Eletrônica II. Germano Maioli Penello. II _ html.

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1 Eletrônica II Germano Maioli Penello II _ html Aula 04 1

2 Revisão aula passada É comum ter situações temos um sinal de baixa intensidade (mv 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. 2

3 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 + 3

4 Modelo de circuito Independente da complexidade do amplificador, podemos modelar o seu funcionamento olhando apenas para os terminais de entrada e saída.? 4

5 Parâmetros importantes Resistência (impedância) de entrada Resistência (impedância) de saída Ganho do amplificador 5

6 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 6

7 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. 7

8 Largura de banda Se medirmos a função de transferência em função de w, 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). 8

9 Classificação de amplificadores Baseado apenas na largura de banda Acoplado capacitivamente (amplificador AC) Diretamente acoplado (amplificador DC) Passa-banda (filtro passa-banda) 9

10 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) 10

11 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). 11

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

13 Transistores Dois tipos principais: Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) Transistor 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. 13

14 MOSFET 14

15 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. 15

16 MOSFET - funcionamento 16

17 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 17

18 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 Baixo v DS relação linear Alto v DS saturação 18

19 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? 19

20 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de v DS 20

21 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de v DS Relação linear entre v DS e i D 21

22 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 = m n C ox Parâmetro de transcondutância do MOSFET k n = (m n C ox )(W/L) 22

23 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? Para pequenos valores de v DS k n = (m n C ox )(W/L) 23

24 MOSFET - funcionamento Como explicar as correntes observados no MOSFET? A medida que v DS aumenta i D é relacionado com v DS com um termo linear e um termo parabólico com concavidade para baixo. 24

25 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) 25

26 MOSFET - funcionamento Com esta análise, começamos a entender o funcionamento do MOSFET 26

27 PMOS Faça a análise do PMOS 27

28 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). 28

29 Símbolo de circuito Dreno Fonte Porta Porta Fonte MOSFET de canal n (Tipo intensificação) Dreno MOSFET de canal p (Tipo intensificação) 29

30 Símbolo de circuito Espaço indica o isolamento (óxido) na porta Seta indica a direção da corrente convencional (elétrons no sentido contrário) 30

31 Canal n características IxV 31

32 Canal n características IxV Repetiremos aqui a mesma análise feita anteriormente. 32

33 Canal n características IxV?? 33

36 Canal n características IxV (Triodo) (saturação) 36

37 Canal n características IxV (Triodo) Equivalentes (saturação) 37

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

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

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

42 MOSFET modelo de circuito equivalente Na região de saturação, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão Por que i G = 0? 42

43 MOSFET modelo de circuito equivalente Na região de saturação, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão Por que i G = 0? Este ainda não é o melhor modelo! Veremos adiante um modelo um pouco melhor. 43

44 MOSFET melhor aproximação na região de saturação Na realidade, a corrente i D dpende de v DS na região de saturação i D = v DS / r o 44

45 MOSFET melhor aproximação na região de saturação Corrente i 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. 45

46 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 42 ) 46

47 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 por v GS (independe de v DS ) 47

48 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 ma/v 2, L = 1mm e W = 32 mm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=0) 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 ma/v 2, L = 1mm e W = 32 mm. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (l=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 relaciona i D com V OV ou V DS dependendo da região. 4º passo: calcular R s 49

58 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 (l=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? 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 (l=0). Qual o maior valor de R D que mantém a operação do transistor em saturação? 1º passo: usar a equação que relaciona i D com V OV. 2º passo: calcular V SG 3º passo: Calcular R D 4º passo: determinar R G1 e R G2 59

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 (l=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. 62

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 (l=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. 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 (l=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 8kW. 65