Transcript PSI 2223 – Introdução à Eletrônica Programação para a Terceira Prova.
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PSI 2223 – Introdução à Eletrônica
Programação para a Terceira Prova
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21ª Aula:
O MOSFET como Amplificador
Ao final desta aula você deverá estar apto a:
- Explicar a utilização do MOSFET como amplificador quando opera na
região de saturação
- Empregar o Modelo para pequenos sinais para calcular o ganho de
tensão em amplificadores como MOSFET
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Características de Corrente-Tensão do NMOSFET Tipo
Enriquecimento
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NMOSFET
• Região Triodo:
Equações de ID=f(VGS, VDS) de 1a Ordem
0< vDS vGS-Vt
Linear
Parabólica
iD
2
v DS
W
k n
v G S V t v D S
L
2
i D k n
v G S
L
• Região de Corte:
Vt
2
iD n C ox
W
L
rD S 1 n C o x
(v G S V t )v D S
W
L
(v G S V t )
0< vGS-Vt vDS
• Região de Saturação:
W
( se vDS << vGS-Vt )
2
onde
k n
μ n ε ox
x ox
vGS Vt ou vGS-Vt 0
μ n .C ox
iD=0
(Parâmetro de Transcondutância do processo [A/V2])
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Região de Saturação
VDS > VGS − Vt
Limiar entre triodo e saturação:
MOS saturado!
vDS = vGS - Vt
i D k n
NMOS
W
L
v G S
Vt
2
2
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Exemplo 4.4 Como operar em saturação?
Fazer
VDS ≥ VGS − Vt ou VGS ≤ VDS + Vt
[ vGS vDS +Vt ]
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Operando na Região de Saturação
carga passiva
v O v DS e v I v G S
V DD R D i D v DS i D
V DD
RD
1
RD
v DS
[ vGS vDS +Vt ]
i D k n
W
L
v G S
Vt
2
2
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Operando na Região de Saturação
carga passiva
[ vGS vDS +Vt ]
V DD
RD
iD
V DD
RD
1
RD
vo
vi
v DS
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Operando na Região de Saturação
v i v D S V t
(trio d o )
vI
V DD
RD
iD
v i e n tre V t e v D S V t
V DD
RD
(sa tu ra çã o )
vO
1
RD
v DS
vi Vt
vO
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O MOSFET como Amplificador
• Como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação
carga passiva
• Será que podemos analisar esse comportamento
matematicamente na região de saturação?
[ VGS VDS -Vt ]
i D k n
W v G S V t
L
i D I D id
v G S V G S v gs
2
2
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Região de Saturação: Modelo para grandes sinais
v GS V t
v DS v GS V t
i D k n
W
L
v G S
Vt
2
2
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Sofisticando o Modelo na Região de Saturação
v GS V t
v DS v GS V t
i D k n
VA
i D k n
W
v G S
L
2
W v G S V t
L
Vt
2
2
onde
2
(1 .v D S
1
VA
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Região de Saturação: Modelo para grandes sinais
Modelo de circuito equivalente para grandes sinais de
um NMOSFET operando em saturação incorporando r0
ro
1
I D
onde
1
VA
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O MOSFET como Amplificador
• Como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação
carga passiva
[ VGS VDS -Vt ]
i D k n
W
L
v G S
Vt
2
2
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O MOSFET como Amplificador
• Falamos que como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação
i D k n
gm
W
L
iD
v GS
v G S
k n .
v G S V G S
Vt
2
2
inclinação
(aproximação)
W
L
.(V G S V t )
i d g m v gs
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Modelos Equivalentes de Circuitos
ig
Grandes Sinais
gm
iDS
Pequenos Sinais
k n .
W
v GS
L
i d g m v gs
id
.(V G S V t )
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Modelos Equivalentes de Circuitos para
Pequenos Sinais
Pequenos Sinais
ig
gm
iDS
v GS
k n .
W
L
i d g m v gs
id
ig
.(V G S V t )
Pequenos Sinais com ro
ro
VA
ID
id
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Modelos Equivalentes de Circuitos para
Pequenos Sinais
v d g m v gs (R D / / ro / / R L )
Ganho de Tensão
AV
vd
v gs
g m ( R D // r o // R L )
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Até onde vale o Modelo Equivalente
para Pequenos Sinais?
vGS
2
iD
iD
1
2
k n
W
V G S V t k n
2
L
W (V G S v gs ) V t (saturação)
k n
L
2
W
L
>>
V G S V t v g s
1
2
k n
W
L
Pequenos Sinais!
1
2
k n
W
L
v g s k n
2
W
L
V G S
V t v gs
v gs 2 VG S Vt
v gs
2
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PSI 2223 – Introdução à Eletrônica
Programação para a Terceira Prova
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21ª Aula – Parte II:
O MOSFET como Amplificador II
Ao final desta aula você deverá estar apto a:
- Empregar o Modelo para pequenos sinais para calcular o ganho de
tensão em amplificadores como MOSFET
- Identificar a condição em que se considera um sinal como de
pequena amplitude
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Operando na Região de Saturação
carga passiva
[ VGS VDS -Vt ]
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Modelos Equivalentes de Circuitos para
Pequenos Sinais
Limite com o corte:
v G S V t i D k n
v D S m ax
W
(v G S
L
2
V D D (i D 0 )
Limite com o triodo:
v G S m ax v D S V t i D k n
iD
k n
W v DS
L
2
2
V DD v DS R D
'
RD
kñ W
2 L
Vt ) Vt
W
(v D S
L
0
Vt ) Vt
limite com o corte
2
0
2
e V DD v DS R D iD
2
W v DS
k n
L
2
v D S m in v D S m in V D D 0
2
2
limite com a triodo
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Modelos Equivalentes de Circuitos para
Pequenos Sinais
Pequenos Sinais!
v GS 2 V GS V t
gm
I DS
V GS
k n .
ro
Outras maneiras de expressar gm
gm
gm
2 k n .
W
2I D
V GS V t
L
. ID
W
L
VA
ID
.( V GS V t )
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Ex. 4.10: Amplificador MOSFET fonte comum empregando um resistor
de realimentação dreno-porta: Qual o ganho de tensão? Qual a
resistência de entrada? Qual o maior sinal possível na entrada?
Calcular POLARIZAÇÃO (= ID, VDS , VGS)
Calcular PEQ. SINAIS (= Av, Rin, Rout)
1
2
0, 25 (VGS 1, 5)
2
FET: I D
Reta de Carga: VD = 15 – RDID = 15 – 10ID
ID = 1,06 mA e VD(S) = VG(S) = 4,4 V
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O papel do resistor de realimentação RG
entre dreno e porta
Saturação: VDS > VGS − Vt
carga passiva
RG garante saturação, pois VDS = VGS !!!
FET: I D k n
Reta de Carga:
W V GS V t
L
2
2
VDS = VDD − RDID OU
VDD = VGS + RDID
ID mais constante
Se ID tende a aumentar, VGS diminui,
forçando ID a diminuir. E vice-versa
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Ex. 4.10: Qual o ganho de tensão?
iG ≈ 0
v o g m v gs ( R D / / R L / /r o )
vo
vi
g m ( R D / / R L / /r o )
0 , 725 (10 / /10 / / 47 ) 3 ,3V / V
gm k
n
W
L
(V GS V t )
0 , 25 ( 4 , 4 1,5 )
0 , 725 mA / V
ro
VA
ID
50
1, 06
47 k
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Ex. 4.10: Qual a resistência de entrada?
iG ≈ 0 mas não desconsideramos neste caso!!!
R in
ii
i i ( v i v o ) /R G
vi
vi
vo
1
ii
RG
v i
ii
ii
4 ,3 v i
RG
R in
10 M
4 ,3
vi
RG
1 ( 3,3 )
2 ,33 M
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Ex. 4.10: Qual o maior sinal possível na entrada?
Devemos manter o MOSFET na saturação:
vDS ≥ vGS − Vt
vDSmin = vGSmax − Vt
V DS A v v i V GS v i V t
4,4 3,3 v i 4,4 v i 1,5
v i 0,34V
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22ª Aula:
O MOSFET como Amplificador II
Ao final desta aula você deverá estar apto a:
- Identificar as configurações básicas de amplificadores MOSFET
empregados em Circuitos Integrados
- Explicar a necessidade de polarizar para ID constante
- Determinar o ganho de tensão nas configurações fonte comum,
porta comum e dreno comum
PSI 2223 – Introdução à Eletrônica
Programação para a Terceira Prova
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21ª Aula:
O MOSFET como Amplificador
Ao final desta aula você deverá estar apto a:
- Explicar a utilização do MOSFET como amplificador quando opera na
região de saturação
- Empregar o Modelo para pequenos sinais para calcular o ganho de
tensão em amplificadores como MOSFET
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Características de Corrente-Tensão do NMOSFET Tipo
Enriquecimento
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NMOSFET
• Região Triodo:
Equações de ID=f(VGS, VDS) de 1a Ordem
0< vDS vGS-Vt
Linear
Parabólica
iD
2
v DS
W
k n
v G S V t v D S
L
2
i D k n
v G S
L
• Região de Corte:
Vt
2
iD n C ox
W
L
rD S 1 n C o x
(v G S V t )v D S
W
L
(v G S V t )
0< vGS-Vt vDS
• Região de Saturação:
W
( se vDS << vGS-Vt )
2
onde
k n
μ n ε ox
x ox
vGS Vt ou vGS-Vt 0
μ n .C ox
iD=0
(Parâmetro de Transcondutância do processo [A/V2])
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Região de Saturação
VDS > VGS − Vt
Limiar entre triodo e saturação:
MOS saturado!
vDS = vGS - Vt
i D k n
NMOS
W
L
v G S
Vt
2
2
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Exemplo 4.4 Como operar em saturação?
Fazer
VDS ≥ VGS − Vt ou VGS ≤ VDS + Vt
[ vGS vDS +Vt ]
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Operando na Região de Saturação
carga passiva
v O v DS e v I v G S
V DD R D i D v DS i D
V DD
RD
1
RD
v DS
[ vGS vDS +Vt ]
i D k n
W
L
v G S
Vt
2
2
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Operando na Região de Saturação
carga passiva
[ vGS vDS +Vt ]
V DD
RD
iD
V DD
RD
1
RD
vo
vi
v DS
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Operando na Região de Saturação
v i v D S V t
(trio d o )
vI
V DD
RD
iD
v i e n tre V t e v D S V t
V DD
RD
(sa tu ra çã o )
vO
1
RD
v DS
vi Vt
vO
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O MOSFET como Amplificador
• Como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação
carga passiva
• Será que podemos analisar esse comportamento
matematicamente na região de saturação?
[ VGS VDS -Vt ]
i D k n
W v G S V t
L
i D I D id
v G S V G S v gs
2
2
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Região de Saturação: Modelo para grandes sinais
v GS V t
v DS v GS V t
i D k n
W
L
v G S
Vt
2
2
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Sofisticando o Modelo na Região de Saturação
v GS V t
v DS v GS V t
i D k n
VA
i D k n
W
v G S
L
2
W v G S V t
L
Vt
2
2
onde
2
(1 .v D S
1
VA
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Região de Saturação: Modelo para grandes sinais
Modelo de circuito equivalente para grandes sinais de
um NMOSFET operando em saturação incorporando r0
ro
1
I D
onde
1
VA
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O MOSFET como Amplificador
• Como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação
carga passiva
[ VGS VDS -Vt ]
i D k n
W
L
v G S
Vt
2
2
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O MOSFET como Amplificador
• Falamos que como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação
i D k n
gm
W
L
iD
v GS
v G S
k n .
v G S V G S
Vt
2
2
inclinação
(aproximação)
W
L
.(V G S V t )
i d g m v gs
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Modelos Equivalentes de Circuitos
ig
Grandes Sinais
gm
iDS
Pequenos Sinais
k n .
W
v GS
L
i d g m v gs
id
.(V G S V t )
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Modelos Equivalentes de Circuitos para
Pequenos Sinais
Pequenos Sinais
ig
gm
iDS
v GS
k n .
W
L
i d g m v gs
id
ig
.(V G S V t )
Pequenos Sinais com ro
ro
VA
ID
id
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Modelos Equivalentes de Circuitos para
Pequenos Sinais
v d g m v gs (R D / / ro / / R L )
Ganho de Tensão
AV
vd
v gs
g m ( R D // r o // R L )
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Até onde vale o Modelo Equivalente
para Pequenos Sinais?
vGS
2
iD
iD
1
2
k n
W
V G S V t k n
2
L
W (V G S v gs ) V t (saturação)
k n
L
2
W
L
>>
V G S V t v g s
1
2
k n
W
L
Pequenos Sinais!
1
2
k n
W
L
v g s k n
2
W
L
V G S
V t v gs
v gs 2 VG S Vt
v gs
2
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PSI 2223 – Introdução à Eletrônica
Programação para a Terceira Prova
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21ª Aula – Parte II:
O MOSFET como Amplificador II
Ao final desta aula você deverá estar apto a:
- Empregar o Modelo para pequenos sinais para calcular o ganho de
tensão em amplificadores como MOSFET
- Identificar a condição em que se considera um sinal como de
pequena amplitude
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Operando na Região de Saturação
carga passiva
[ VGS VDS -Vt ]
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Modelos Equivalentes de Circuitos para
Pequenos Sinais
Limite com o corte:
v G S V t i D k n
v D S m ax
W
(v G S
L
2
V D D (i D 0 )
Limite com o triodo:
v G S m ax v D S V t i D k n
iD
k n
W v DS
L
2
2
V DD v DS R D
'
RD
kñ W
2 L
Vt ) Vt
W
(v D S
L
0
Vt ) Vt
limite com o corte
2
0
2
e V DD v DS R D iD
2
W v DS
k n
L
2
v D S m in v D S m in V D D 0
2
2
limite com a triodo
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Modelos Equivalentes de Circuitos para
Pequenos Sinais
Pequenos Sinais!
v GS 2 V GS V t
gm
I DS
V GS
k n .
ro
Outras maneiras de expressar gm
gm
gm
2 k n .
W
2I D
V GS V t
L
. ID
W
L
VA
ID
.( V GS V t )
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Ex. 4.10: Amplificador MOSFET fonte comum empregando um resistor
de realimentação dreno-porta: Qual o ganho de tensão? Qual a
resistência de entrada? Qual o maior sinal possível na entrada?
Calcular POLARIZAÇÃO (= ID, VDS , VGS)
Calcular PEQ. SINAIS (= Av, Rin, Rout)
1
2
0, 25 (VGS 1, 5)
2
FET: I D
Reta de Carga: VD = 15 – RDID = 15 – 10ID
ID = 1,06 mA e VD(S) = VG(S) = 4,4 V
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O papel do resistor de realimentação RG
entre dreno e porta
Saturação: VDS > VGS − Vt
carga passiva
RG garante saturação, pois VDS = VGS !!!
FET: I D k n
Reta de Carga:
W V GS V t
L
2
2
VDS = VDD − RDID OU
VDD = VGS + RDID
ID mais constante
Se ID tende a aumentar, VGS diminui,
forçando ID a diminuir. E vice-versa
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Ex. 4.10: Qual o ganho de tensão?
iG ≈ 0
v o g m v gs ( R D / / R L / /r o )
vo
vi
g m ( R D / / R L / /r o )
0 , 725 (10 / /10 / / 47 ) 3 ,3V / V
gm k
n
W
L
(V GS V t )
0 , 25 ( 4 , 4 1,5 )
0 , 725 mA / V
ro
VA
ID
50
1, 06
47 k
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Ex. 4.10: Qual a resistência de entrada?
iG ≈ 0 mas não desconsideramos neste caso!!!
R in
ii
i i ( v i v o ) /R G
vi
vi
vo
1
ii
RG
v i
ii
ii
4 ,3 v i
RG
R in
10 M
4 ,3
vi
RG
1 ( 3,3 )
2 ,33 M
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Ex. 4.10: Qual o maior sinal possível na entrada?
Devemos manter o MOSFET na saturação:
vDS ≥ vGS − Vt
vDSmin = vGSmax − Vt
V DS A v v i V GS v i V t
4,4 3,3 v i 4,4 v i 1,5
v i 0,34V
Slide 30
22ª Aula:
O MOSFET como Amplificador II
Ao final desta aula você deverá estar apto a:
- Identificar as configurações básicas de amplificadores MOSFET
empregados em Circuitos Integrados
- Explicar a necessidade de polarizar para ID constante
- Determinar o ganho de tensão nas configurações fonte comum,
porta comum e dreno comum