Objectivos e regras de funcionamento

INSTITUTO SUPERIOR DE CIÊNCIAS
DO TRABALHO E DA EMPRESA
Enunciado do 3º Trabalho de Laboratório
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TRANSÍSTOR DE EFEITO DE CAMPO
Objectivos e regras de funcionamento:
Com este trabalho pretende-se que o aluno consolide os conhecimentos teóricos
adquiridos relativos ao funcionamento e às principais montagens do transístor de
efeito de campo (TEC).
TRANSÍSTOR DE EFEITO DE CAMPO
Parte I
o Análise do comportamento eléctrico do TEC em regime estacionário.
o Esboço da influência da temperatura nas características eléctricas do dispositivo.
Parte II
o Análise do TEC usado como amplificador: montagem de fonte comum.
o Análise do TEC para realizar um inversor CMOS.
Formulário
Equações do transístor NMOS
I ds  k n
I ds 
W
L
1 2

 ( v gs  Vt )  v ds  v ds 
2


kn W
  ( v gs  Vt ) 2
2 L
se
v ds  v gs  vt
(zona de tríodo)
se
v ds  v gs  vt
(zona de saturação)
se
v sd  v sg  vt
(zona de tríodo)
se
v sd  v sg  vt
(zona de saturação)
Equações do transístor PMOS
I sd  k p
I sd 
W
L
1 2

 ( v sg  Vt )  v sd  v sd 
2


kp W
  (v sg  Vt ) 2
2 L
Definições
Vt

Tensão de limiar
k p   p Cox
k n   n Cox
gm 
ids
v gs
Cox 
 ox
tox
vgs V gs
Convenções
Letras Maiúsculas
– ponto de funcionamento em repouso PFR, (DC operating
point) em (IS, ID, VO)
Letras minúsculas
– pequenos sinais (iS(t), iD(t), vO(t), vI(t)) – AC
Temos então que o sinal é dado por: iD=ID+id(t); iS=IS+is(t); vO=VO+vo(t), etc
Software
 Electronics workbench, Multisim
Notas sobre simulação
Simulação em Multisim

Para obter os valores de corrente Id ou Is nos transístores ou o valor de corrente
nas resistências pode utilizar as opções: More Options; Add device/model
parameters.

Pode usar a análise DC sweep para traçar as características eléctricas do TJB.

Utilize a análise temperature sweep para verificar o efeito da temperatura no
TJB.

Para varia a temperatura de funcionamento do circuito click na “Tab
Miscellanous Options” (no comando DC Sweep ou outros), e altere o
parâmetro temp.
Procedimento Experimental
Parte I - Análise do comportamento eléctrico do TEC em regime estacionário
Figura 1. Extracção das características do TEC
a partir da montagem de source comum.
Construa o circuito apresentado. Deve utilizar um transístor MOS de reforço tipo-N
virtual. O transístor a utilizar é o n-ésimo da lista do Multisim, em que n é o número
do grupo. Caso o número de transístores seja inferior ao seu numero de grupo subtraía
sucessivamente o número de transístores no Multisim ao seu número de grupo até
obter um possível. Indique no relatório o transístor que utilizou.
1. Obtenha a característica I DS VGS  Vds20V .
2. Obtenha as características
I DS VDS 
V GSC
te.
para VGS  1 V , VGS  2 V , VGS  3 V
(sugestão faça a simulação , variando VDS entre 0 e 10V). Indique as diferentes
zonas de funcionamento do dispositivo. Verifique o que acontece para Vds<0.
3. Determine aproximadamente os valores experimentais para VT e para k n
W
a
L
partir dos resultados da alínea anterior.
4. Calcule a tensão de Early do dispositivo.
5. Comente o que acontece quando troca o dreno com a source na montagem.
Explicite o caso em que o body está ligado à source, ou em que este está ligado à
terra.
6. Represente graficamente gm(VGS) em escala linear. Comente as variações de gm
com a tensão VGS e indique as três zonas de funcionamento do dispositivo. (Utilize
More Options; Add device/model parameters,.… gm).
Esboço da influência da temperatura nas características eléctricas do dispositivo
7. Utilize a opção temperature sweep para obter a variação de Ids com a temperatura,
para o valor de Vgs que achar conveniente. Comente os resultados obtidos.
Parte II - Análise do transístor de efeito de campo em regime dinâmico
Montagem de source comum
Figura 2. Montagem de source comum.
1.
Construa o circuito representado na figura. Utilize o transístor MOS de reforço
tipo-n virtual. Faça edit model e altere os parâmetros Kp e Vt respectivamente para
Kp  200uA/V 2 e Vt  0.5  n/10 . Assuma que W/L=1 (tal é equivalente a termos
Kp  20uA/V 2 e W/L=10). Indique o valore utilizado no relatório.
2. Represente o modelo para pequenos sinais desta montagem. Calcule o ganho de
tensão para pequenos sinais da montagem.
3.
Mostre que para que tenhamos no ponto de funcionamento em repouso
Vd=Vdd/2, devemos ter Vgs-Vt=Vdd/|A|, em que A é o ganho de tensão para
pequenos sinais da montagem.
4.
Dimensione a fonte de alimentação VGS usada para polarizar o TEC e a resistência
Rp, de modo a que no ponto de funcionamento em repouso se tenha Vd=Vdd/2 e o
ganho para pequenos sinais da montagem seja de 10? Utilizando as aproximações
para pequeno sinais indique qual é o maior valor de vgs que garante que o transístor
funciona na zona de saturação?
5.
Obtenha por simulação os valores das tensões e correntes DC que estabelecem o
ponto de funcionamento em repouso (PFR) do TEC nesta montagem. Compare os
valores obtidos na simulação com os valores deduzidos analiticamente.
6. Defina a amplitude da fonte de sinal para 1 mV. Faça uma análise no tempo
(transient analysis) da montagem representando os valores das tensões de entrada e
saída do circuito. Compare o valor obtido para o ganho com o previsto
teoricamente.
7. Duplique o valor de VGS-Vt. Comente o efeito observado no ganho de tensão e em
gm.
Análise de um inversor implementado em tecnologia CMOS
Inversor CMOS
Figura 3. Inversor CMOS.
Construa o circuito representado na figura anterior, com Vdd=3V.
1.
Varie a tensão de entrada do circuito vi de modo a obter a função de transferência
vo(vi) desta porta lógica. Desenhe esta característica e nela indique as zonas de
funcionamento dos transístores NMOS e PMOS (criteriosamente escolhido).
Substitua QP por uma resistência de 1k e compare a função vo(vi) resultante com
a obtida anteriormente.
2.
Coloque um condensador de 1pF na saída do circuito. Obtenha por simulação a
resposta temporal da tensão de saída vo deste inversor quando a entrada muda de
nível lógico (Utilize uma fonte “pulse voltage source”). Represente e determine o
tempo de subida e de descida (a 5% do valor final). Altere o valor do condensador
para 10pF e verifique efeito que este tem na resposta temporal.
3.
Obtenha através de simulação a frequência máxima que garante que a saída do
circuito atinge 5% do seu valor final. Assuma um condensador de 1pF na saída.
Elaboração do Relatório
Elementos a incluir no relatório:
· Os valores das resistências utilizados e os dimensionamentos teórico devem
anteceder os resultados das simulações.
· Descrição pormenorizada do procedimento experimental e dos problemas
ocorridos durante a simulação.
· Todos os gráficos referidos ao longo do enunciado correspondentes aos resultados
de simulação, aos valores esperados analiticamente, e aos resultados reais do PCB.
· Comentários sempre que os resultados de simulação não coincidam com os valores
esperados analiticamente ou observados durante a demonstração experimental.
· Lista das escolhas/decisões tomadas no decurso do trabalho.
· Opções de implementação e demonstração de resultados utilizadas.
Material a entregar:
 Relatório com os elementos pedidos no enunciado, e com identificação do
grupo e dos seus elementos.

O não cumprimento do prazo limite para entrega implica uma penalização de
um valor por dia.
Notas importantes
 As aulas de laboratório devem ser usadas para realizar as soluções idealizadas
à priori.

É fortemente recomendável que as opções de projecto e estratégias de
implementação resultem de uma leitura atenta e antecipada do enunciado.
̤
 Cada projecto envolve a realização de um relatório (25 páginas no máximo) a
entregar na semana seguinte à sua conclusão.
O enunciado de cada trabalho será entregue anteriormente à realização da aula
de laboratório. As datasheets dos componentes utilizados nas demostrações
laboratoriais estão disponíveis na página do laboratório http:/iscte.pt/labeti