Aula 04

Eletrônica II
Germano Maioli Penello
[email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II _ 2015-1.html
Aula 04
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Revisão – aula passada
É comum ter situações temos um sinal de baixa intensidade (mV ou mV). O
processamento desses sinais seria muito mais simples se a intensidade fosse maior.
Este é um dos exemplos da necessidade de se desenvolver circuitos amplificadores.
http://www.antenas3g.com.br/repetidores_3g.html2
Amplificador - linearidade
A = 1 (inclinação da reta)
Distorções não lineares
v0(t) = A vi(t) + B vi(t)2 + C vi(t)3 + …
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Modelo de circuito
Independente da complexidade do amplificador, podemos modelar o
seu funcionamento olhando apenas para os terminais de entrada e
saída.
?
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Parâmetros importantes
• Resistência (impedância) de entrada
• Resistência (impedância) de saída
• Ganho do amplificador
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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
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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.
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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).
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Classificação de amplificadores
Baseado apenas na largura de banda
Acoplado capacitivamente (amplificador AC)
Diretamente acoplado (amplificador DC)
Passa-banda (filtro passa-banda)
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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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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).
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Transistores
Dois tipos principais:
•Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET)
•Transistor bipolar de junção (BJT)
http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lateral_mosfet.svg
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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.
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MOSFET
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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.
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MOSFET - funcionamento
http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/mosfet/mosfet.html
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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
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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
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MOSFET - funcionamento
Como explicar as correntes observados no MOSFET?
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MOSFET - funcionamento
Como explicar as correntes observados no MOSFET?
Para pequenos valores de vDS
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MOSFET - funcionamento
Como explicar as correntes observados no MOSFET?
Para pequenos valores de vDS
Relação linear entre vDS e iD
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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)
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MOSFET - funcionamento
Como explicar as correntes observados no MOSFET?
Para pequenos valores de vDS
kn = (mnCox)(W/L)
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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.
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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)
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MOSFET - funcionamento
Com esta análise, começamos a entender o funcionamento do MOSFET
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PMOS
• Faça a análise do PMOS
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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).
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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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Símbolo de circuito
Espaço indica o isolamento
(óxido) na porta
Seta indica a direção da corrente convencional (elétrons no sentido contrário)
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Canal n – características IxV
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Canal n – características IxV
Repetiremos aqui a mesma análise feita anteriormente.
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Canal n – características IxV
 ??
33
Canal n – características IxV

34
Canal n – características IxV
35
Canal n – características IxV
(Triodo)
(saturação)
36
Canal n – características IxV
(Triodo)
Equivalentes
(saturação)
37
Canal n – características IxV
(Trido)
Equivalentes
(saturação)
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Canal n – características IxV
(Trido)
Equivalentes
(saturação)
Equivalentes
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Canal n – características IxV
(Trido)
Equivalentes
(saturação)
Equivalentes
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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
Por que iG = 0?
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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
Por que iG = 0?
Este ainda não é o melhor modelo! Veremos adiante um modelo um pouco melhor.
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MOSFET – melhor aproximação na
região de saturação
Na realidade, a corrente iD dpende de vDS na região de saturação
iD = vDS / ro
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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.
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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 )
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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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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
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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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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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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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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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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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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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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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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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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?
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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
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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?
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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?
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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.
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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?
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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.
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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.
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