Eletrônica II
Germano Maioli Penello
[email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II _ 2015-1.html
Aula 10
1
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.
2
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.
É uma boa idéia?
3
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 mn, Cox, Vt e W/L variam
significativamente em componentes
discretos. O mesmo fabricante pode
produzir o mesmo componente com
valores diferentes.
4
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
5
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
6
Polarização com resistor entre o
dreno e a porta
Esta é uma maneira simples e eficiente de polarizar o
transistor (RG ~ MW)
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.
7
Polarização com uma fonte de
corrente constante
Esta é a maneira mais eficaz de polarizar um transitor.
RG (~MW) 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.
8
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.
9
Polarização com uma fonte de
corrente constante
10
Polarização com uma fonte de
corrente constante
11
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.
12
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.
13
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.
14
Amplificador de fonte comum
Acabamos de fazer a análise
DC deste circuito!
Agora faremos a análise o
sinal. Qual o modelo a se
utilizar?
15
Amplificador de fonte comum
Ro = RD||ro
Ganho negativo
Divisor de tensão na entrada
Divisor de corrente na saída
16
Amplificador de fonte comum com Rs
A diferença é que
agora incluímos Rs no
circuito anterior.
17
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.
18
Amplificador de porta comum
Qual o circuito DC a ser
analisado?
Qual o modelo de circuito
de pequenos sinais que
utilizamos?
19
Amplificador de porta comum
Exatamente o mesmo resultado que obtivemos na aula 09! Confira.
20
Amplificador de dreno comum
21
Amplificador de dreno comum
Seguidor de tensão
Agora existe RG na entrada.
Rin não é mais infinita afetando o
ganho de tensão total.
22
Efeitos não considerados
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.
23
Corpo do substrato
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.
24
Corpo do substrato
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
25
Corpo do substrato
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 = 0
2ff é tipicamente igual a 0.6 V
g é um parâmetro dado pela fabricação
(parâmetro de efeito de corpo)
26
Efeito de corpo
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:
onde
Tipicamente
c = 0.1 a 0.3
27
Efeitos de temperatura
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?
28
Efeitos de temperatura
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.
29
Breakdown - ruptura
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)
30
Breakdown - ruptura
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
31
Breakdown - ruptura
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.
32
Saturação da velocidade
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/
33
MOSFET de depleção
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.
34
MOSFET de depleção
Pode operar tanto como intensificação como quanto depleção
dependendo da tensão vGS aplicada
35
MOSFET outros símbolos
Canal-p
Canal-n
JFET
MOSFET
intensificação
MOSFET
intensificação
Sem corpo
MOSFET
depleção
MOSFET
depleção
Sem corpo
36
37