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

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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. MOSFET:Amplificador e Chave. MOSFET como amplificador . A base desta aplicação  Região de saturação.

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transistor de efeito de campo mos mosfet parte ii

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

Jadsonlee da Silva Sá

[email protected]

www.univasf.edu.br/~jadsonlee.sa

mosfet amplificador e chave
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.
mosfet amplificador e chave1
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.
mosfet amplificador e chave2
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

mosfet amplificador e chave3
MOSFET:Amplificador e Chave.
  • Operação com grandes sinais – A característica de transferência.
    • A operação deste circuito é controlada pela relação iD-vDS:
mosfet amplificador e chave4
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.
mosfet amplificador e chave5
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

mosfet amplificador e chave6
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).

mosfet amplificador e chave7
MOSFET:Amplificador e Chave.
  • Expressões Analíticas: característica de transferência.
    • Segmento da região de saturação (AQB).
      • Substituindo iD em vO, obtemos:
mosfet amplificador e chave8
MOSFET:Amplificador e Chave.
  • Expressões Analíticas: característica de transferência.
    • Segmento da região de triodo (BC).
      • Substituindo iD em vO, obtemos.
mosfet amplificador e chave9
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,
mosfet amplificador e chave10
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.
mosfet amplificador e chave11
MOSFET:Amplificador e Chave.
  • Tarefa 1: resolvam o exemplo 4.8 do livro Sedra/Smith quinta edição.
polariza o de circuitos amplificadores
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.
polariza o de circuitos amplificadores1
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.
polariza o de circuitos amplificadores2
Polarização de Circuitos Amplificadores
  • Polarização por VG fixo e resistência conectada na fonte.
  • Basicamente, ID será determinada pelos valores de VG e RS.
polariza o de circuitos amplificadores3
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.

polariza o de circuitos amplificadores4
Polarização de Circuitos Amplificadores
  • Polarização por VG fixo e resistência conectada na fonte.
    • Circuitos Práticos.
polariza o de circuitos amplificadores5
Polarização de Circuitos Amplificadores
  • Tarefa 2: resolvam o exemplo 4.9 do livro Sedra/Smith quinta edição.
polariza o de circuitos amplificadores6
Polarização de Circuitos Amplificadores
  • Polarização Utilizando Fonte de Corrente Constante.
    • Melhor forma de polarizar um MOSFET.
  • RG garante uma resistência de entrada elevada.
polariza o de circuitos amplificadores7
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.
polariza o de circuitos amplificadores8
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.
opera o em pequenos sinais e modelos
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.
opera o em pequenos sinais e modelos1
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:
opera o em pequenos sinais e modelos2
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.

opera o em pequenos sinais e modelos3
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.
opera o em pequenos sinais e modelos4
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,
opera o em pequenos sinais e modelos5
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:
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