Eletrônica II. Germano Maioli Penello. II _ html.

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1 Eletrônica II Germano Maioli Penello II _ html Aula 06 1

2 Revisão: MOSFET como amplificador Na saturação, o MOSFET funciona como uma fonte de corrente controlada por tensão. A tensão v GS controla a corrente i D Por isso criamos um modelo de circuito equivalente Modelo de grandes sinais (large-signal equivalent circuit model) 2

3 MOSFET como amplificador Na saturação, o MOSFET funciona como uma fonte de corrente controlada por tensão. A tensão v GS controla a corrente i D Uma fonte de corrente controlada por tensão pode ser utilizada para construir um amplificador de transimpedância (entrada tensão; saída corrente). Estamos interessados em construir um amplificador de tensão com o MOSFET. Como podemos fazê-lo? 3

4 Polarizando o MOSFET Lembrem-se que desejamos um amplificador linear! Onde é um bom ponto para ter um amplificador linear neste gráfico? 4

5 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC Valor instantâneo Tensão DC Tensão AC Note bem a nomenclatura! 5

6 Sinal AC Superpondo um sinal AC ao sinal DC Quanto menor for o sinal ac, melhor é a linearidade! Se o sinal AC for grande, saímos da região linear! 6

7 Aproximação de sinal pequeno Vimos que se o sinal AC for de baixa intensidade, conseguiremos criar um amplificador linear! v ds = A v v gs Onde o A v é o fator de proporcionalidade entre os sinais. Matematicamente falando, Reta tangente no ponto Q Ganho é negativo! Era de se esperar pela inclinação da reta. 7

8 Aproximação de sinal pequeno Lembrando: A corrente DC no dreno é dada por Rearrumando os termos: A maior ddp no resistor é V DD, portanto o ganho máximo é 8

9 VTC (análise gráfica) VTC característica de transferência de tensão 9

10 Ponto quiescente O ponto quiescente é determinado pelo valor de V GS e de R D Como determinar um bom valor para R D? Olhando a reta de carga Q 1 muito próximo de VDD Q 2 muito próximo da região de triodo Esses pontos não permitem boa varredura de v ds 10

11 Sinais pequenos Vamos agora ver em mais detalhes a operação em sinais pequenos Ponto de operação DC (desprezando modulação de comprimento de canal - l=0) Para garantir operação na região de saturação: 11

12 Sinais pequenos Para reduzir as distorções não lineares o sinal deve ser mantido pequeno Matematicamente falando: Rearrumanto os termos: Equivalentes: 12

13 Sinais pequenos O parâmetro que relaciona i d com v gs é chamado de transcondutância do MOSFET g m Análise gráfica: 13

14 Sinais pequenos Dentro da aproximação de sinais pequenos Relação linear entre v ds e v gs O ganho de tensão do sinal é Substituindo (consulte slide 56) Mesmo resultado obtido anteriormente (slide 37) 14

15 Determinar V OV Determinar I D (saturação) Determinar V DS V DS > V OV? (conferir se está mesmo na saturação!) Calcular A V 15

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22 Comparar V OV com V DS para deteminar quando o MOSFET sai da saturação. Com o ganho, relacionar o sinal máximo de saída com o sinal máximo de entrada. 22

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24 Primeira aproximação! 24

25 Primeira aproximação! Aproximação de sinais pequenos é válida! 25

26 Primeira aproximação! Atenção! Nesta análise que acabamos de fazer, consideramos que apenas v ds varia. Isto não é rigorosamente correto! V GS e v DS variam ao mesmo tempo, enquanto v GS aumenta, v DS diminui (lembre-se que o ganho é negativo). 26

27 Condição de saturação! 27

28 Condição de saturação! Ela tem que valer para todo instante! 28

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31 Resultado mais correto que o anterior! 31

32 Resumo da aula passada Na aula passada, mostramos que na condição de sinais pequenos podemos separar a análise DC da análise do sinal Em resumo, uma vez que o ponto de operação DC é calculado, podemos fazer a análise do sinal ignorando as quantidades DC. 32

33 Resumo da aula passada 33

34 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Na região de saturação, o MOSFET se comporta como uma fonte de corrente controlada por tensão. Válida a todo instante! Na aproximação de sinal pequeno, a tensão entre o a porta e a fonte v gs gera uma corrente entre o dreno e a fonte, g m v gs Note que estamos falando apenas do sinal AC Note como o modelo representa exatamente este funcionamento 34

35 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido Na análise de sinais pequenos, o transistor pode ser substituído por este modelo de circuito, facilitando a análise. 35

36 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido Na análise de sinais pequenos, o transistor pode ser substituído por este modelo de circuito, facilitando a análise. Mas vimos que depois de analisar o ponto de operação DC, apenas nos preocupamos com o sinal AC. Por isto, as fontes de tensões DC ideias são substituídas por curto circuitos. 36

37 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido Na análise de sinais pequenos, o transistor pode ser substituído por este modelo de circuito, facilitando a análise. Mas vimos que depois de analisar o ponto de operação DC, apenas nos preocupamos com o sinal. Por isto, as fontes de tensões DC ideias são substituídas por curto circuitos. E caso haja fontes de corrente DC? O que fazer com elas? 37

38 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido Na análise de sinais pequenos, o transistor pode ser substituído por este modelo de circuito, facilitando a análise. A corrente de sinal de uma fonte de corrente DC será sempre zero (a corrente não varia no tempo!). Uma fonte de corrente constante DC é substituída por um circuito aberto. 38

39 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido Ao fazer a análise do sinal na aproximação de pequenos sinais: substituímos o transistor pelo modelo de pequenos sinais curto circuitamos as fontes de tensão removemos as fontes de corrente deixando um circuito aberto. 39

40 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido O modelo ideal do MOSFET considera que a corrente de saturação não depende de v DS. Sabemos que isto não é verdade! Uma aproximação melhor modela o MOSFET com uma resistência finita r o entre o dreno e a fonte. Ideal r o = Real r o = finito 40

41 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido O modelo ideal do MOSFET considera que a corrente de saturação não depende de v DS. Sabemos que isto não é verdade! Uma aproximação melhor modela o MOSFET com uma resistência finita r o entre o dreno e a fonte.? Como substituir no modelo de pequenos sinais uma resistência r o? 41

42 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido O modelo ideal do MOSFET considera que a corrente de saturação não depende de v DS. Sabemos que isto não é verdade! Uma aproximação melhor modela o MOSFET com uma resistência finita r o entre o dreno e a fonte. Lembrando: Esta resistência aparece por causa do efeito de modulação de comprimento de canal (l = 0 r o = ; l 0 r o = finito) 42

43 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo p-híbrido Tipicamente r o = 10 kw a 1000 kw Para l=0: 43

44 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T 44

45 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T 45

46 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T 46

47 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T 47

48 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T Por simplicidade, omitimos r o. Ele pode novamente ser adicionado entre a fonte e o dreno. 48

49 Modelo de circuito equivalente para pequenos sinais Modelo T Por simplicidade, omitimos r o. Ele pode novamente ser adicionado entre a fonte e o dreno. 49

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51 1º análise DC. Qual o circuito? 2º análise de sinal. Qual o circuito? Qual o modelo que utilizaremos? 51

52 1º análise DC. Qual o circuito? Capacitores bloqueiam sinais DC, se comportando como uma chave aberta. 52

53 1º análise DC. Qual o circuito? 53

54 1º análise DC. 54

55 1º análise DC. 55

56 1º análise DC. 56

57 1º análise DC. Eq. quadrática para I D. Soluções: 1,06mA e 1,72mA 57

58 1º análise DC. Eq. quadrática para I D. Soluções: 1,06mA e 1,72mA 58

59 1º análise DC. Por que desprezamos a solução I D = 1,72mA? 59

60 1º análise DC. Por que desprezamos a solução I D = 1,72mA? Solução fisicamente em sentido! Queda de tensão no resistor maior que V DD 60

61 1º análise DC. 61

62 1º análise DC. 62

63 2º análise do sinal. Modelo p-hibrido ou modelo T? 63

64 2º análise do sinal. Modelo p-hibrido ou modelo T? Qualquer um dos ois pode ser usado. Neste caso usaremos o p-híbrido. Por quê? 64

65 2º análise do sinal. Substituir o MOSFET pelo modelo 65

66 2º análise do sinal. O que acontece com as fontes DC? 66

67 2º análise do sinal. 67

68 2º análise do sinal. O que acontece com as capacitâncias? 68

69 2º análise do sinal. Idealização! 69

70 Circuito equivalente para pequenos sinais 70

71 2º análise do sinal. 71

72 2º análise do sinal. 72

73 2º análise do sinal. 73

74 2º análise do sinal. Agora temos todos os valores para simplificar o circuito ainda mais. 3 resistências em paralelo. 74

75 2º análise do sinal. O que desejamos determinar neste circuito? 75

76 2º análise do sinal. 76

77 2º análise do sinal. 77

78 2º análise do sinal. 78

79 2º análise do sinal. 79

80 2º análise do sinal. 80

81 2º análise do sinal. 81

82 2º análise do sinal. 82

83 2º análise do sinal. 83

84 2º análise do sinal. 84