Aula 10

Eletrônica II
Germano Maioli Penello
[email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano
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.
Na aula passada, vimos 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.
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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Qual é esta configuração?
8
Qual é esta configuração?
9
Qual é esta configuração?
10
Qual é esta configuração?
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No circuito amplificador abaixo, o MOSFET tem Vt = 1V e Kn = 2 mA/V2
1.
2.
3.
4.
Determine VG, VD, VS e ID.
Determine gm e ro se VA = 100V.
Desenhe o circuito equivalente para sinais pequenos.
Determine Rin, Rout, Avo e Gv.
No circuito amplificador abaixo, o MOSFET tem Vt = 1V e Kn = 2 mA/V2
1.
2.
3.
4.
Determine VG, VD, VS e ID.
Determine gm e ro se VA = 100V.
Desenhe o circuito equivalente para sinais pequenos.
Determine Rin, Rout, Avo e Gv.
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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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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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