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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)
2
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
3
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
Uma palavra sobre Circuitos Amplificadores
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
Amplificador de Tensão
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)
Aplicando a lei das malhas:
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)
Aplicando a lei das malhas:
.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
6
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)
Aplicando a lei das malhas:
.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
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
2
2GS t
D n
v VWi k
L
9
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
Até onde a relação iD x vGS é linear?(mesma pergunta e um outro olhar)
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)
Até onde a relação iD x vGS é linear?(mesma pergunta e um outro olhar)
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
13
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
14
)////( 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
. .( ) 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
15
E se passar da Região de Saturação?
[ VGS VDS -Vt ]
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
16
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:
Uma palavra sobre Circuitos Amplificadores
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
Amplificador de Tensão
17
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
18
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,