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Eletrônica II

Germano Maioli Penellogpenello@gmail.com

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II _ 2015-1.html

Aula 10

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Pauta (T3 e T4)

ANA CAROLINA FRANCO ALVES 200910169711BRUNO STRZODA AMBROSIO 201110060611FERNANDO DE OLIVEIRA LIMA 201210070411GISELE SILVA DE CARVALHO 200920386311HAZIEL GOMES DA FONSECA 200910105311HENRIQUE DE SOUZA SANTANA 201420535011HUGO CARDOZO DA SILVA 201110313311IURI COSTA MACHADO DOS SANTOS 201120586611JESSICA BARBOSA DE SOUZA 201210068011LEONARDO MOIZINHO PINHEIRO 200920545211

Felipe Almeida

Danilo Calderoni

BRUNO SILVEIRA KRAUSE 200710532211CAIO ROSCELLY BARROS FAGUNDES 201020412311CAROLINA LAUREANO DA SILVA 201110312411GABRIELLE CRISTINA DE SOUZA SILVA 201110256211GUTEMBERG CARNEIRO NUNES 201410074911HARLAN FERREIRA DE ALMEIDA 201120421111HERNAN DE ALMEIDA PONTIGO 201210380211LEONARDO RICARDO BERNARDES DA CONCEIçãO 200910229111LUCAS MUNIZ TAUIL 201210073911NAYARA VILLELA DE OLIVEIRA 201110062111TAMYRES MAURO BOTELHO 200820512211

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Pauta (T5 e T6)ALINE DAMM DA SILVA FALCAO 201110358411BERNARDO CARVALHO SILVA SANTOS 201120428811FABRICIO BICHARA MOREIRA 201120586511JOAO CARLOS GONCALVES MARTINHO 201110065111JéSSICA RIBEIRO VENTURA 201220446811LUCAS VENTURA ROMANO 200920382111MATEUS LOPES FIGUEIREDO 201220690611MONIQUE SOARES DE MORAES 201010069511NATHALIA CRISTINA AZEVEDO VALADAO DE JESUS 201020411911RENATO DOS SANTOS FREITAS JUNIOR 200910137111VICTOR ARAUJO MARCONI 200810350011VINICIUS PEIXOTO MEDINA 201220446411

CLAREANA RANGEL DE OLIVEIRA 201220450911DANIEL DE SOUZA PESSOA 201220452011GUSTAVO OGG FERREIRA MORENO TAVARES 201220447211ISRAEL BATISTA DOS SANTOS 201220453911LEONARDO DA SILVA AMARAL 201220446111LUCIANA DE FREITAS MONTEIRO 200520396211MARCOS VINICIUS PAIS BORSOI 200820381611MARISOL BARROS DE ALMEIDA 201020407511RICARDO ALVES BARRETO 200420419111WALBER LEMOS DOS SANTOS 20112042171

Helder

Isabele

Paulo

Leonardo

Victor Guimarães

Rafael Tavares

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Polarização de transistores

A polarização serve para definir a corrente ID estável e garantir uma tensão VDS

que mantenha o transistor em saturação para todos os sinais esperados na entrada.

Nesta aula, veremos diferentes maneiras de polarizar um transistor.

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Polarização com VGS fixo

Sabendo que

É uma boa idéia?

Uma primeira maneira de polarizar o transistor seria fixando o valor de VGS

Com isso, fixamos a corrente que passa entre o dreno e a fonte do transistor.

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Polarização com VGS fixo

Sabendo que

Uma primeira maneira de polarizar o transistor seria fixando o valor de VGS

Com isso, fixamos a corrente que passa entre o dreno e a fonte do transistor.

Os valores de n, Cox, Vt e W/L variam significativamente em componentes discretos. O mesmo fabricante pode produzir o mesmo componente com valores diferentes.

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Polarização com VG fixo e com Rs

Esta é uma excelente alternativa de polarização.

Se VG é muito maior que VGS, a corrente ID é majoritariamente determinada pelos valores de VG e RS. Para melhorar, RS fornece uma realimentação negativa, estabilizando ID.

ID VGS (estamos fixando VG) ID

Variação repentina de ID faz com que ID tente voltar à situação de equilíbrio

Dispositivos diferentes têm ID similares

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Polarização com VG fixo e com Rs

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 RS é chamado de resistência de degeneração

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Polarização com resistor entre o dreno e a porta

Esta é uma maneira simples e eficiente de polarizar o transistor (RG ~ M)

VGS = VDS (lembre-se que IG = 0)

Similar à equação do slide 15 ( )

Realimentação negativa! Se a corrente ID aumenta por algum motivo, VGS diminui. Se VGS diminui, a corrente ID diminui.

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Polarização com uma fonte de corrente constante

Esta é a maneira mais eficaz de polarizar um transitor.

RG (~M) é usado como um aterramento DC e apresenta uma alta resistência ao sinal de entrada acoplado capacitivamente à porta.

RD estabelece a tensão no dreno que determina a varredura do sinal de saída mantendo o transistor na saturação.

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Polarização com uma fonte de corrente constante

Como construir uma fonte de corrente constante?

Q2 tem o mesmo VGS de Q1. Considerando que ele está na saturação:

A corrente I é a corrente constante desejada.

A corrente I está relacionada com IREF pela razão de aspecto dos transistores. Este circuito é chamado de espelho de corrente. Muito usado em projetos MOS de CI.

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Polarização com uma fonte de corrente constante

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Polarização com uma fonte de corrente constante

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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.

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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.

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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.

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Amplificador de fonte comum

Acabamos de fazer a análise DC deste circuito!

Agora faremos a análise o sinal. Qual o modelo a se utilizar?

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Amplificador de fonte comum

Ro = RD||ro

Divisor de tensão na entrada Divisor de corrente na saída

Ganho negativo

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Amplificador de fonte comum com Rs

A diferença é que agora incluímos Rs no circuito anterior.

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Amplificador de fonte comum com Rs

Já analisamos este circuito anteriormente (aula 08). A única diferença é que ele agora tem a resistência RG. Isto muda a resistência de entrada Rin (Rin = RG) e altera o ganho de tensão total.

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Amplificador de porta comum

Qual o circuito DC a ser analisado?

Qual o modelo de circuito de pequenos sinais que utilizamos?

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Amplificador de porta comum

Exatamente o mesmo resultado que obtivemos na aula 09! Confira.

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Amplificador de dreno comum

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Amplificador de dreno comumSeguidor de tensão

Agora existe RG na entrada. Rin não é mais infinita afetando o ganho de tensão total.

Efeitos não considerados

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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.

Corpo do substrato

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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.

Corpo do substrato

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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 (VSB) de alguns MOSFETs

Corpo do substrato

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Se existir VBS negativo (VB<VS), o canal reduz de tamanho (aumento da depleção). Para voltar à situação anterior, vGS tem que aumentar.

No fundo, percebemos que o aparecimento de VBS faz com que alteremos a tensão de threshold (Vt) do transistor.

Vt0 é igual a Vt com VSB = 02f é tipicamente igual a 0.6 V é um parâmetro dado pela fabricação (parâmetro de efeito de corpo)

Efeito de corpo

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Quando VB é diferente de VS, o substrato age como uma segunda porta para o MOSFET (backgate). Com isto, vbs 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:

ondeTipicamente = 0.1 a 0.3

Efeitos de temperatura

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As características do MOSFET são alteradas em função da temperatura.

Vt diminui cerca de 2 mV para cada aumento de 1C. Aumento ou diminuição de ID?

k’ também diminui com o aumento da temperatura. Aumento ou diminuição de ID?

Efeitos de temperatura

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As características do MOSFET são alteradas em função da temperatura.

Vt diminui cerca de 2 mV para cada aumento de 1C. Aumento ou diminuição de ID? Aumento! (aumento de Vt, diminui VOV)

k’ também diminui com o aumento da temperatura. Aumento ou diminuição de ID? 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.

Breakdown - ruptura

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Se VD 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)

Breakdown - ruptura

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

http://www.attopsemi.com/tec3.htm

Breakdown - ruptura

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Uma outra ruptura acontece em dispositivos modernos de canais curtos. Se VD 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.

Saturação da velocidade

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Em dispositivos modernos de canais curtos a velocidade dos portadores de carga atinge um limite superior (~107 cm/s) para valores de tensões da ordem de 1V. Esse limite é chamado de saturação da velocidade.

Nesta situação, a corrente iD não segue mais a lei quadrática com vDS, ela passa a ser linear. Isto afeta a transcondutância gm, que passa a ser constante. Lembre-se que gm é a derivada de id em relação a vGS.

http://analog.intgckts.com/mos-transistor/nmos-transistor/

MOSFET de depleção

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No MOSFET de intensificação, devemos aplicar uma tensão vGS maior que Vt 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 vGS negativa, reduz o canal já existente e a corrente diminui. A tensão Vt agora é definida como o valor negativo de vGS em que a corrente é nula.

MOSFET de depleção

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Pode operar tanto como intensificação como quanto depleção dependendo da tensão vGS aplicada

MOSFET outros símbolos

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Canal-p

Canal-n

JFET MOSFET intensificação

MOSFET intensificação

Sem corpo

MOSFET depleção

MOSFET depleção

Sem corpo

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