Transistor de Efeito de Campo MOS (MOSFET) – Parte II

1. Transistor de Efeito de Campo MOS (MOSFET) – Parte II Jadsonlee da Silva Sá Jadsonlee.sa@univasf.edu.br www.univasf.edu.br/~jadsonlee.sa

2. MOSFET:Amplificador e Chave. • MOSFET como amplificador. • A base desta aplicação  Região de saturação. • O MOSFET atua como fonte de corrente (iD - Saída) controlada por tensão (vGS - Entrada)  Amplificador de transcondutância. • A relação iD-vGS é não-linear (quadrática)  É importante que a amplificação seja linear. • Como resolver este problema? • Polarizar em CC o MOSFET (VGS e ID) e superpor o sinal a ser amplificado vgs (sinal pequeno) sobre VGS.

3. MOSFET:Amplificador e Chave. • Estudaremos primeiro a operação em grandes sinais do MOSFET  Característica de transferência de tensão de um circuito amplificador MOSFET. • Analisaremos como o MOSFET deve ser polarizado para operar em cada uma das três regiões: • Saturação Amplificador de pequenos sinais. • Corte e triodo Chave aberta e chave fechada.

4. MOSFET:Amplificador e Chave. • Operação com grandes sinais – A característica de transferência. • Considere o circuito fonte comum – Amplificador MOSFET mais utilizado. Vamos obter vO para diferentes valores de vI (0 a VDD)  Característica de transferência. Saída Entrada

5. MOSFET:Amplificador e Chave. • Operação com grandes sinais – A característica de transferência. • A operação deste circuito é controlada pela relação iD-vDS:

6. MOSFET:Amplificador e Chave. • Operação com grandes sinais – A característica de transferência. • Podemos utilizar o gráfico iD-vDS para determinar a relação vO (vDS) – vI (vGS). • Procedimento: • Para cada valor de vI, localizamos a correspondente curva iD-vDS. • Obtemos vO a partir do ponto de interseção dessa curva com a reta de carga.

7. MOSFET:Amplificador e Chave. • Operação com grandes sinais – A característica de transferência. Chave Quando vI excede Vt, o MOSFET conduz, iD aumenta e vO diminui  vO = vDS > vGS - Vt Amplificador vO = vDS ≤ vGS - Vt

8. MOSFET:Amplificador e Chave. • Expressões Analíticas: característica de transferência. Segmento da região de corte (XA). Segmento da região de saturação (AQB). Desprezando a modulação (λ=0).

9. MOSFET:Amplificador e Chave. • Expressões Analíticas: característica de transferência. • Segmento da região de saturação (AQB). • Substituindo iD em vO, obtemos:

10. MOSFET:Amplificador e Chave. • Expressões Analíticas: característica de transferência. • Segmento da região de triodo (BC). • Substituindo iD em vO, obtemos.

11. MOSFET:Amplificador e Chave. • Expressões Analíticas: característica de transferência. • Segmento da região de triodo (BC). • A porção deste segmento para vO (vDS) pequeno é derivada por,

12. MOSFET:Amplificador e Chave. • Expressões Analíticas: característica de transferência. • Segmento da região de triodo (BC). • Para vO (vDS) pequeno, o MOSFET opera com um resistor rDS. vO pode ser derivado pela equação seguinte.

13. MOSFET:Amplificador e Chave. • Tarefa 1: resolvam o exemplo 4.8 do livro Sedra/Smith quinta edição.

14. Polarização de Circuitos Amplificadores • Projeto de um amplificador  É essencial estabelecer um ponto de operação (polarização) CC. • Ponto de operação: • ID estável; • VDS que mantenha o MOSFET na região de saturação para os níveis de sinal de entrada esperados.

15. Polarização de Circuitos Amplificadores • Polarização por VGS fixo. • Abordagem mais direta. • Fixa VGS no valor necessário para prover o ID desejado. • VGS pode ser fixado por meio da fonte de alimentação VDD e um divisor de tensão. • Não é uma boa estratégia!! • Vt, Cox e W/L variam muito entre dispositivos ditos do mesmo tipo e tamanho. Além disso, Vt e μn dependem da temperatura. • Fixar VGS, torna ID muito dependente da temperatura.

16. Polarização de Circuitos Amplificadores • Polarização por VG fixo e resistência conectada na fonte. • Basicamente, ID será determinada pelos valores de VG e RS.

17. Polarização de Circuitos Amplificadores • Polarização por VG fixo e resistência conectada na fonte. • Circuitos Práticos. RG1 e RG2 devem ser elevados (MΩ) para garantir uma alta resistência de entrada.

18. Polarização de Circuitos Amplificadores • Polarização por VG fixo e resistência conectada na fonte. • Circuitos Práticos.

19. Polarização de Circuitos Amplificadores • Tarefa 2: resolvam o exemplo 4.9 do livro Sedra/Smith quinta edição.

20. Polarização de Circuitos Amplificadores • Polarização Utilizando Fonte de Corrente Constante. • Melhor forma de polarizar um MOSFET. • RG garante uma resistência de entrada elevada.

21. Polarização de Circuitos Amplificadores • Polarização Utilizando Fonte de Corrente Constante. • Visto que o dreno e a porta de Q1 estão em curto, Q1 opera na região de saturação. • Supondo modulação nula.

22. Polarização de Circuitos Amplificadores • Polarização Utilizando Fonte de Corrente Constante. • Observe que Q2 tem o mesmo VGS que Q1. Supondo que Q2 está na saturação, I=ID2 será, • Espelho de corrente.

23. Operação em Pequenos Sinais e Modelos • Considere o circuito amplificador fonte comum. • VGS Tensão CC de polarização. • vgs  Sinal de entrada a ser amplificado. • vO  Sinal de saída.

24. Operação em Pequenos Sinais e Modelos • Ponto de polarização CC. • Fazendo vgs = 0, obtemos ID e VD (VDS) de polarização. Desprezando a modulação. • Para garantir a operação na saturação, devemos ter:

25. Operação em Pequenos Sinais e Modelos • O sinal de corrente no terminal do dreno. • A tensão instantânea porta-fonte será, • A corrente de dreno instantânea total iD será, Componente diretamente proporcional a vgs. Distorção não-linear.

26. Operação em Pequenos Sinais e Modelos • O sinal de corrente no terminal do dreno. • Para reduzir a distorção não-linear, vgs deve ser pequeno tal que, • Resultando em, • Se essa condição para pequenos sinais for satisfeita, podemos desprezar o último termo de iD.

27. Operação em Pequenos Sinais e Modelos • O sinal de corrente no terminal do dreno. • iD pode ser expresso por, Onde: • A transcondutância gm é derivada por,

28. Operação em Pequenos Sinais e Modelos • O ganho de tensão - Av. • A tensão de dreno instantânea total vD é expressa por, • Na condição de pequenos sinais, temos: • Logo, o componente do sinal da tensão de dreno será dado por: