplificador de dreno comum
Seguidor de tensão
Agora existe RG na entrada.
Rin não é mais infinita afetando o
ganho de tensão total.
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Efeitos não considerados
Na nossa análise do MOSFET feita até agora, desprezamos diversos efeitos
considerados secundários. Analisaremos a partir de agora alguns desses efeitos.
•
•
•
•
A importância da conexão ao corpo do substrato
Efeitos de temperatura
Breakdown - ruptura
Saturação da velocidade
Discutimos também apenas o MOSFET tipo intensificação. No fim, apresentaremos
o MOSFET tipo depleção.
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Corpo do substrato
O MOSFET é um dispositivo de 4 terminais, mas normalmente, o corpo do
substrato é conectado à fonte, fazendo assim com que ele seja um
dispositivo de 3 terminais.
Note que B e S têm no mesmo potencial.
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Corpo do substrato
Isto é feito para que a junção pn
entre o canal e o substrato não
vire um diodo diretamente
polarizado. Com isto, o substrato
não afeta a operação do circuito e
ele pode ser ignorado na análise
(esta é a análise que fazemos em
dispositivos discretos).
Em circuitos integrados, o corpo do substrato é conectado à fonte de tensão
mais negativa em um circuito NMOS (positiva em um PMOS). Isto causa o
aparecimento de uma ddp entre S e B (VSB) de alguns MOSFETs
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Corpo do substrato
Se existir VBS negativo (VB<VS), o
canal reduz de tamanho (aumento da
depleção). Para voltar à situação
anterior, vGS tem que aumentar.
No fundo, percebemos que o aparecimento de VBS faz com que alteremos a
tensão de threshold (Vt) do transistor.
Vt0 é igual a Vt com VSB = 0
2ff é tipicamente igual a 0.6 V
g é um parâmetro dado pela fabricação
(parâmetro de efeito de corpo)
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Efeito de corpo
Quando VB é diferente de VS, o substrato age como uma segunda porta para o
MOSFET (backgate). Com isto, vbs também gera uma corrente de dreno.
Portanto, podemos associar à essa corrente um transcondutância de corpo:
Modificando também o modelo de circuito equivalente
Pode-se demonstrar que:
onde
Tipicamente
c = 0.1 a 0.3
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Efeitos de temperatura
As características do MOSFET são alteradas em função da temperatura.
Vt diminui cerca de 2 mV para cada aumento de 1C. Aumento ou diminuição
de ID?
k’ também diminui com o aumento da temperatura. Aumento ou diminuição
de ID?
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Efeitos de temperatura
As características do MOSFET são alteradas em função da temperatura.
Vt diminui cerca de 2 mV para cada aumento de 1C. Aumento ou diminuição
de ID? Aumento! (aumento de Vt, diminui VOV)
k’ também diminui com o aumento da temperatura. Aumento ou diminuição
de ID? Diminuição! (lembre da equação de ID vs k’)
Efeito interessante utilizado
em circuitos de potência!
Dependendo da tensão, o
MOSFET não sofre o thermal
runaway.
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Breakdown - ruptura
Se VD aumenta muito, o transistor sofre de um efeito chamado de
avalanche. No efeito avalanche, portadores minoritários têm energia
suficiente para quebrar as ligações covalentes do cristal semicondutor e
gerar mais portadores. Mais portadores geram mais quebras e mais corrente
similar a uma avalanche. (parecido com o efeito zener, mas o efeito zener é
causado pelo campo elétrico)
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Breakdown - ruptura
Uma outra ruptura acontece quando o VGS é maior que ~30V. Isto causa a
ruptura do óxido da porta destruindo o componente.
http://www.attopsemi.com/tec3.htm
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Breakdown - ruptura
Uma outra ruptura acontece em dispositivos modernos de canais curtos. Se
VD aumenta a ponto da região de depleção em volta do dreno se estende
pelo canal até a porta, a corrente aumenta rapidamente. Este efeito
normalmente não destrói o dispositivo. Ele é chamado de punch-through.
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Saturação da velocidade
Em dispositivos modernos de canais curtos a velocidade dos portadores de
carga atinge um limite superior (~107 cm/s) para valores de tensões da
ordem de 1V. Esse limite é chamado de saturação da velocidade.
Nesta situação, a corrente iD não segue mais a lei quadrática com vDS, ela
passa a ser linear. Isto afeta a transcondutância gm, que passa a ser
constante. Lembre-se que gm é a derivada de id em relação a vGS.
http://analog.intgckts.com/mos-transistor/nmos-transistor/
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MOSFET de depleção
No MOSFET de intensificação, devemos aplicar uma tensão vGS maior que Vt
para que um canal entre o dreno e a fonte se crie e o transistor conduza
corrente.
No MOSFET de depleção, esse canal já existe. A aplicação de uma tensão vGS
negativa, reduz o canal já existente e a corrente diminui. A tensão Vt agora é
definida como o valor negativo de vGS em que a corrente é nula.
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MOSFET de depleção
Pode operar tanto como intensificação como quanto depleção
dependendo da tensão vGS aplicada
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MOSFET outros símbolos
Canal-p
Canal-n
JFET
MOSFET
intensificação
MOSFET
intensificação
Sem corpo
MOSFET
depleção
MOSFET
depleção
Sem corpo
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