PSI 2223 – Introdução à Eletrônica Programação para a Terceira...

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PSI 2223 – Introdução à EletrônicaProgramação para a Terceira Prova

22ª Aula: O MOSFET como Amplificador

Ao final desta aula você deverá estar apto a:

- Explicar porque a região de saturação é mais adequada àamplificação de sinais

- Estimar o comportamento do MOSFET como amplificador à partir de sua curva característica ID x VDS

- Explicar a diferença entre as técnicas de análise de circuitos paraMOSFETs e para bipolares

-Explicar o efeito de corpo (porta escondida)

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EquaEquaçções de Iões de IDD=f(V=f(VGSGS, V, VDSDS) de 1) de 1aa OrdemOrdem

• Região Triodo: 0< VDS VGS-Vt E VGS > Vt

2

VVVV

L

W kI

2DS

DStGSnD

• Região de Saturação: 0< VGS-Vt VDS E VGS > Vt

2

GS tD

VWL

1V

I k2 DSn V

onde oxnox

oxn .Cμx

εμnk

(Parâmetro de Transcondu-tância do processo [A/V2])

NMOSFETNMOSFET

• Região de Corte: VGS Vt ou VGS-Vt 0 ID=0

)(

)(

tGSoxnDS

DStGSoxnD

VvLW

Cr

vVvLW

CI

1

Linear ( se VDS << VGS-Vt )Parabólica

2n(superfície)

2p(superfície)

12

12

μ =450cm /Vs

μ =100cm /Vs

0,345 10 /

1 10 /

ox

si

F cm

F cm

Características de Corrente-Tensão do NMOSFET Tipo Enriquecimento

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Uma palavra sobre Circuitos Amplificadores

0(max )Av

o

ovo

i i

vA

v

Amplificador de Tensão

vo

vi

Exemplo 4.8 adaptado Projete o circuito abaixo para operar na região de saturação com ID = 0,333mA. Considere VD= 5V,RG1//RG2 = 1M, Vt= 1 V, = 0 e kn´(W/L) = 1 mA/V2

18k

10V

' 2( / ) 1mA/V

1V

= 0

n

t

k W L

V

•MOSFET canal n na saturação:

2

GS tD

VWL

1V

I k2 DSn V

2

GSV 10,333 1

21 0 DSV

GSV 0,666 1 0,816 1

GSV 0,184V ou 1,816V2

GS1 2

V 1,816V=10V G

G G

RR R

1 2

1 2

1MG G

G G

R RR R

1 5,5MGR 2 1,22MGR

D DSV =V 10V-18k 0,333mA=4V

4

Exemplo 4.8 adaptado Projete o circuito abaixo para operar na região de saturação com ID = 0,333mA. Considere VD= 5V,RG1//RG2 = 1M, Vt= 1 V, = 0 e kn´(W/L) = 1 mA/V2

18k

10V

' 2( / ) 1mA/V

1V

= 0

n

t

k W L

V

•MOSFET canal n na saturação:

4V1,816GSV V

0,333mA

10

1,816V0,333mA


Carga L

ov

i R

vA

v

(max ) CargaAv

ovo

i

vA

v

Carga L

oi

i R

iA

i

Carga L

iin

i R

vR

i


5

Como resolver esse problema graficamente:As Análises que fizemos anteriormente (resistor, diodo)

TnVSD eII /vD

Aplicando a lei das malhas:

RVV

I

VIRV

DDDD

DDDD

.

(2)

(1)


1 2.DD RV R I V

(2)

(1)

Aplicando a lei do resistor:

2

2

RVIR

Aplicando a lei do diodo:

1

2

1

DDVR

(1)

(2)

1

resistor

E para o MOSFET?(se na região de saturação)


.DD D D DS

DD DSD

D

V R I V

V VI

R

(2)

(1)

Aplicando a lei do MOSFETna saturação:

18k

10V

4V1,816GSV V

0,333mA

2GS tD

V VWI k

L 2n

10

1,816V0,333mA

A

BQ

iv

oviv

ov

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Operando na Região de Saturação

vI

vO

DD

D

VR

1DDD DS

D D

Vi v

R R

( )

i t DS t

saturaçãov entre V e v V

i tv V

( )

i DS tv v V

triodo

vO

(max ) CargaAv

ovo

i

vA

v

Região de Saturação: Modelo para grandes sinais

2

2GS t

D n

v VWi k

L

GS t

DS GS t

v Vv v V

2 GS tSe V V omodelopodeser linearizado!gsv

7

E para o MOSFET?(se na região de saturação)


.DD D D DS

DD DSD

D

V R I V

V VI

R

(2)

(1)

Aplicando a lei do MOSFETna saturação:

18k

10V

4V1,816GSV V

0,333mA

2GS tD

V VWI k

L 2n

10

1,816V0,333mA

A

BQ

Sofisticando o Modelo na Região de Saturação

2

12

( . )GS tD n DS

v VWi k v

L

2

2GS t

D n

v VWi k

L

AVonde

1

VA

GS t

DS GS t

v Vv v V

8


[ vGS < vDS +Vt ]

O DS I GSv v e v v

DD D D DSV R i v

2

2GS t

D n

v VWi k

L

1DDD DS

D D

Vi v

R R

carga passiva


carga passiva

vi

vo

[ vGS < vDS +Vt ]

DD

D

VR

1DDD DS

D D

Vi v

R R

2

2GS t

D n

v VWi k

L

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O MOSFET como Amplificador

carga passiva

[ VGS VDS -Vt ]

• Será que podemos analisar esse comportamento matematicamente na região de saturação?

D

GS

D d

GS gs

i I i

v V v

2GS tD

VWk

L 2n

vi

Até onde a relação iD x vGS é linear?

2

2

( )GS gs tD n

V v VWi k

L

(saturação)

2 21 1

2 2D n GS t n GS t gs n gs

W W Wi k V V k V V v k v

L L L

vGS

>>

21

2 n gs n GS t gs

W Wk v k V V v

L L 2 GS tV Vgsv

Pequenos Sinais!

VOV

10

Região de Saturação VDS > VGS − Vt

NMOS

21

2D n GS t

Wi k v V

L

saturado!

Até onde a relação iD x vGS é linear?(mesma pergunta e um outro olhar)

carga passiva

[ VGS VDS -Vt ]

21

2D n GS t

Wi k v V

L


11

. .( ) GS GS

D

GS v V

m n GS t

i

v

Wg k V V

L

2

2GS t

D n

v VWi k

L

gsmd vgi

inclinação(aproximação)


Modelos Equivalentes de Circuitos

. .( ) DSm n GS t

GS

i Wg k V V

v L

Pequenos SinaisGrandes Sinais digi

gsmd vgi

12

Modelos Equivalentes de Circuitos para Pequenos Sinais

D

Ao I

Vr . .( ) DS

m n GS tGS

i Wg k V V

v L

Pequenos Sinaisdigi

gsmd vgi

Pequenos Sinais com ro digi

Ganho de Tensão?

Um Circuito Amplificador

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Relembrando o Diodo…Exemplo 3.6: Considere o circuito abaixo, alimentado por uma fonte V+ constituída por um sinal CC de 10V sobre o qual aplica-se um sinal senoidal de 60Hz com 1Vp de amplitude. Calcule a tensão CC sobre o diodo e a amplitude do sinal senoidal sobre ele. Assuma que o diodo tem uma queda de tensão de 0,7V em 1mA e n=2.

• 1º : Calcular Ponto Quiescente – Parte CC

• 2º : Calcular Parte Alternada – Parte CA

( ) ( ) ( )S D D

s d dv t Ri t v

V R

t

I V

( ) [ ( )] ( )S s D d D dV v t R I i t V v t

( ) ( ) ( )s d d dv t Ri t r i t

Relembrando o Diodo…Exemplo 3.6: Considere o circuito abaixo, alimentado por uma fonte V+ constituída por um sinal CC de 10V sobre o qual aplica-se um sinal senoidal de 60Hz com 1Vp de amplitude. Calcule a tensão CC sobre o diodo e a amplitude do sinal senoidal sobre ele. Assuma que o diodo tem uma queda de tensão de 0,7V em 1mA e n=2.

Análise AC

Modelo do diodo em AC para pequenos sinais:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

S D D

s d d

s d d d

V RI V

v t Ri t v t

v t Ri t r i t

ac

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)////( LoDmgs

dV RrRg

vv

A

Ganho de Tensão


/ / / / )(d m gs LD ov g v R r R

. .( ) DSm n GS t

GS

i Wg k V V

v L

D

Ao I

Vr

Se estiver operando apenas na Saturação E em pequenos sinais

limite com o corte

limite com a triodo

Limite com o corte: 2

02

( )GS t tGS t D n

v V VWv V i k

L

Limite com o triodo: 2

02max

( )DS t tGS DS t D n

v V VWv v V i k

L

2

2DS

D n DD DS D D

vWi k e V v R i

L

0max

( )DS DD Dv V i

2

2DS

DD DS D n

vWV v R k

L

2 0

2 min min

'ñ

D DS DS DD

k WR v v V

L

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E se passar da Região de Saturação?

[ VGS VDS -Vt ]


.LW

.kg nm DI 2

gmtGS

D

VVI

2

)VV.(L

W.k

V

Ig tGSn

GS

DSm

D

Ao I

Vr

tGS VV 2GSv

Pequenos Sinais!

Outras maneiras de expressar gm

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Ex. 4.10: Amplificador MOSFET fonte comum empregando um resistor de realimentação dreno-porta: Qual o ganho de tensão? Qual a resistência de entrada? Qual o maior sinal possível na entrada?

ID 12 0, 25(VGS 1, 5)2

VD = 15 – RDID = 15 – 10ID

ID = 1,06 mA e VD(S) = VG(S) = 4,4 V

Calcular POLARIZAÇÃO (= ID, VDS , VGS)

Calcular PEQ. SINAIS (= Av, Rin)

FET:

Reta de Carga:


Carga L

ov

i R

vA

v

(max ) CargaAv

ovo

i

vA

v

Carga L

iin

i R

vR

i

Carga

ii

i

vR

i


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O papel do resistor de realimentação RG

entre dreno e porta

ID mais constante

carga passiva

Saturação: VDS > VGS − Vt

VDS = VDD − RDID OU

VDD = VGS + RDID

Se ID tende a aumentar, VGS diminui, forçando ID a diminuir. E vice-versa

2

VV

L

WkI

2tGS

D

n

RG garante saturação, pois VDS = VGS !!!

FET:

Reta de Carga:

Ex. 4.10: Qual o ganho de tensão?

V/mA725,0

)5,14,4(25,0

)(

tGSnm VV

LW

kg

k4706,1

50

D

Ao IV

r

)////( oLDgsmo rRRg vv

iG ≈ 0

V/V3,3)47//10//10(725,0

)////(

oLDmi

o rRRgvv

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Ex. 4.10: Qual a resistência de entrada? iG ≈ 0 mas não desconsideramos neste caso!!!

Goii Ri /)( vv i

iin

iR

v

M,,M,

33234

1034in

G

ii R

Ri

v

),( 331

1

G

ii

i

o

G

ii

Ri

Ri

v

vvv

Ex. 4.10: Qual o maior sinal possível na entrada?

Devemos manter o MOSFET na saturação:vDS≥ vGS − Vt

tiGSivDS VvVvAV vDSmin = vGSmax − Vt

51443344 ,,,, ii vvVvi 340,

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