PSI 2223 – Introdução à EletrônicaProgramação para a Terceira Prova

21ª Aula: O MOSFET como Amplificador

Ao final desta aula você deverá estar apto a:

- Explicar a utilização do MOSFET como amplificador quando opera na região de saturação

- Empregar o Modelo para pequenos sinais para calcular o ganho de tensão em amplificadores como MOSFET

Características de Corrente-Tensão do NMOSFET Tipo

Enriquecimento

Equações de IEquações de IDD=f(V=f(VGSGS, V, VDSDS) de 1) de 1aa OrdemOrdem

• Região Triodo: 0< vDS vGS-Vt

2

2 DS

D n GS t DS

vWi k v V v

L

• Região de Saturação: 0< vGS-Vt vDS

2

2GS t

D n

v VWi k

L

onde oxn

ox

oxn .Cμx

εμnk

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

NMOSFNMOSF

ETET

• Região de Corte: vGS Vt ou vGS-Vt 0 iD=0

1

( )

( )

D n ox GS t DS

DS n ox GS t

Wi C v V v

LW

r C v VL

Linear ( se vDS << vGS-Vt )

Parabólica

Região de Saturação

VDS > VGS − Vt

Limiar entre triodo e saturação: vDS = vGS - Vt

NMOS

2

2GS t

D n

v VWi k

L

MOS saturado!

Exemplo 4.4 Como operar em saturação?

Fazer VDS ≥ VGS − Vt ou VGS ≤ VDS + Vt

[ vGS vDS +Vt ]

Operando na Região de Saturação

[ 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

Operando na Região de Saturação

carga passiva

vi

vo

[ vGS vDS +Vt ]

DD

D

VR

1DDD DS

D D

Vi v

R R

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

O MOSFET como Amplificador

• Como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação

carga passiva

[ VGS VDS -Vt ]

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

2GS tD

VWk

L 2n

vi

D

GS

D d

GS gs

i I i

v V 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

Sofisticando o Modelo na Região de Saturação

21

2( . )GS t

D 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

Modelo de circuito equivalente para grandes sinais de um

NMOSFET operando em saturação incorporando r0

ADo V

ondeI

r11

Região de Saturação: Modelo para grandes sinais

O MOSFET como Amplificador

• Como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação

carga passiva 2

2GS t

D n

v VWi k

L

[ VGS VDS -Vt ]

O MOSFET como Amplificador

• Falamos que como amplificador o MOSFET é utilizado na região de saturação

. .( ) 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

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 rodigi

)////( LoDmgs

dV RrRg

vv

A

Ganho de Tensão

Modelos Equivalentes de Circuitos para Pequenos

Sinais

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

Até onde vale o Modelo Equivalente

para Pequenos Sinais?

2

2

( )GS gs t

D 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!

PSI 2223 – Introdução à EletrônicaProgramação para a Terceira Prova

21ª Aula – Parte II: O MOSFET como Amplificador II

Ao final desta aula você deverá estar apto a:

- Empregar o Modelo para pequenos sinais para calcular o ganho de tensão em amplificadores como MOSFET

- Identificar a condição em que se considera um sinal como de pequena amplitude

Operando na Região de Saturação

[ VGS VDS -Vt ]

carga passiva

Modelos Equivalentes de Circuitos para 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

Modelos Equivalentes de Circuitos para Pequenos

Sinais

.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

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 120, 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, Rout)

FET:

Reta de Carga:

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 I

Vr

)////( oLDgsmo rRRg vv

iG ≈ 0

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

)////(

oLDmi

o rRRgvv

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,

22ª Aula: O MOSFET como Amplificador II

Ao final desta aula você deverá estar apto a:

- Identificar as configurações básicas de amplificadores MOSFET empregados em Circuitos Integrados

- Explicar a necessidade de polarizar para ID constante

- Determinar o ganho de tensão nas configurações fonte comum, porta comum e dreno comum