Eletrônica II. Germano Maioli Penello. II _

Transcrição

1 Eletrônica II Germano Maioli Penello II _ html 07/04/2015 1

2 Pauta (T3 e T4) BRUNO SILVEIRA KRAUSE CAIO ROSCELLY BARROS FAGUNDES CAROLINA LAUREANO DA SILVA GABRIELLE CRISTINA DE SOUZA SILVA GUTEMBERG CARNEIRO NUNES HARLAN FERREIRA DE ALMEIDA HERNAN DE ALMEIDA PONTIGO LEONARDO RICARDO BERNARDES DA CONCEIçãO LUCAS MUNIZ TAUIL NAYARA VILLELA DE OLIVEIRA Danilo Calderoni Felipe Almeida ANA CAROLINA FRANCO ALVES BRUNO STRZODA AMBROSIO FERNANDO DE OLIVEIRA LIMA GISELE SILVA DE CARVALHO HAZIEL GOMES DA FONSECA HENRIQUE DE SOUZA SANTANA HUGO CARDOZO DA SILVA IURI COSTA MACHADO DOS SANTOS JESSICA BARBOSA DE SOUZA LEONARDO MOIZINHO PINHEIRO Tamyres Botelho 2

3 Pauta (T5 e T6) ALINE DAMM DA SILVA FALCAO BERNARDO CARVALHO SILVA SANTOS FABRICIO BICHARA MOREIRA JOAO CARLOS GONCALVES MARTINHO JéSSICA RIBEIRO VENTURA LUCAS VENTURA ROMANO MATEUS LOPES FIGUEIREDO MONIQUE SOARES DE MORAES NATHALIA CRISTINA AZEVEDO VALADAO DE JESUS RENATO DOS SANTOS FREITAS JUNIOR VICTOR ARAUJO MARCONI VINICIUS PEIXOTO MEDINA CLAREANA RANGEL DE OLIVEIRA DANIEL DE SOUZA PESSOA GUSTAVO OGG FERREIRA MORENO TAVARES ISRAEL BATISTA DOS SANTOS LEONARDO DA SILVA AMARAL LUCIANA DE FREITAS MONTEIRO MARCOS VINICIUS PAIS BORSOI MARISOL BARROS DE ALMEIDA RICARDO ALVES BARRETO WALBER LEMOS DOS SANTOS

4 Revisão aula passada É comum ter situações temos um sinal de baixa intensidade (µv ou mv). O processamento desses sinais seria muito mais simples se a intensidade fosse maior. Este é um dos exemplos da necessidade de se desenvolver circuitos amplificadores. 4

5 Amplificador - linearidade A = 1 (inclinação da reta) Distorções não lineares v 0 (t) = A v i (t) + B v i (t) 2 + C v i (t) 3 + 5

6 Modelo de circuito Independente da complexidade do amplificador, podemos modelar o seu funcionamento olhando apenas para os terminais de entrada e saída.? 6

7 Parâmetros importantes Resistência (impedância) de entrada Resistência (impedância) de saída Ganho do amplificador 7

8 Modelo de circuito Independente da complexidade do amplificador, podemos modelar o funcionamento do amplificador olhando apenas para seus terminais de entrada e saída. Ganho total de tensão 8

9 Cascata de amplificadores Idealmente, só precisamos de um amplificador perfeito. Alto ganho, alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Não é possível projetar um amplificador ideal! As impedâncias de entrada, de saída e o ganho de um amplificador são correlacionados. Precisamos acoplar diversos amplificadores para otimizar o circuito final. 9

10 Largura de banda Se medirmos a função de transferência em função de ω, obtemos o gráfico abaixo: Resposta em amplitude do amplificador Largura de banda é definida como a faixa de frequência em que a resposta em amplitude é constante dentro de 3 db (~0.707). 10

11 Classificação de amplificadores Baseado apenas na largura de banda Acoplado capacitivamente (amplificador AC) Diretamente acoplado (amplificador DC) Passa-banda (filtro passa-banda) 11

12 Transistores Dispositivo de 3 terminais muito mais versáteis que o diodo (dispositivo de 2 terminais). Podem ser usados tanto em amplificação de sinal como em lógica digital e memória. Ex. de aplicação: controlar a corrente que passa por dois terminais a partir de uma tensão em outro terminal (fonte de corrente controlada por tensão) 12

13 Transistores Dispositivo de 3 terminais muito mais versáteis que o diodo (dispositivo de 2 terminais). Podem ser usados em amplificação de sinal a lógica digital e memória. Ex. de aplicação: controlar a corrente que passa por dois terminais a partir de uma tensão em outro terminal (fonte de corrente controlada por tensão) Chaveamento - sinal de controle faz com que a corrente varie entre zero e um valor elevado, como uma chave que liga e desliga o circuito. Amplificação sinal de controle (baixa intensidade) gera uma corrente de maior intensidade que reproduz o próprio sinal de controle (Amplificação linear). 13

14 Transistores Dois tipos principais: Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) Transistor bipolar de junção (BJT)

15 Transistores Dois tipos principais: Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) Transistor de junção bipolar de junção (BJT) O MOSFET se tornou muito mais utilizado que o BJT em circuitos eletrônicos, especialmente em projetos de circuitos integrados (ex. Microprocessadores). Comparado ao BJT, o MOSFET pode ser fabricado em dimensões reduzidas e o seu processo de manufatura é relativamente simples (Curso de microeletrônica). Opera comparativamente em baixa potência e pode ser utilizado tanto em circuitos analógicos quanto digitais. Cada processador atualmente contém da ordem de 2.5 bilhões de transistores! O MOSFET é um dos dispositivos mais fabricado na história raça humana. 15

16 MOSFET 16

17 MOSFET Atualmente, não se utiliza mais metal na porta do MOSFET. O Acrônimo não é precisamente correto! Um melhor acrônimo utilizado é IGFET (FET de porta isolada). Não nos preocuparemos com este detalhe ao longo do curso, utilizaremos o nome MOSFET tendo isto em mente. Note no desenho anterior que o MOSFET é um dispositivo de 4 terminais! Ao conectar o terminal corpo no terminal fonte, fazemos com que as junções pn com o substrato não influenciem o funcionamento do dispositivo e, assim, podemos analisar o MOSFET como um dispositivo de 3 terminais. Tensão aplicada na porta controla o fluxo de corrente entre a fonte e o dreno. As dimensões de largura (W) e comprimento (L) são importantes para denominar MOSFETs de canal curto ou longo. Analisaremos neste curso, MOSFETs de canal longo. 17

18 MOSFET - funcionamento 18

19 MOSFET - funcionamento Observe os seguintes pontos no aplicativo anterior (MOSFET de canal n ou NMOS): Tensão de gatilho (threshold voltage) Tensão overdrive Camada de inversão (canal-n) Relação entre i DS e v GS Relação entre i D e v DS Tipo intensificação 19

20 MOSFET - funcionamento Observe os seguintes pontos no aplicativo anterior (MOSFET de canal n ou NMOS): Tensão de gatilho (threshold voltage) Tensão overdrive Camada de inversão (canal-n) Relação entre i DS e v GS Relação entre i D e v DS Tipo intensificação Baixov DS relação linear Alto v DS saturação 20

21 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? 21

22 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de v DS 22

23 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de v DS Relação linear entre v DS e i D 23

24 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de v DS Depende de como o MOSFET foi construído! Óxido utilizado Mobilidade do elétron Razão entre largura e comprimento do canal Parâmetro de transcondutância do processo k n = µ n C ox Parâmetro de transcondutância do MOSFET k n = (µ n C ox )(W/L) 24

25 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de v DS k n = (µ n C ox )(W/L) 25

26 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? A medida quev DS aumenta i D é relacionado com v DS com um termo linear e um termo parabólico com concavidade para baixo. 26

27 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? v DS V OV i D independe de v DS (isto é uma primeira aproximação, veremos mais adiante que existe uma pequena relação entre eles) 27

28 MOSFET - funcionamento Com esta análise, começamos a entender o funcionamento do MOSFET 28

29 PMOS Faça a análise do PMOS 29

30 CMOS Com o avanço da tecnologia, conseguiu-se fabricar dispositivos NMOS e PMOS em um mesmo substrato. A esta tecnologia, damos o nome de CMOS (MOS complementar). 30

31 Símbolo de circuito Dreno Fonte Porta Porta Fonte MOSFET de canal n (Tipo intensificação) Dreno MOSFET de canal p (Tipo intensificação) 31

32 Símbolo de circuito Espaço indica o isolamento (óxido) na porta Seta indica a direção da corrente convencional (elétrons no sentido contrário) 32

33 Canal n características IxV 33

34 Canal n características IxV Repetiremos aqui a mesma análise feita anteriormente. 34

35 Canal n características IxV?? 35

36 Canal n características IxV 36

37 Canal n características IxV 37

38 Canal n características IxV (Trido) (saturação) 38

39 Canal n características IxV (Trido) Equivalentes (saturação) 39

40 Canal n características IxV (Trido) Equivalentes (saturação) 40

41 Canal n características IxV (Trido) Equivalentes (saturação) Equivalentes 41

42 Canal n características IxV (Trido) Equivalentes (saturação) Equivalentes 42

43 Canal n características IxV 43

44 MOSFET modelo de circuito equivalente Na região ativa, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão Por quei G = 0? Este ainda não é o melhor modelo! Veremos adiante um modelo um pouco melhor. 44

45 MOSFET melhor aproximação na região de saturação Na realidade, a correntei D dpende de v DS na região de saturação i D = v DS / r o 45

46 MOSFET melhor aproximação na região de saturação Correntei D dpende de v DS i D = v DS / r o Este fenômeno é explicado pela modulação do comprimento do canal. Ele depende da tecnologia de processamento e é proporcional ao comprimento de canal (L) do MOSFET. r o é chamado de resistência de saída. 46

47 MOSFET modelo de circuito equivalente Na região ativa, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão No caso ideal, r o (Se r o voltamos exatamente ao modelo proposto no slide 45 ) 47

48 MOSFET - amplificador Para ser usado como amplificador, o MOSFET deve operar na região de saturação. Desta maneira, ele opera como uma fonte de corrente constante com o valor da corrente determinado porv GS (independe de v DS ) 48

49 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 49

50 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 1º passo: Determinar R D 2º passo: Determinar a região de operação do MOSFET. Triodo ou saturação? V DS maior ou menor que V OV? Ou de forma equivalente, V GD maior ou menor que V t? 3º passo: usar a equação que relacionai D com V OV ou V DS dependendo da região. 4º passo: calcular R s 50

51 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 51

52 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 52

53 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 53

54 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 54

55 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 55

56 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 56

57 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 57

58 Exemplo 1 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com I D = 0.4 ma e V D = 0.5V. Características do transistor: V t = 0.7V, k = 100 µa/v 2, L = 1µm e W = 32 µm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0) 58

59 Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com I D = 0.5 ma e V D = 3.0V. Características do transistor: V t = -1V, k (W/L) = 1 ma/v 2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? 59

60 Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com I D = 0.5 ma e V D = 3.0V. Características do transistor: V t = -1V, k (W/L) = 1 ma/v 2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? 1º passo: usar a equação que relacionai D com V OV. 2º passo: calcular V SG 3º passo: Calcular R D 4º passo: determinar R G1 e R G2 60

61 Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com I D = 0.5 ma e V D = 3.0V. Características do transistor: V t = -1V, k (W/L) = 1 ma/v 2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? 61

62 Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com I D = 0.5 ma e V D = 3.0V. Características do transistor: V t = -1V, k (W/L) = 1 ma/v 2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? 62

63 Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com I D = 0.5 ma e V D = 3.0V. Características do transistor: V t = -1V, k (W/L) = 1 ma/v 2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? R G1 e R G2 agem como um divisor de tensão para V DD. Podemos escolher qualquer valor de resistência que diminua a tensão de porta para 3V. 63

64 Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com I D = 0.5 ma e V D = 3.0V. Características do transistor: V t = -1V, k (W/L) = 1 ma/v 2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? 64

65 Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com I D = 0.5 ma e V D = 3.0V. Características do transistor: V t = -1V, k (W/L) = 1 ma/v 2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? A saturação é mantida quando V DG < V t. Caso V D V G > V t, estamos fora da região de saturação. 65

66 Exemplo 2 Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com I D = 0.5 ma e V D = 3.0V. Características do transistor: V t = -1V, k (W/L) = 1 ma/v 2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (λ=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? A saturação é mantida quando V DG < V t. Caso V D V G > V t, estamos fora da região de saturação. R D não pode ser maior que 8kΩ. 66