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Eletrônica II
Germano Maioli Penello
Aula 04
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II _ 2015-1.html
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É comum ter situações temos um sinal de baixa intensidade (V 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.
http://www.antenas3g.com.br/repetidores_3g.html
Revisão – aula passada
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Amplificador - linearidade
A = 1 (inclinação da reta) Distorções não lineares
v0(t) = A vi(t) + B vi(t)2 + C vi(t)3 + …
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Modelo de circuitoIndependente da complexidade do amplificador, podemos modelar o seu funcionamento olhando apenas para os terminais de entrada e saída.
?
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Parâmetros importantes
• Resistência (impedância) de entrada• Resistência (impedância) de saída• Ganho do amplificador
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Modelo de circuitoIndependente da complexidade do amplificador, podemos modelar o funcionamento do amplificador olhando apenas para seus terminais de entrada e saída.
Ganho total de tensão
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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.
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Largura de banda
Se medirmos a função de transferência em função de , 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).
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Classificação de amplificadoresBaseado apenas na largura de banda
Acoplado capacitivamente (amplificador AC)Diretamente acoplado (amplificador DC)Passa-banda (filtro passa-banda)
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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)
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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).
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TransistoresDois tipos principais:
•Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET)•Transistor bipolar de junção (BJT)
http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lateral_mosfet.svg
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TransistoresDois 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.
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MOSFET
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MOSFETAtualmente, 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.
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MOSFET - funcionamento
http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/mosfet/mosfet.html
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MOSFET - funcionamento
Observe os seguintes pontos no aplicativo anterior (MOSFET de canal n ou NMOS):
Tensão de gatilho (threshold voltage)Tensão overdriveCamada de inversão (canal-n)Relação entre iDS e vGS
Relação entre iD e vDS
Tipo intensificação
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MOSFET - funcionamento
Observe os seguintes pontos no aplicativo anterior (MOSFET de canal n ou NMOS):
Tensão de gatilho (threshold voltage)Tensão overdriveCamada de inversão (canal-n)Relação entre iDS e vGS
Relação entre iD e vDS
Baixo vDS – relação linearAlto vDS – saturação
Tipo intensificação
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MOSFET - funcionamentoComo explicar as correntes observados no MOSFET?
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MOSFET - funcionamentoComo explicar as correntes observados no MOSFET?
Para pequenos valores de vDS
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MOSFET - funcionamentoComo explicar as correntes observados no MOSFET?
Para pequenos valores de vDS
Relação linear entre vDS e iD
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MOSFET - funcionamentoComo explicar as correntes observados no MOSFET?
Para pequenos valores de vDS
Depende de como o MOSFET foi construído!
Óxido utilizadoMobilidade do elétronRazão entre largura e comprimento do canal
k’n = nCox
Parâmetro de transcondutância do processo
kn = (nCox)(W/L)
Parâmetro de transcondutância do MOSFET
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MOSFET - funcionamentoComo explicar as correntes observados no MOSFET?
Para pequenos valores de vDS
kn = (nCox)(W/L)
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MOSFET - funcionamentoComo explicar as correntes observados no MOSFET?
A medida que vDS aumenta
iD é relacionado com vDS com um termo linear e um termo parabólico com concavidade para baixo.
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MOSFET - funcionamentoComo explicar as correntes observados no MOSFET?
vDS VOV
iD independe de vDS (isto é uma primeira aproximação, veremos mais adiante que existe uma pequena relação entre eles)
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MOSFET - funcionamentoCom esta análise, começamos a entender o funcionamento do MOSFET
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PMOS
• Faça a análise do PMOS
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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).
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Símbolo de circuito
MOSFET de canal n(Tipo intensificação)
MOSFET de canal p(Tipo intensificação)
Porta
Dreno
Fonte
Fonte
Dreno
Porta
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Símbolo de circuitoEspaço indica o isolamento (óxido) na porta
Seta indica a direção da corrente convencional (elétrons no sentido contrário)
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Canal n – características IxV
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Canal n – características IxV
Repetiremos aqui a mesma análise feita anteriormente.
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Canal n – características IxV
??
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Canal n – características IxV
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Canal n – características IxV
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Canal n – características IxV (Triodo)
(saturação)
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Canal n – características IxV (Triodo)
(saturação)
Equivalentes
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Canal n – características IxV (Trido)
(saturação)
Equivalentes
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Canal n – características IxV (Trido)
(saturação)
Equivalentes
Equivalentes
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Canal n – características IxV (Trido)
(saturação)
Equivalentes
Equivalentes
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Canal n – características IxV
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MOSFET – modelo de circuito equivalente
Na região de saturação, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão
Por que iG = 0?
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MOSFET – modelo de circuito equivalente
Na região de saturação, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão
Este ainda não é o melhor modelo! Veremos adiante um modelo um pouco melhor.
Por que iG = 0?
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MOSFET – melhor aproximação na região de saturação
Na realidade, a corrente iD dpende de vDS na região de saturação
iD = vDS / ro
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MOSFET – melhor aproximação na região de saturação
Corrente iD dpende de vDS
iD = vDS / ro
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.
ro é chamado de resistência de saída.
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MOSFET – modelo de circuito equivalente
Na região ativa, podemos modelar o MOSFET como uma fonte de corrente controlada por tensão
No caso ideal, ro (Se ro voltamos exatamente ao modelo proposto no slide 42 )
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MOSFET - amplificadorPara 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 vGS (independe de vDS)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
1º passo: Determinar RD
2º passo: Determinar a região de operação do MOSFET. Triodo ou saturação? VDS maior ou menor que VOV? Ou de forma equivalente, VGD maior ou menor que Vt?
3º passo: usar a equação que relaciona iD com VOV ou VDS dependendo da região.
4º passo: calcular Rs
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 1Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere com ID = 0.4 mA e VD = 0.5V. Características do transistor: Vt = 0.7V, k’ = 100 A/V2, L = 1m e W = 32 m. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0)
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Exemplo 2Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação?
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Exemplo 2Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação?
1º passo: usar a equação que relaciona iD com VOV.
2º passo: calcular VSG
3º passo: Calcular RD
4º passo: determinar RG1 e RG2
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Exemplo 2Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação?
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Exemplo 2Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação?
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Exemplo 2Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação?
RG1 e RG2 agem como um divisor de tensão para VDD.Podemos escolher qualquer valor de resistência que diminua a tensão de porta para 3V.
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Exemplo 2Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação?
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Exemplo 2Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação?
A saturação é mantida quando VDG < |Vt|. Caso VD – VG > |Vt|, estamos fora da região de saturação.
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Exemplo 2Projete o circuito abaixo de tal maneira que o transistor opere na região de saturação com ID = 0.5 mA e VD = 3.0V. Características do transistor: Vt = -1V, k’(W/L) = 1 mA/V2. Despreze o efeito de modulação de comprimento de canal (=0). Qual o maior valor de RD que mantém a operação do transistor em saturação?
A saturação é mantida quando VDG < |Vt|. Caso VD – VG > |Vt|, estamos fora da região de saturação. RD não pode ser maior que 8k
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