Transcript Aula 15 - Univasf
Transistor de Efeito de Campo MOS (MOSFET) – Parte II
Jadsonlee da Silva Sá [email protected]
www.univasf.edu.br/~jadsonlee.sa
Universidade Federal do Vale do São Francisco - UNIVASF Colegiado de Engenharia da Computação – CECOMP
MOSFET:Amplificador e Chave.
MOSFET como amplificador. A base desta aplicação Região de saturação.
O MOSFET atua como fonte de corrente (i D controlada por tensão (v GS - Entrada) transcondutância.
- Saída) Amplificador de A relação i D -v GS é não-linear (quadrática) que a amplificação seja linear.
É importante Como resolver este problema?
Polarizar em CC o MOSFET (V ser amplificado v gs GS e I D ) e superpor o sinal a (sinal pequeno) sobre V GS .
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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.
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MOSFET:Amplificador e Chave.
Operação com grandes sinais – A característica de transferência.
Considere o circuito fonte comum – Amplificador MOSFET mais utilizado.
v O
v DS
V DD
R i D D
Entrada Saída Vamos obter v de v I (0 a V DD ) transferência.
O para diferentes valores
Característica de Universidade Federal do Vale do São Francisco - UNIVASF Colegiado de Engenharia da Computação – CECOMP
MOSFET:Amplificador e Chave.
Operação com grandes sinais – A característica de transferência.
A operação deste circuito é controlada pela relação i D -v DS :
i D
V DD R D
1
R D v DS
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MOSFET:Amplificador e Chave.
Operação com grandes sinais – A característica de transferência.
Podemos utilizar o gráfico i D -v DS relação v O (v DS ) – v I (v GS ).
para determinar a
Procedimento:
Para cada valor de v I , localizamos a correspondente curva i D -v DS .
Obtemos v O a partir do ponto de interseção dessa curva com a reta de carga.
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MOSFET:Amplificador e Chave.
Operação com grandes sinais – A característica de transferência.
Chave
v I v O
v GS v DS v I
V DD V t
Quando v I MOSFET
v O = v DS > v
excede V conduz, aumenta e v O
GS
diminui
- V t
t , o i D
v O = v DS ≤ v GS - V t Amplificador Universidade Federal do Vale do São Francisco - UNIVASF Colegiado de Engenharia da Computação – CECOMP
MOSFET:Amplificador e Chave.
Expressões transferência.
Analíticas: característica de Segmento da região de corte (XA).
v I
V t v O
V DD
Segmento da região de saturação (AQB).
v I
V t v O
I V t
Desprezando a modulação (λ=0).
i D
1 2 (
n C ox
)
W L
(
v I
V t
) 2
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MOSFET:Amplificador e Chave.
Expressões transferência.
Analíticas: característica de
Segmento da região de saturação (AQB).
Substituindo i D em v O , obtemos:
i D
1 2 (
n C ox
)
W L
(
v I
V t
) 2
v O
V DD
R i D D v O
V DD
1 2
R D
(
n C ox
)
W L
(
v I
V t
) 2
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MOSFET:Amplificador e Chave.
Expressões transferência.
Analíticas: característica
Segmento da região de triodo (BC).
v I
V t v O
I V t
de
i D
Substituindo i D em v O , obtemos.
(
n C ox
)
W L
(
v I
t O
1 2
v O
2
v O
V DD
R i D D v O
V DD
R D
(
n C ox
)
W L
(
v I
t O
1 2
v O
2
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MOSFET:Amplificador e Chave.
Expressões transferência.
Analíticas: característica de
Segmento da região de triodo (BC).
A porção deste segmento para v O derivada por, (v DS ) pequeno é
v O
V DD
R D
(
n C ox
)
W L
(
v I
t O v O
V DD
1
R D
(
n C ox
)
W L
(
v I
V t
)
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MOSFET:Amplificador e Chave.
Expressões transferência.
Analíticas: característica de
Segmento da região de triodo (BC).
Para v O (v DS ) pequeno, o MOSFET opera como um resistor r DS . v O pode ser derivado pela equação seguinte.
r DS
1 (
n C ox
)
W L
(
v GS
V t
)
v O
V DD r DS r DS
R D
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Polarização de Circuitos Amplificadores
Projeto de um amplificador É essencial estabelecer um ponto de operação (polarização) CC.
Ponto de operação: I D estável; V DS que mantenha o MOSFET na região de saturação para os níveis de sinal de entrada esperados.
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Polarização de Circuitos Amplificadores
Polarização por V GS fixo.
Abordagem mais direta.
Fixa V GS no valor necessário para prover o I D desejado.
V GS pode ser fixado por meio da fonte de alimentação V DD um divisor de tensão.
Não é uma boa estratégia!!
i D
1 2 (
n C ox
)
W L
(
V GS
V t
e ) 2 V t , C ox e W/L variam muito entre dispositivos ditos do mesmo tipo e tamanho. Além disso, V t e μ n dependem da temperatura.
Fixar V GS , torna I D muito dependente da temperatura.
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Polarização de Circuitos Amplificadores
Polarização por V G fonte.
fixo e resistência conectada na
V G
V GS
R I S D
• Basicamente, I D pelos valores de V G será determinada e R S .
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Polarização de Circuitos Amplificadores
Polarização por V G fonte.
fixo e resistência conectada na
Circuitos Práticos.
R G1 e R G2 devem ser elevados (MΩ) para garantir uma alta resistência de entrada.
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Polarização de Circuitos Amplificadores
Polarização por V G fonte.
fixo e resistência conectada na
Circuitos Práticos.
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Polarização de Circuitos Amplificadores
Polarização utilizando fonte de corrente constante.
Melhor forma de polarizar um MOSFET.
• R G garante uma resistência de entrada elevada.
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Polarização de Circuitos Amplificadores
Polarização utilizando fonte de corrente constante.
• Visto que o dreno e a porta de Q 1 estão em curto, Q 1 opera na região de saturação.
• Supondo modulação nula.
I D
1 1 2 (
n C ox
)
W L Q
1 (
V GS
V t
) 2
I D
1
I REF
V DD
V GS R
V SS
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Polarização de Circuitos Amplificadores
Polarização utilizando fonte de corrente constante.
• Observe que Q 2 tem o mesmo V GS Q 1 . Supondo que Q 2 I=I D2 será, que está na saturação,
I
I D
2 1 2 (
n C ox
)
W L
Q
2 (
V GS
V t
) 2
I
I REF
(
W L
)
Q
2 (
W L
)
Q
1 • Espelho de corrente.
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Operação em Pequenos Sinais e Modelos
Considere o circuito amplificador fonte comum.
• V GS Tensão CC de polarização.
• v gs Sinal de entrada a ser amplificado.
• v O Sinal de saída.
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Operação em Pequenos Sinais e Modelos
Ponto de polarização CC.
• Fazendo v gs = 0, obtemos I D e V D (V DS ) de polarização. Desprezando a modulação.
I D
1 2 (
n C ox
)
W L V D
V DD
R I D D
(
V GS
V t
) 2 • Para garantir a operação na saturação, devemos ter:
V D
V GS
V t
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Operação em Pequenos Sinais e Modelos
O sinal de corrente no terminal do dreno.
• A tensão instantânea porta-fonte será,
v GS
V GS
v gs
• A corrente de dreno instantânea total i D será,
i D
1 2 (
n C ox
)
W L
(
V GS
v gs
V t
) 2
i D
1 2 (
n C ox
)
W L I D
(
V GS
V t
) 2 (
n C ox
)
W
(
V GS
t L
Componente diretamente proporcional a v gs.
gs
1 2 (
n C ox
)
W L v gs
2 Distorção não-linear.
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Operação em Pequenos Sinais e Modelos
O sinal de corrente no terminal do dreno.
• Para reduzir a distorção não-linear, v gs deve ser pequeno tal que, 1 2 (
n C ox
)
W L v gs
2 • Resultando em, (
n C ox
)
W L v gs
(
V GS
t
2(
V GS
V t
)
gs
• Se essa condição para pequenos sinais for satisfeita, podemos desprezar o último termo de i D .
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Operação em Pequenos Sinais e Modelos
O sinal de corrente no terminal do dreno.
i D pode ser expresso por,
i D I D
i d
Onde:
i d
(
n C ox
)
W L
(
V GS
t gs
A transcondutância g m é derivada por,
g m
i d v gs
(
n C ox
)
W L
(
V GS
V t
)
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Operação em Pequenos Sinais e Modelos
O ganho de tensão - A v .
• A tensão de dreno instantânea total v D expressa por,
v D
V DD
R i D D
• Na condição de pequenos sinais, temos:
v D
V DD
D D
i d
)
v D
V D
R i D d
• Logo, a componente do sinal da tensão de dreno será dado por:
v d
i R d D
g v R m gs D A v
v d v gs
g R m D
é
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