Fundamentos de Electr

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Fundamentos de Electrónica

• Transístores de Efeito de Campo
• Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  MOSFET

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Roteiro

• Equações aos terminais
• Modelo de pequenos sinais
• Montagens amplificadores de um único canal
• Princípios Físicos
• Modelo de alta-frequência

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Transístor de efeito de campo de reforço
Gate
Oxide Layers
G
D
Drain
S
Drain Dreno Source Fonte Gate - Gate
Source
W
L
N
N
Channel
P
Body (substrate)
B
Valores típicos L1 to 10 ?m W2 to 500 ?m Oxid
layer 0.02 to 0.1 ?m
TransistorNMOS de enriquecimento
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Funcionamento
Vds
Vgs
D
G
S
Região de depleção
Em funcionamento normal as junções (S e D) estão
ao corte
N
N
Channel
P
Notar que o dispositivo é simétrico se não
contarmos com a ligação S - B
B
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Criação do canal
A aplicação de uma tensão positiva na gate atrai
electrões de forma a se formar uma região tipo N
(inversão de população)
Canal
D
G
S
Diz que se forma o Canal
N
N
A gate e o canal formão as placas de um
condensador
P
Channel
Canal tipo N
B
Vt -gt Tensão de Limiar
Vgs gt Vt
Formação de canal
NMOS
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FET

• NMOS FET Canal N
• PMOS FET Canal P
• FET Enriquecimento O canal não existe e tem de
  ser criado -gt Vt gt 0
• FET Depleção O canal é pré implementado. Este
  é removido aplicando uma tensão negativa na gate.
  Vt lt 0

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Funcionamento na zona de tríodo
iD
VgsVt3V
VgsVt2V
VgsVt1V
ID
VgsltVt
vds
Para Vds pequeno o canal comporta-se como uma
resistência variável
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Saturação
Vgs
Vds
Canal
Canal
D
G
S
N
N
Saturado
tríodo
P
B
Quando Vds aumenta a tensão Vgd diminui até se
tornar inferior a Vt. O canal fecha-se do lado do
dreno (pinch-off), e o valor da corrente deixa de
aumentar, assumindo um valor constante Zona de
Saturação.
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Curvas características
Zona de tríodo
Zona de saturação
Vgslt2V
Vt1V
Vgslt1.8V
Vgslt1.6V
Vgs1.4V
VgsltVt
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Equações
Região de tríodo
Valores típicos
Constante dieléctrica
Região de saturação
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PMOS
Canal
Vt -gt Tensão de Limiar
D
G
S
Vt lt 0
P
P
Vgs lt Vt
N
Channel
Formação de canal
B
Canal tipo P
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CMOS
Oxido isolante
D
D
G
G
S
S
N
P
N
P
P
N
Poço N (N Well)
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Símbolos
PMOS
NMOS
D
S
ID
G
ID
G
D
S
S
D
G
ID
G
ID
D
S
14
Equações PMOS
Região de tríodo
Vds
Vgs
Região de saturação
S
S
G
G
D
D
15
Modelação de canal
16
Modelação de canal
L
O aumento de VDS faz diminuir a largura efectiva
do canal (L), resultando num aumento da corrente
no dreno.
17
NMOS de depleção

• Canal já está implantado.
• Conduz com VGS0

18
PMOS de depleção

• Canal já está implantado.
• Conduz com VGS0

6,0E-05
4,0E-05
reforço
Id (A)
2,0E-05
depleção
0,0E00
-2,0E-05
-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
Vgs (V)
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Exercícios

• Pagina 12

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Efeito da temperatura

• Vt diminui cerca de 2mV por ºC
• K diminui com a temperatura (efeito dominante)
• Corrente diminui com a temperatura

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Efeito de corpo
Nivel de fermi (parametro físico)
VT depende de VSB
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Disrupção

• Disrupção
• Pode dar-se a disrupção da junção Drain-Boby para
  valores de Vds elevados. (50 a 100V)
• Punch Through
• Quando a tensão Vds atinge valores (20V) tais que
  a região de depleção da junção Drain-body se
  estende través do canal até à source.
• Disrupção do Oxido
• Vgs atinge valores de cerca de 50V. Destrutiva.
  Diodos limitadores.

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MOSFET como amplificador
A variação do pequeno sinal vgs vai provocar a
variação da corrente id quepor sua vez irá
provocar a variação de vo.
Montagem para analise do MOSFET como
um amplificador
VDD
Analise para pequenos sinas Temos, vGSVGSvgs
R1
1kohm
Vo
M1
vgs
pequeno sinal ou componente AC (mm)
Grande sinal ou componente DC (MM)
Vgs
Sinal total (mM)
24
Analise de pequenos sinais
VDD
R1
1kohm
Vo
M1
vgs
Vgs
Pequenas variações em Vgs produzem variações em
Vo. Desde que estas variações sejam pequenas a
relação é linear. Temos
- Ganho de tensão
25
Analise de pequenos sinais
Podemos desprezar o ultimo termo e fica
Para
com
O ganho de tensão será
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Modelo de pequenos sinais
Modelo ?
Modelo T
D
D
G
G
S
ou
Por separação da fonte de corrente em duas fontes
ou
gm menor do que dos BJT
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Incorporando o efeito de Early
Modelo ? aumentado
D
ro modela o efeito de modelação de canal. Pode
ser considerado como a resistência de saída da
fonte de corrente.
G
S
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Transcondutância de corpo
D
G

B
ro

gm.vGS
gmB.vBS
vGS
vBS
-
-
S
Para Vsb0
29
Técnicas de polarização
Circuitos discretos
30
Técnicas de polarização
Circuitos integrados
VDD
Andar de amplificação
Rd
VDD
Espelho de corrente
Rp
31
Circuitos de viragem de corrente

• Com uma sucessão de espelhos de corrente pode
  alterar o sentido da corrente

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Configurações básicas amplificadoras de um único
andar

• Implementação em circuito integrado, com cargas
  activas (transístores) em vez de resistências.

VDD
VDD
VDD
Vi
Vo
Vo
Vo
Vi
Vi
Dreno comum Ganho de corrente elevado
Gate comum Boa resposta em frequência
Fonte comum Ganho de tensão elevado
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Fonte comum (source)
Ganho de tensão
Modelo de pequenos sinais

-
34
Fonte comum
Região de funcionamento
Curva de transferência
Q1 Q2
I off
II Sat Triu
III Sat Sat
IV Triu Sat
É utilizada realimentação para garantir o
funcionamento na zona III.
Não é influenciada pelo efeito de corpo
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Gate comum
VDD
VDD
Q3
Q2
Vbias
Q1

vi
-
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Andar Dreno Comum (Source Follower)
Vdd
G

I1
-
Vo
Vo
S
Vss
37
Tecnologia NMOS
Q2
Q1
Q1 OFF
Vdd-Vt2
A
Com transístor de depleção
Q1 Saturação
B
Q1 Tríodo
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Inversor CMOS
VDD
Operação
P Zona Saturação N Zona Tríodo
iD
Vo
Vi
vO
N Zona Saturação P Zona Tríodo
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Característica de transferência
Qn Saturação Qp tríodo
Qn OFF
Declive -1
Vdd/2 Vt
Qp e Qn na Saturação
Vdd/2 -Vt
Qp Saturação Qn tríodo
Declive -1
VOL
VOL
Qp OFF
VIL
VIH
40
Margens de Ruído - Cálculo de VIL
Zona saturação
Zona triúdo
Assume-se que o dispositivo é simétrico
Derivando
Substituindo em cima resulta
E
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Operação dinâmica
Vdd
Região saturação
Região tríodo
Vdd
Vdd/2
t
Resulta para o tempo de propagação
42
Fluxo de corrente e dissipação de potência
I
VDD
VI
VDD/2
A carga fornecida será
E a energia
A potencia será
Para uma dada tecnologia é conhecido o produto
atraso potência
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Modelo de alta frequência

• Capacidade da gate

Tríodo
Saturação
Corte

• Capacidade das junções

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Modelo de alta frequência
Cgd
G
D
ro
Cgs
Cdb
S
Csb
B
Modelo simplificado
Produto ganho largura de banda
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O MOSFET com um interruptor
Para tensões vds pequenas o MOS comporta-se como
uma resistência da valor
Entre -3V e 3V ambos conduzemgt3V Qp conduz, lt3V
Qn conduz
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Porta de Transmissão
C
C
C
C
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Parâmetros
Tensão de limiar VT0 V 0
Transcondutância do processo KP A/V2 2E-5
Efeito de corpo GAMMA V(1/2) 0
Modelação de canal LAMBDA V-1 0
Espessura do oxido TOX m 0
Difusão lateral LD m 0
PHI V 0.6
Dopagem NSUB cm-3
Mobilidade U0 cm2/Vs 600
Resistência da fonte RS ? 0
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Parâmetros
Resistência do dreno RD ? 0
Capacidade da junção de corpo com polarização nula CJ F/m2 0
Coeficiente de gradação MJ 0.5
Capacidade de sobreposição gate fonte CGSO F/m 0
gate fonte CGDO F/m 0
Tensão interna da junção PB V
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Dedução das equações
Integrando de 0 a L ou o que é equivalente de 0 a
Vds
Na zona de saturação podemos fazer
donde resulta