Eletrônica II. Germano Maioli Penello. II _ html.

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1 Eletrônica II Germano Maioli Penello II _ html Aula 10 1

2 Polarização de transistores A polarização serve para definir a corrente I D estável e garantir uma tensão V DS que mantenha o transistor em saturação para todos os sinais esperados na entrada. Nesta aula, veremos diferentes maneiras de polarizar um transistor. 2

3 Polarização com V GS fixo Sabendo que Uma primeira maneira de polarizar o transistor seria fixando o valor de V GS Com isso, fixamos a corrente que passa entre o dreno e a fonte do transistor. É uma boa idéia? 3

4 Polarização com V GS fixo Sabendo que Uma primeira maneira de polarizar o transistor seria fixando o valor de V GS Com isso, fixamos a corrente que passa entre o dreno e a fonte do transistor. Os valores de m n, C ox, V t e W/L variam significativamente em componentes discretos. O mesmo fabricante pode produzir o mesmo componente com valores diferentes. 4

5 Polarização com V G fixo e com R s Esta é uma excelente alternativa de polarização. Se V G é muito maior que V GS, a corrente I D é majoritariamente determinada pelos valores de V G e R S. Para melhorar, R S fornece uma realimentação negativa, estabilizando I D. I D V GS (estamos fixando V G ) I D Variação repentina de I D faz com que I D tente voltar à situação de equilíbrio Dispositivos diferentes têm I D similares 5

6 Polarização com V G fixo e com R s Implementação prática Com apenas uma fonte de tensão (com o capacitor acoplando o sinal) Com duas fontes de tensão (sem o capacitor acoplando o sinal) Por realimentar o sistema negativamente, o resistor R S é chamado de resistência de degeneração 6

7 Polarização com resistor entre o dreno e a porta Esta é uma maneira simples e eficiente de polarizar o transistor (R G ~ MW) V GS = V DS (lembre-se que I G = 0) Similar à equação do slide 15 ( ) Realimentação negativa! Se a corrente I D aumenta por algum motivo, V GS diminui. Se V GS diminui, a corrente I D diminui. 7

8 Polarização com uma fonte de corrente constante Esta é a maneira mais eficaz de polarizar um transitor. R G (~MW) é usado como um aterramento DC e apresenta uma alta resistência ao sinal de entrada acoplado capacitivamente à porta. R D estabelece a tensão no dreno que determina a varredura do sinal de saída mantendo o transistor na saturação. 8

9 Polarização com uma fonte de corrente constante Como construir uma fonte de corrente constante? Q 2 tem o mesmo V GS de Q 1. Considerando que ele está na saturação: A corrente I é a corrente constante desejada. A corrente I está relacionada com I REF pela razão de aspecto dos transistores. Este circuito é chamado de espelho de corrente. Muito usado em projetos MOS de CI. 9

10 Polarização com uma fonte de corrente constante 10

11 Polarização com uma fonte de corrente constante 11

12 Amplificadores com MOSFETs Circuitos de componentes discretos Agora analisaremos circuitos completos de amplificadores com componentes discretos MOS. É importante ressaltar que os MOSFETs são utilizados majoritariamente em circuitos integrados, não em circuitos discretos. 12

13 Circuitos completos Até o momento no curso, analisamos separadamente o circuito DC com MOSFET. Depois, analisamos a simplificação dos circuitos dentro da aproximação de sinal pequeno. Por fim, mostramos os circuitos de polarização. Agora, apresentaremos os circuitos completos dos amplificadores. 13

14 Amplificador de fonte comum Circuito completo de um amplificador de fonte comum utilizando polarização com corrente constante. Agora já temos todas as ferramentas para analisar este circuito. 14

15 Amplificador de fonte comum Acabamos de fazer a análise DC deste circuito! Agora faremos a análise o sinal. Qual o modelo a se utilizar? 15

16 Amplificador de fonte comum R o = R D r o Ganho negativo Divisor de tensão na entrada Divisor de corrente na saída 16

17 Amplificador de fonte comum com R s A diferença é que agora incluímos R s no circuito anterior. 17

18 Amplificador de fonte comum com R s Já analisamos este circuito anteriormente (aula 08). A única diferença é que ele agora tem a resistência R G. Isto muda a resistência de entrada R in (R in = R G ) e altera o ganho de tensão total. 18

19 Amplificador de porta comum Qual o circuito DC a ser analisado? Qual o modelo de circuito de pequenos sinais que utilizamos? 19

20 Amplificador de porta comum Exatamente o mesmo resultado que obtivemos na aula 09! Confira. 20

21 Amplificador de dreno comum 21

22 Amplificador de dreno comum Seguidor de tensão Agora existe R G na entrada. R in não é mais infinita afetando o ganho de tensão total. 22

23 Efeitos não considerados Na nossa análise do MOSFET feita até agora, desprezamos diversos efeitos considerados secundários. Analisaremos a partir de agora alguns desses efeitos. A importância da conexão ao corpo do substrato Efeitos de temperatura Breakdown - ruptura Saturação da velocidade Discutimos também apenas o MOSFET tipo intensificação. No fim, apresentaremos o MOSFET tipo depleção. 23

24 Corpo do substrato O MOSFET é um dispositivo de 4 terminais, mas normalmente, o corpo do substrato é conectado à fonte, fazendo assim com que ele seja um dispositivo de 3 terminais. Note que B e S têm no mesmo potencial. 24

25 Corpo do substrato Isto é feito para que a junção pn entre o canal e o substrato não vire um diodo diretamente polarizado. Com isto, o substrato não afeta a operação do circuito e ele pode ser ignorado na análise (esta é a análise que fazemos em dispositivos discretos). Em circuitos integrados, o corpo do substrato é conectado à fonte de tensão mais negativa em um circuito NMOS (positiva em um PMOS). Isto causa o aparecimento de uma ddp entre S e B (V SB ) de alguns MOSFETs 25

26 Corpo do substrato Se existir V BS negativo (V B <V S ), o canal reduz de tamanho (aumento da depleção). Para voltar à situação anterior, v GS tem que aumentar. No fundo, percebemos que o aparecimento de V BS faz com que alteremos a tensão de threshold (V t ) do transistor. V t0 é igual a V t com V SB = 0 2f f é tipicamente igual a 0.6 V g é um parâmetro dado pela fabricação (parâmetro de efeito de corpo) 26

27 Efeito de corpo Quando V B é diferente de V S, o substrato age como uma segunda porta para o MOSFET (backgate). Com isto, v bs também gera uma corrente de dreno. Portanto, podemos associar à essa corrente um transcondutância de corpo: Modificando também o modelo de circuito equivalente Pode-se demonstrar que: onde Tipicamente c = 0.1 a

28 Efeitos de temperatura As características do MOSFET são alteradas em função da temperatura. V t diminui cerca de 2 mv para cada aumento de 1C. Aumento ou diminuição de I D? k também diminui com o aumento da temperatura. Aumento ou diminuição de I D? 28

29 Efeitos de temperatura As características do MOSFET são alteradas em função da temperatura. V t diminui cerca de 2 mv para cada aumento de 1C. Aumento ou diminuição de I D? Aumento! (aumento de Vt, diminui V OV ) k também diminui com o aumento da temperatura. Aumento ou diminuição de I D? Diminuição! (lembre da equação de ID vs k ) Efeito interessante utilizado em circuitos de potência! Dependendo da tensão, o MOSFET não sofre o thermal runaway. 29

30 Breakdown - ruptura Se V D aumenta muito, o transistor sofre de um efeito chamado de avalanche. No efeito avalanche, portadores minoritários têm energia suficiente para quebrar as ligações covalentes do cristal semicondutor e gerar mais portadores. Mais portadores geram mais quebras e mais corrente similar a uma avalanche. (parecido com o efeito zener, mas o efeito zener é causado pelo campo elétrico) 30

31 Breakdown - ruptura Uma outra ruptura acontece quando o VGS é maior que ~30V. Isto causa a ruptura do óxido da porta destruindo o componente. 31

32 Breakdown - ruptura Uma outra ruptura acontece em dispositivos modernos de canais curtos. Se V D aumenta a ponto da região de depleção em volta do dreno se estende pelo canal até a porta, a corrente aumenta rapidamente. Este efeito normalmente não destrói o dispositivo. Ele é chamado de punch-through. 32

33 Saturação da velocidade Em dispositivos modernos de canais curtos a velocidade dos portadores de carga atinge um limite superior (~10 7 cm/s) para valores de tensões da ordem de 1V. Esse limite é chamado de saturação da velocidade. Nesta situação, a corrente i D não segue mais a lei quadrática com v DS, ela passa a ser linear. Isto afeta a transcondutância g m, que passa a ser constante. Lembre-se que g m é a derivada de i d em relação a v GS. 33

34 MOSFET de depleção No MOSFET de intensificação, devemos aplicar uma tensão v GS maior que V t para que um canal entre o dreno e a fonte se crie e o transistor conduza corrente. No MOSFET de depleção, esse canal já existe. A aplicação de uma tensão v GS negativa, reduz o canal já existente e a corrente diminui. A tensão V t agora é definida como o valor negativo de v GS em que a corrente é nula. 34

35 MOSFET de depleção Pode operar tanto como intensificação como quanto depleção dependendo da tensão v GS aplicada 35

36 MOSFET outros símbolos Canal-p Canal-n JFET MOSFET intensificação MOSFET intensificação Sem corpo MOSFET depleção MOSFET depleção Sem corpo 36

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