Aula 15 - Univasf

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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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