1 eletrônica ii germano maioli penello aula 04 gpenello@gmail.com germano/eletronica ii _...

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Eletrônica II

Germano Maioli Penello

Aula 04

gpenello@gmail.com

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