14 - Circuitos com FET

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Capítulo 14
+
CIRCUITOSCOMFET
Neste capítulo discutiremos aplicações para JFETs,MOSFETs de modo depleção e de
modo intensificação. Você descobrirá aqui como polarizar esses dispositivos e como
usá-Ios como amplificadores, chaves analógicas e chaves digitais. As principais aplica-
ções de um JFETsão como seguidor de fonte (análogo ao seguidor de emissor) e como
chave analógica (um circuito que transmite ou bloqueia sinais ca).O MOSFETde modo
depleção é usado principalmente como uma chave digital- o esteio dos computadores.
Apósoestudodestecapítulo,vocêdeverásercapazde:
~ Descrever a autopolarização e demonstrar os métodos gráfico e universal
das curvas do JFET para análise de um circuito autopolarizado.
~ Calcular a transcondutância de um circuito dado.
~ Recordar as características de um amplificador fonte-comum (common-
surce)com JFET.
~ Desenhar os diagramas de circuito para a chave analógica em série com
JFET e a chave analógica paralela com JFET.
~ Explicar por que a polarização zero funciona com os amplificadores MOS-
FET de modo depleção.
~ Explicar como funciona o chaveamento de carga ativa.
597
598 Eletrônica - 4G Edição - Volume 1 Cap.14
14.1 A AUTO POLARIZAÇÃO DE JFETs
Vocêpode polarizar um JFETde todas as formas. O importante é lembrar que o diodo
porta-fonte tem de ser reversamente polarizado. Como o diodo porta-fonte tem de ser
reversamente polarizadq, alguns dos métodos de polarização usados com transistores
bipolares funcionarão e outros não.
PolarizaçãodeTransistorBipolare deJFET
Na lista a seguir, aquelas formas de polarização que não funcionam são apresentadas
como" não tem equivalente". Quando um tipo de polarização funciona nos dois
sistemas, ele é renomeado em termos dos terminais do JFET,caso necessário. Aqui
estão os métodos de polarização análogos para os dois dispositivos:
Transistor Bipolar
Polarização da base
Polarização por divisar de tensão
Polarização de emissor com duas
alimentações
Polarização com realimentação do
emissor
Polarização com realimentação do
coleto r
Não tem equivalente
JFET
Polarização da porta
Polarização por divisar de tensão
Polarização de fonte com duas
alimentações
Não tem equivalente
Não tem equivalente
Autopolarização
Lembre-se de que a polarização de base é a pior forma de polarizar um
amplificador bipolar. Uma idéia similar aplica-se aos JFETs.A Figura 14.1a mostra a
polarizaçãoda porta. Uma tensão VGGfixa é aplicada na porta. Esta é a pior forma de
polarizar um amplificador JFET,porque o ponto Q varia em função de 1055e VGS(off)'
Comoessasvariáveismodificam-secom a temperatura e coma substituiçãodo JFET,é
impossível obter um ponto Q estável com a polarização de porta.
A polarização por divisor de tensão é o método de polarização preferido para
amplificadoresbipolares, porém não para JFETs.Embora alguns circuitos com JFET
tenham sido projetados com a polarizaçãopordivisorde tensãomostrada na Figura 14.1b,
ela não surgiu como o principal tipo de polarização do JFET.
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ri
"r-
I
I
.l/;;
t
" 1t
,.
~
J
I
Cap.14 Circuitos com FET 599
+VDD +VDD +VDD
+VDD
RcRc Rc
-
-Vcc
-
-Vss
(c)
- -- -
(a) (b) (d)
Figura 14.1 Autopolarização.
o próximo tipo de polarização do bipolar é a polarização de emissor com
duas alimentações. Quando as tensões de alimentação positiva e negativa estão dispo-
níveis, a maioria dos projetistas usará esse tipo de polarização do bipolar, porque ela
apresenta no estágio final a maior saída sem distorção. A forma análoga de polarização
do JFET é a polarizaçãocomfonte simétrica,mostrada na Figura 14.1c.Embora ela tenha
sido usada com êxito com JFETs,essa não é a polarização que é usada na maioria das
vezes com amplificadores JFET.
Finalmente, chegamos à autopolarização,mostrada na Figura 14.1d. Esse tipo
de polarização não tem equivalente em circuitos bipolares. Aautopolarização é a forma
preferida de polarização para um amplificador JFET. Você verá que esse tipo de
polarização é mais usado do que qualquer outro tipo de JFET.Por sua simplicidade, ela
oferece um método elegante e efetivo para a polarização de um amplificador JFET.
Embora o ponto Q não seja sólido como uma rocha, ele é estável o suficiente para a
maioria das aplicações de amplificadores que usam JFET.
AIdéiaBásica
A Figura 14.1dmostra a autopolarização. Como a porta é conectada ao terra por meio
de um resistor, a tensão da porta é zero. Como a corrente circula através do resistor da
fonte, há uma queda de tensão ao longo desse resistor. A idéia básica por trás da
autopolarização é usar a tensão através de Rs para produzir a tensão de polarização
porta-fonte necessária.
600 Eletrônica- 4s Edição- Volume1 Cap.14
Por exemplo, suponha que a tensão através de Rs seja igual a 2 V com a
polaridade mostrada na Figura 14.1d. Então, a fonte tem uma tensão de +2 V em
relação à porta. Por outro lado, a porta tem uma tensão de -2 Vem relação à fonte.
Algebricamente,
Ve = OV
Vs = +2 V
Portanto,
Ves = Ve - Vs = -2 V
Como o diodo porta-fonte é reversamente polarizado, o JFET está polarizado correta-
mente.
A autopolarização da Figura 14.1dé uma forma de realimentação negativa. Se
a corrente de dreno aumenta, a tensão através de Rs aumenta. Isso aumenta a tensão
reversa porta-fonte, que diminui a corrente de dreno. Portanto, a realimentação negati-
va evita que a corrente de dreno mude tanto quanto mudaria sem a realimentação.
Exemplo14.1
Se a corrente dedremo é rni.no~cui~da<J!!!igura.iiI.4.2J'H~ual~<tens~oVes? Qual
a tensão VD? Qual a tensão VDS?
Solução
Com 3 mA circularnlo at.vés!!lra resiJStên~adamíontéjlHilqu~da d~<tensãonoresistor
da fonte é
Vs = (3 mA)(l kQ) = 3 V
A tensãoporta;;foritetemômesmo v~lor ri~gativo de'!;&;aten&;ão,Iffie é igual a
Ves = -3 V
Na Figura 14.2, o te:t;;minalda fQnte 1i1~()est4<m~ ate,l,téldo,<!,orta[lto,(.1,.tensão
dreno-fonte VDS é diferente da tensão dreno-tem VD.A tetlsão ctreno-terra é
VD = 15 V - (3 mA)(2,2 kQ) = 8,4 V
A tensão dreno-fonte é
VDS = 8,4V - 3 V = 5,4V
..
Capo14 Circuitos com FET 601
+15V
I,
I
+
VDs
Figura14.2 Circuito de autopolarização com valores.
14.2 SOLUÇÃOGRÁFICAPARAAAUTOPOLARIZAÇÃO
Com um JFET autopolarizado, a tensão da fonte é igual ao produto da corrente de
dreno pela resistência da fonte:
Vs = IDRs
A tensão porta-fonte é o negativo dessa tensão, que é igual
VGS = -IDRs (14.1)
Essa equação pode ser usada com uma curva de transcondutância para encontrar o
ponto Q de um JFET autopolarizado.
Desenhandoa RetadeAutopolarização
Suponha que um JFET autopolarizado tenha a curva de transcondutância mostrada na
Figura 14.3a.
602 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
A corrente de dreno máxima é de 4 mA, e a tensão de corte porta-fonteé de
-2 V. Isso significa que a tensão da porta tem de estar entre Oe -2 V. Para descobrir
esse valor, podemos fazer o gráfico da Equação (14.1)e ver onde ela intercepta a curva
de transcondutância. Como a Equação (14.1) é uma equação linear, basta plotar dois
pontos e traçar uma reta que passe por eles.
Suponha que a resistência da fonte seja de 500 Q. Então, a Equação (14.1)se
torna
VGS = - ID(500 Q)
Como quaisquer dois pontos podem ser usados, escolhemos os dois pontos convenien-
tes que correspondem a ID = Oe ID = IDSS'No primeiro ponto, ID = Oe
VGS = 0(500 Q) = O
Portanto, as coordenadas do primeiro ponto são (O,O),que é a origem. Para obter o
segundo ponto, determine VGSpara ID = IDSS'Neste caso, ID = 4 mA e
VGS = - (4 mA)(500 Q) = -2 V
Portanto, as coordenadas do segundo ponto são (4 mA, -2 V).
-2V -1 V
Ves
IvIv
o
Ves
(a) (b)
Figura 14.3 o ponto Q depende de Rs.
Agora, temos dois pontos da Equação (14.1) no gráfico. Os dois pontos são
(0,0) e (4 mA, -2 V). Plotando esses dois pontos, como mostrado na Figura 14.3a,
podemos desenhar a linha reta que passa pelos dois pontos, como mostrado. Esta reta
interceptará a curva de transcondutância. Esse ponto de interseção é o ponto de
operação do JFET autopolarizado. Como você pode ver, a corrente de drenoé ligeira-
mente menor do que 2 mA e a tensão porta-fonte é ligeiramente menor do que -1 V.
~
Cap.14 Circuitos com FET 603
1
A Figura 14.3bmostra como o ponto Q muda quando a resistênciada fonte
muda. Quando Rs é grande, o ponto Q está bem abaixo na curva de transcondutância
e a corrente de dreno é pequena. Quando Rs é pequeno, o ponto Q está bem acima na
curva de transcondutância e a corrente de dreno é grande. Entre esses pontos, há um
valor mais adequado de Rs que posiciona um ponto Q próximo ao ponto médio da
curva de transcondutância.
A origem é sempre um dos pontos do gráfico da Equação (14.1),como mostra-
do na Figura 14.3b.Apenas o segundo ponto é diferente. A posição dele depende do
valor de Rs. Aqui está o processo para determinar o ponto Q para qualquer JFET
auto polarizado, contanto que você tenha a curva de transcondutância:-4,.
1.
2.
Multiplique lvss por Rs para obter Ves para o segundo ponto.
Plote o segundo ponto (lvss, Ves).
3.
4.
Trace a reta através da origem e do segundo ponto.
Leia as coordenadas do ponto de interseção.
Selecionandoo ResistordeFonte
Se você tem de selecionar uma resistência de fonte para o JFET autopolarizado, aqui
está o método mais simples conhecido. Na Figura 14.4, a reta de autopolarização é
traçada através do ponto com coordenadas lvss e VeS(off)'O ponto de interseção não
está exatamente no ponto central, porém ele está relativamente próximo ao ponto
central da curva de transcondutância. Esse ponto Q é aceitável na maioria dos circuitos
autopolarizados. A resistência da fonte que produz essa reta de autopolarização é dada
por
-veS(off)
Rs = 1055
Uma maneira fácil de lembrar isso é substituindo Vp por - Ves (off)'Então, você obtém
. Vp
Rs = 1055
(14.2)
Isso é o mesmo que Rvs, a resistência do dreno na região ôhmica de um JFETideal. Em
outras palavras, uma regra de projeto rápida para a autopolarização é usar uma
resistência de fonte que seja igual à resistência do dreno na região ôhmica.I
604 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.14
Rs = -VeS(off)
I IDss ID
~--~ ~ ~j IDss,,,,,,,,,,,,
Ves
Ves(off)
Figura14.4 Uma forma de calcular Rs.
Exemplo 14.2
Um JFETautQPoli;\:rizad~Jemiacurvadeiliran~~ndu,t~çj,~,mo$lirada.naFig1.1ra14.5.
Use a soluçãográffi::ap~tâ deterrnifJtfi'oponto~ parà umRs de.470Q.
Solução
Como 11')55 mA,a
Ves = -(10mA)(470Q) = -4,7V
Plote opontQcon;1<coQJi.~(;)ni;\~i;\s d~i.~Otlil~ e'1ti!!f,,7~,..Em.,I!!!?g1.1i~i;\,d~$enh~ a reta a
partir da origem eatraves d6'ponto plotadopara obter a reta mostrada na Figura
14.5.Finalmente, leia a seg1.1intecoordenada no ponto de interseção:
ID
lOmA
5mA
-6V -4V -2V o Ves
Figura14.5 Exemplo.
-
Capo14 CircuitoscomFET 605
A
14.3 SOLUÇÃOCOMA CURVAUNIVERSALDOJFET
Como você determina a corrente de dreno de um JFET autopolarizado quando tem os
valores de 1055 e Ves(off)'porém não tem a curva de transcondutância? Por exemplo,
como você pode determinar a corrente de dreno no circuito da Figura 14.6?
+20V
IDss = 10 mA
Ves(off)= --4V
- -
Figura14.6 Autopolarização.
Aqui está a forma algébrica de resolver o problema. A corrente de dreno é
dada por
606 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.14
(
Ves
)
2
ID = IDSS 1 - VeS(off)
(14.3)
Isso diz que a corrente de dreno depende de VGS' que é igual a
V es = - ID Rs (14.4)
Pelo método da substituição, podemos resolvê-Ia para ID.
Uma outra solução para. o trabalho do dia-a-dia é usar a curva universal
mostrada na Figura 14.7. Esse gráfiCO"é chamado curva universal porque você pode
usá-Io para qualquer JFETautopolarizado. Dados IDSS,VGS(off)e Rs, você pode calcular
RsI RDS.Em seguida, você pode ler o valor de IDIIDSSna Figura 14.7. Com esta razão,
é possível calcular o IDdo circuito.
A propósito, a curva universal da Figura 14.7foi criada da seguinte forma: um
computador foi programado para resolver as equações (14.3) e (14.4) para diferentes
valores de IDSS,VGS(off)e Rs. O resultado foi então colocado em forma de gráfico para
obter a curva universal que você vê na Figura 14.7.
Figura14.7
ID
IDss
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,01 0,02 0,04 0,1 0,2 0,4 1,0 2,0
Rs
RDs
4,0 10 20 40 100
Curva universal.
Capo14 Circuitos com FET 607
Qual a c
SoJuçio
14.4 A TRANSCONDUTÂNCIA
Para analisar amplificadores JFET, precisamos discutir uma grandeza ca chamada
transcondutância,designada por gm. AIgebricamente, a transcondutância é dada por
608 Eletrônica - 4BEdição - Volume 1 Cap.14
MD
gm = ilVGS
(14.5)
Como as mudanças em ID e VGS são equivalentes para a corrente e a tensão ca, a
Equação (14.5)pode ser escrita como.
ld
gm = 'Ugs
(14.6)
Se os valores de pico a pico são id = 0,2 mA e 'Ugs= 0,1 V, então
0,2 mA
gm = 0,1 V = 2(10-3) mho = 2.000 ~mho
A unidade 1/rnho" é a razão entre a corrente e a tensão. O equivalente formal para o
mho é o Siemens (5). A maioria das folhas de dados contirÍua a usar o mho em vez do
siemens. Elas também usam o símbolo gfspara gm'Como um exemplo, a folha de dados
de um 2N5451 apresenta um típico gfsde 2.000 mho para uma corrente de dreno de 1
mA. Isso é idêntico a dizer que o 2N5451 tem uma gm típica de 2.000 ~mho a 1 mA.
ModeloIdealCAparaJFET
A Figura 14.8 esclarece o significado de gm em relação à curva de transcondutância.
Entre os pontos A e B, uma mudança em VGS produz uma mudança em 10' A razão da
mudança em 10 para a mudança em VGS é igual ao valor de gm entre A e B. Se
selecionamos um outro par de pontos mais para cima na curva em C e D, obtemos mais
de uma mudança em 10para uma dada mudança em VGS' Portanto, grn tem um valor
maior mais para cima na curva. O maior valor de grné para a maior tensão efetiva de
porta que controla a corrente de dreno.
A Figura 14.8 mostra um circuito equivalente ca simples para um JFET.Há
uma resistência RGSmuito alta entre a porta e a fonte. Esse valor está bem na faixa das
dezenas ou centenas de megohms. O dreno do JFET funciona como uma fonte de
corrente com um valor de gm'Ugs'Se soubermos os valores de grne de 'Ugs,poderemos
calcular a corrente ca de dreno. Esse modelo é uma primeira aproximação porque ele
não inclui a resistência interna da fonte de corrente, a capacitância do JFETe assim por
diante. Em baixas freqüências, podemos usar esse modelo ca simples na análise de
defeitos e análises preliminares.
.t
Cap.14 Circuitos com FET 609
ID
{-
Ves
PORTA DRENO
rtf-v~
FONTE
(b)
~
VeS(off) Ves
.j. (a) (c)
Figura 14.8 (a) Transcondutância; (b) circuito equivalente; (c) variação da transcondutân-
cia.
ATranscondutânciae a TensãodeCortePorta-Fonte
Aqui está uma fórmula útil:
V GS(off) =
-2IDSS
gmO
(14.7)
'T
Ela é útil porque VGS(off)é difícil de ser medida com precisão. Porém, IDSS e gmo são
fáceis de serem medidos com grande precisão. Portanto, a aproximação padrão é medir
IDSSe gmo, e então calcular VGS(off)'Isso é feito na folha de dados.
Quando V GS = O,gm tem o seu valor máximo. Esse valor máximo é designa-
do como de gmÜfou gfs o na folha de dados. Quando VGS é negativa, gm diminui de
valor. Aqui está a equação de gm para qualquer valor de V Gs:
(
VGS
)
gm = gmo 1 - VGS(off)
(14.8)
Observequegmdiminui linearmentequando VGSse torna maisnegativa,comomostra-
do na Figura 14.8c.Essa propriedade é útil em controle automático de ganho, que será
discutido mais tarde.
610 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
Transcondutânciade umBipolar
o conceito de transcondutância pode ser usado com transistores bipolares. Ela é
definida como para os JFETs, exceto por uma mudança nos subíndices. Se reescreve-
mos a Equação (14.6)em termos de tensão e corrente bipolar, obtemos
IC
gm = ube
Lembre-se de que r: = ubefie- Portanto, podemos escrever
1
gm = --,re
(14.9)
Essa equação é útil porque ela nos permite comparar transistores bipolares e JFETs.
Exemplo 14.5
Um 2N5457 tem 1055 = 5 mA e gmo = 5.000 !.tmho. Qual o valor de 10 para
V GS = -1 V? Qualp valpr d!itgmpiíP'aes~a co:qrente~e dreno?
Solução
Comece com a Equação (14.7) ,para obter um valor preciso de VGS(off):
~(5 Iri1l\)
VGS(off)=5.000 !.tmho = -2 V
Para obter a corrente de dreno, calcule primeiro o fator K com a Equação (13.4):
=0,25
Então, a corrente de dreno é
= 0~5(5mA)"" 1,25.mA
Em seguida, use a Equação (14.8) para calcular gm para VGS = -1 V:
)=mZ.5'!.trnhO
Como você vê, gm é de 2.500 !.tmho quando 10 é de 1,25 mA.
I"
Capo14 Circuitos com FET 611
~
Sotuçâo
-+
Em
J
do
Exemplo 14;1'
r'"
14.5 AMPLIFICADORESJFET
A Figura 14.9amostra um amplificador fonte-comum (CS-commom-source).Ele é similar
a um amplificador Ec. Portanto, muitas das idéias que você aprendeu antes sobre
transistores bipolares se aplicam aqui. Por exemplo, os capacitores de acoplamento e
612 Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.14
de derivação funcionam como curtos para ca. Por isso, a tensão ca de entrada é
acoplada diretamente à porta. Como a fonte está no terra para capor meio do capacitor
de derivação, toda tensão cade entrada aparece entre a porta e a fonte. Isto produz uma
corrente cade dreno. Como a corrente ca flui através do resistor do dreno, obtemos um
amplificador com tensão ca invertida na saída. Esse sinal de saída é então acoplado ao
resistor de carga.
A Figura 14.9bmostra o circuito equivalente ca. Aqui, a resistência da porta
está em paralelo com a resistência porta-fonte do JFET.Como a tensão ca de entrada
aparece através dos terminais porta-fonte, a fonte de corrente tem um valor de gmVento
Essa corrente ca de dreno circula através da resistência ca de dreno, que são as resis-
tências RDe RLem paralelo.
Vent
~~.
RLl~
Rc
- - - -
(a)
VW~ %1 %1
gmvent RD RL
I
Vsaída
~- - - - - -
(b)
Figura14.9 (a) Amplificador fonte-comum; (b) circuito equivalente.
r,
t
Cap.14 Circuitos com FET 613
GanhodeTensão
Na Figura 14.9a, a resistência ca de dreno é
rd = RD II RL
Quando a corrente de saída gmUent flui através de rd' ela produz uma tensão de saída de
Usaída = gm Uentrd
Divida ambos os lados por Uent e obtenha
Usaída
Uent = gm rd
r
.,- Lembre-se de que o ganho de tensão é definido como a tensão de saída dividida pela
tensão de entrada. Portanto, a equação anterior pode ser escrita como
A = gmrd (14.10)
r Ela diz que o ganho de tensão de um amplificador CS é igual à transcondutância vezes
a resistência ca do dreno.
AtalhosdoTransistorBipolarparao JFET
~ Lembre-se de que a gm de um transistor bipolar é dada por
1
gm = ---,re
Há uma conexão entre o ganho de tensão de um JFET e de um transistor bipolar. Essa
conexão permite-nos usar um atalho para derivação e recordação das fórmulas do
JFET. Como os transistores bipolares e os JFETs têm circuitos equivalentes similares,
toda as fórmulas para ganho de tensão são análogas umas às outras. Isso significa que
podemos reescrever qualquer fórmula de bipolar para um circuito JFET comparável
mudando os subíndices e substituindo r: por 1/ gm' Por exemplo, o amplificador
bipolar EC tem um ganho de tensão de
614 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
Te
A=-r
Te
Um amplificador JFET CS tem o mesmo projeto de configuração. Portanto, podemos
substituir Tepor Tde T: por 1/ gm para obter
A = Td
lIgm = gm Td
Isso é idêntico à Equação (14.18)que deduzimos antes.
Um amplificador JFET linearizado como o da Figura 14.10a tem parte da
resistência de fonte sem o çapacitor de derivação. Isso é similar ao amplificador bipolar
linearizado cujo ganho de tensão é
A = Te
Te + T'e
Rc
IR,
0--1
Rc
i
-
0--1
- - -
(b)
Se você se lembra dessa fórmula para o transistor bipolar, pode obter facil-
mente a fórmula equivalente para JFET.Substitua Tepor Td,Tepor Ts'e T: por 1/ gmpara
obter
- - -- - -
(a)
Figura 14.10 Exemplos.
J-
1
Capo14 Circuitos com FET 615
rd
A = rs + 11gm
(14.11)gm rd
1 + gm rd
Como um exemplo final, o seguidor de fonte da Figura 14.lObé similar a um
seguidor de emissor cujoganho de tensão é
re
A = re + r;
Quando você substitui repor rse r: por 1/ gw obtém o ganho de tensão de um seguidor
de fonte:
rs
A = rs + li gm
(14.12)gmrs
1 + gmrs
É importante lembrar-seda última equação,porque o seguidor de fonteé um
dos circuitos JFET mais largamente usados. Semelhante ao seguidor de emissor, o seu
ganho de tensão é menor do que 1..Mas ele tem a maior vantagem, que é a altíssima
impedância de entrada. Você verá o seguidor de fonte usado em todos os tipos de
aplicações.
Existem similaridades para grandezas cc. Por exemplo, a tensão cc do coletor
de um amplificador CE é
Ve = Vee - leRe
A relação equivalente para JFET é
j
VD = VDD - lDRD
A tensão ccno emissor de um amplificador EC é
VE = lE RE
e a tensão ccna fonte de um amplificador CS é
Vs=lsRs
Outros atalhos e recursos de memória podem ser aplicados por causa da analogia entre
transistores bipolares e JFETs.
616 Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.14
+20 V
10kQ
- - - -
Figura14.11 Exemplo.
Exemplo 14.8
Se gm = 2.500 fA.mhopara o JFET da Figura 14.11, qual a tensão ca de saída?
Solução
A resistência ca do dreno é
k~ 11 l~k~ffi;; 2,~~ik~
o ganho de tensão é
A = (2.500t-trnho)(2,65~) = 6,63
A impedânciad~ en~rada.id{)amplifi~dor<~'
Zent=lMQ
Podemo"" desprezariil R(t$do .jjET ~;rqu~~la~~tá. g~almfi1nte mil.faix;ilde centenas
de megofims.
O gerador tem uma resistência interna de 47 kQ. Portanto, parte da tensão do
sinal aparece como uma queda de tensão através dessa resistência de 47 ~, mas a
queda n&o é gt;ilnd@,.;\tel\\~o <:;~nap~rta~l~etewnq.~a cQWa Lei de Ohm:
A tensão.ca
"ent = 47 kQ + 1 MQ (1 MQ) = 0,955 mV
de entrada:
"saída = 6,63(0,955mV) = 6,33 mV
Cap.14 Circuitos com FET 617
Segm =
saída?
SoluçAp
1..
"I'
A tensão ca de 'S~
..,
,~
1m V lOMQ
1~ 11~- - - -
Figura14.12 Exemplo.
618 Eletrônica - 4n Edição - Volume 1 Cap.14
14.6 A CHAVEANALÓGICACOMJFET
o seguidor de fonte é uma das maiores aplicações do JFET.Nessa aplicação, um JFET
funciona como uma fonte de corrente. Uma outra grande aplicação de JFETs é no
chaveamento analógico. Nessa aplicação, o JFETfunciona como uma chave. Para obter
esse tipo de operação, a tensão porta-fonte Ves é limitada a dois valores: OV ou uma
grande tensão negativa, que tem de ser igualou mais negativa do que VeS(off)'
A Figura 14.13aé chamada chaveparalelacom JFET.Este é ligado e desligado por
Ves, por isso podemos usar a Figura 14.13bcomo um circuito equivalente. Para operação
normal, a tensão caUenté pequena, tipicamente menor que 100mV.E também, RDé muito
maior do que RDS.Quando Ves é zero, o JFETopera na região ôhmica e a chave da Figura
14.13bé fechada. Nesse caso, Usaídaé muito menor do que Uentpor causa do divisor de
tensão. Quando Ves é mais negativa do que Ves(off),o JFET está em corte e a chave da
Figura 14.13bestá aberta. Isso significa que Usaídaé igual a Vento
A Figura 14.13cmostra uma chaveem sérieJFETe a Figura 14.13dtraz o circuito
equivalente dela. Quando Ves é zero, a chave está fechada e o JFETé equivalente a uma
resistência de RDS.Nesse caso, a saída é aproximadamente igual à entrada. Quando
Ves é igualou mais negativa do que VeS(off),o JFET está aberto e Usaídaé aproxi-
madamente zero.
o~ Vent
Ro Vsaída Vent Ro Vsaída
o~~o~
RoI
(b) -=-
Ves
-
(a)
Vsaída
o~ VO"---c,/~W.
ROI- -
(c) (d)
Figura14.13 (a) Chave paralela; (b) circuito equivalente ca; (c) chave em série; (d) circuito
equivalente ca.
Capo14 CircuitoscomFET 619
1
Solução
Calcule ovai
"';j
Exemplo14;1,t'
Repita
Solução
620 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.14
V 10 kQ Vsaída
~ v~. 110 kQ--
(a) (b)
Figura 14.14 Exemplo.
A chave em série JFET é geralmente preferida porque a razão on-off dela é
muito grande. A razão on-off da chave paralela no Exemplo 14.10é
10 mV = 51
0,196mV
A razão on-off da chave em série com a mesma Ro e o mesmo JFET é
9,8 mV
- = 00
O
Esses são resultados ideais. Na realidade, um JFET aberto pode ter várias centenas de
megohms de resistência. Portanto, a razão on-off da chave em série não será infinita,
mas ela ainda será muito maior do que 51.Por essa razão é que a chave em série é usada
mais vezes do que a chave paralela.
14.7 AMPLIFICADORESMOSFETDEMODODEPLEÇÃO
Como o MOSFETde modo depleção pode operar com tensão de porta positiva ou
negativa, podemos posicionar o seu ponto Q em VGS = O,como mostrado na Figura
14.15a.Então, um sinal ca na porta pode produzir variações acima e abaixo do ponto
Q. Poder usar VGSzero permite a um projetista usar o único circuito de polarização
da Figura 14.15b. Esse circuito simples tem VGS = O e ID = Ioss. A tensão cc no
dreno é
Vos = VDD - IDSSRD (14.13)
, y
...
Cap.14 Circuitos com FET 621
A polarizaçãozero na Figura 14.15aé a única com MOSFETde modo deple-
ção. Embora qualquer um dos métodos de polarização de JFET funcione com um
MOSFET de modo depleção, o método de polarização zero da Figura 14.15bé a forma
preferida de polarização, porque ela faz o serviço simples e adequadamente.
Após o MOSFET do tipo depleção ser polarizado no ponto Q, ele pode
amplificar pequenos sinais. As fórmulas do JFET para o ganho de tensão aplicam-se
diretamente a um amplificador MOSFET. Porém, semelhante ao JFET,o MOSFET de
modo depleção tem um ganho de tensão relativamente baixo. Os MOSFETs têm exce-
lentes propriedades de baixo ruído, uma clara vantagem para qualquer estágio próxi-
mo à entrada de um sistema onde o sinal é fraco, tal como um receptor de televisão.
Como em um JFET, a gm de um MOSFET pode ser controlada mudando-se a tensão
porta-fonte. Por isso, os MOSFETstêm sido usados para controleautomáticodeganho (se
lhe interessar, veja nos "Tópicos Opcionais").
+VDD
ID
Ves
Re -
-
(a) (b)
Figura14.15 Polarização zero.
Alguns MOSFETssão dispositivos de porta dupla. Isso significa que eles têm
duas portas separadas, como o MOSFET mostrado na Figura 14.16a. Um dos usos
desse dispositivo é na construção de um amplificadorcascodecomo o da Figura 14.16b.O
sinal cade entrada aciona a porta inferior. A porta superior é aterrada. Por causa da sua
estrutura interna, o MOSFET de porta dupla é equivalente a um MOSFET acionando
outro MOSFET.Como pode ser mostrado, o amplificador cascode da Figura 14.16btem
um ganho de tensão de
A = gmRo
..
Isso é o mesmo que um amplificador CS simples. Porém, a impedância de entrada em
alta freqüência é grande, porque a capacitância de entrada é baixa.
622 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.14
No próximo capítulo, discutiremos os efeitos da capacitância e da freqüência.
Lá você verá como a capacitância diminui o ganho de tensão em altas freqüências. Uma
das aplicações preferidas do MOSFET de modo depleção é um amplificador cascode
como o da Figura 14.16b,porque ele continua a proporcionar um ganho de tensão útil
em freqüências altas. Por freqüências altas, queremos dizer frequências VHF e UHE
(Nota:VHF inclui todas as freqüências de 30 a 300MHz e UHF são todas as freqüências
de 300 a 3.000MHz.)
E o Vsaída
Vent~
Rc
- -
(a) (b)
Figura14.16 (a) MOSFET de porta dupla; (b) amplificador cascode usando MOSFET de
porta dupla.
Exemplo14.12
O 3N201 da Figura 14j17tem!~t>ss ..,4mA,"Ves(off)== -2Vegm ==1O.000fA.mho.Qual
a tensão cc entre o dreno e o terra? Qual o ganho de tensão?
Solução
A tensão cc no dren@é igu",~ à teIlSão dê' alimêf'lfação'oonenosa queda de tensão
através do resistor de dreno:
VD .. 15 V - (4 mA)(l,8 kQ) .. 7,8 V
o ganho de tensão é
A .. (10.00 fA.mho)(l,8kQ) .. 18
-
Capo14 Circuitos com FET 623
+15 V
E---o Vsaída
- -
Figura14.17 Amplificador cascode.
14.8 APLICAÇÕESDOMOSFETDEMODOINTENSIFICAÇÃO
Por que o MOSFETde modo intensificação revolucionou a indústria de computadores?
Devido à sua tensão de limiar, ele é ideal para ser usado como um dispositivo de
chaveamento. Quando a tensão da porta é maior do que a tensão de limiar, o disposi-
tivo conduz. Essa ação liga-desliga é a base de funcionamento dos computadores. Se
você estudar os computadores, verá como eles usam milhões de MOSFETs de modo
intensificação típicos como chaves liga-desliga para processar dados. (Dados signifi-
cam números e instruções.)
Chaveamentode CargaPassiva
....~
A Figura 14.18 mostra um MOSFET de modo intensificação e uma cargapassiva.A
palavra passiva significa um simples resistor. Nesse circuito, 'Uenté baixa ou alta. Baixa
significa qualquer tensão que seja menor do que a tensão de limiar. Alta significa
qualquer tensão que seja maior do que a tensão de limiar. Por exemplo, se
VGS(th) = +2 V, então Uent= OV e Uent= +5 V seriam admitidas como tensões baixa e
alta, respectivamente.
Quando Uenté baixa, o MOSFET está desligado e 'Usaídaé igual à tensão de
alimentação. Quando Uenté alta, o MOSFET conduz intensamente e a tensão de saída
cai para um valor baixo. Para o circuito funcionar adequadamente, a resistência do
dreno RDSna região ôhmica tem de ser muito menor do que a resistência passiva do
dreno. Algebricamente,
624 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.14
RDS « RD
Como regra, Ros deve ser pelo menos 10 vezes menor do que Ro.
Um circuito como o da Figura 14.18é um circuito simples de computador que
pode ser construído. Ele é chamado inversor porque a tensão de saída é o oposto da
tensão de entrada. Quando a tensão de entrada é baixa, a tensão de saída é alta, e
vice-versa. Os circuitos de chaveamento são muito menos exigidos do que os amplifi-
cadores. Tudo o que importa nos circuitos de chaveamento é que a tensão de entrada e
de saída possam ser facilmente reconhecidas como baixa ou alta.
Vsaída
Vent
-
Figura14.18 Carga passiva.
Em circuitos de chaveamento como o da Figura 14.18, a resistência do dreno
Ros do MOSFET é muito menor do que a resistência de carga passiva Ro. Como tudo
o que importa para os circuitos de chaveamento é poder reconhecer uma tensão como
baixa ou alta, podemos aproximar o JFET de uma simples chave liga-desliga. Os que
trabalham com isso e olham um circuito como o da Figura 14.18 não vêem um MOS-
FET. Eles vêem uma chave liga-desliga em série com Ro. Quando a chave está aberta,
vsaídaé alta. Quando a chave está fechada, vsaídaé baixa.
Chaveamentode CargaAtiva
Os circuitos integrados (CIs) consistem de centenas de transistores, bipolar ou MOS,
microscopicamente pequenos. Os primeiros circuitos integrados também incluíram
resistências de carga passivas como a da Figura 14.18.Porém, uma resistência de carga
passiva tem uma grande desvantagem: ela é fisicamente bem maior do que um MOS-
FET. Por isso, os circuitos integrados com resistores de carga passivos eram bem
f
.., .
Cap.14 Circuitos com FET 625
maiores do que os circuitos integrados usados agora. Alguém encontrou uma solução
para o problema inventando resistoresdecargaativos. Isso reduziu muito o tamanho dos
circuitos integrados e permitiu o surgimento dos computadores que temos hoje.
A principal idéia foi livrar-se dos resistores de carga passivos. Mas como? A
Figura 14.19 mostra a invenção. Ela é chamada chaveamentode cargaativa. O MOSFET
inferior ainda funciona como uma chave, porém o MOSFET superior funciona como
uma resistência de grande valor. Observe que o MOSFET superior tem a sua porta
conectada ao seu dreno. Por isso, ele se toma um dispositivo de dois terminais com
uma resistência de
VDS
RDS = ID
(14.14)
Para o novo circuito funcionar adequadamente, o RDSdo MOSFET superior tem de ser
grande quando comparado ao RDSdo MOSFET inferior.
+VDD
,I Ql
Vsaída
Q2
Vent
-
Figura14.19 Carga ativa.
O RDS do transistor superior é maior que o RDSdo transistor inferior? Sim.
Você pode ver isso olhando para a Figura 14.20.A conexão da porta ao dreno resulta
sempre em VGS = VDS'Portanto, podemos trocar a curva do dispositivo de dois
terminais mostrada aqui. A razão entre a tensão e a corrente em qualquer ponto dessa
curva é o valor de RDS para o MOSFET superior. Por exemplo, quando
VGS = VDS = 15 V, a corrente de dreno é de aproximadamente 3 mA e a resistência de
dreno do MOSFET de dois terminais é
15 V = 5 kQ
RDS = 3mA
626 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
ID
ÔHMICO CURVA DO DISPOSITIVO DE DOIS TERMINAIS
1mA
VGS =+15 V3mA~.
2mA
VGS = +10 V
VGS= +5 V
o 2V 5V lOV 15V
VDS
Figura14.20 Curva do MOSFET de dois terminais.
Se o MOSFETinferior tem as mesmas curvas de dreno, entãoa sua resistência
de dreno na região ôhmica é de aproximadamente
~ = 667QRos = 3mA
Como você vê, o Ros do MOSFET superior é bem maior do que o RDS do
MOSFET inferior.
Para manter distintas as duas resistências de dreno, algumas folhas de dados
usam ROS(on)para a resistência de dreno do MOSFET de dois terminais e rOS(on)para a
região ôhmica. Por exemplo, a folha de dados de um M116fornece 10(on) = 2 mA para
VGS = VOS = +10 V. Com isso, você pode calcular
10 V = 5 kQ
ROS(on)= 2 mA
Essa é a resistência de dreno quando o dispositivo é usado como um resistor de dois
terminais. A mesma folha de dados também fornece rOS(on)de 200 Q. Essa é a resis-
tência de dreno quando o dispositivo é usado como um MOSFET de três terminais na
região ôhmica.
Concluindo, o circuito de chaveamento da Figura 14.19 tem uma tensão de
entrada que é baixa ou alta. O MOSFET inferior é idealmente equivalente a uma chave
liga-desliga, enquanto o MOSFET superior é idealmente equivalente a um resistor de
grande valor.
-t<
Cap.14 Circuitos com FET 627
InversorCMOS
Podemos construir circuitos MOS complementares(CMOS) com MOSFETs de canal p e
n. Um dos mais importantes é o inversor CMOS mostrado na Figura 14.21a.Observe
que Ql é um dispositivo de canal p e Q2 de canal n. Esse circuito é análogo ao
amplificador bipolar push-pull classe B da Figura 14.21b.Quando um dispositivo está
ligado, o outro está desligado, e vice-versa.
+VDD +Vcc
Vent
Ql
Vsaída Vent
Ql
Vsaída
Qz Qz
- -
(a) (b)
Figura 14.21 Circuitos complementares.
;.;;J'~
Por exemplo, quando Uenté baixa na Figura 14.21a,o MOSFET inferior está
desligado, mas o superior está ligado. Portanto, a tensão de saída é alta. Porém, quando
Uenté alta, o MOSFET inferior está ligado e o superior, desligado. Nesse caso, a te~são
de saída é baixa. Como a tensão de saída está sempre na fase oposta da entrada, o
circuito é chamado inversor.
O inversor CMOS pode ser modificado para construir outros tipos de circui-
tos complementares. A principal vantagem no uso de projetos CMOS é o seu consumo
de potência extremamente baixo. Como os dois dispositivos estão em série, a corrente
é determinada pela fuga no dispositivo que está desligado, que é tipicamente em
nanoamperes. Isso quer dizer que a potência total dissipada no circuito é dada em
nanowatts. O baixo consumo de potência é a razão principal dos circuitos CMOS serem
populares em calculadoras, relógios digitais e em satélites.
628 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.14
TransistoresVMOS
o transistor VMOS é um MOSFET de modo intensificação modificado para manipular
correntes e tensão bem maiores do que um MOSFET convencional. Antes da invenção
do transistor VMOS, os MOSFETsnão podiam competir com as amplas especificações
de potência dos transistores bipolares. Mas agora o VMOS oferece um novo tipo de
MOSFET que é melhor do que o transistor bipolar em muitas aplicações que neces-
sitam de alta potência na carga.
Um transistor VMOS tem um coeficiente térmico negativo. À medida que a
temperatura do dispositivo aumenta, a corrente de dreno diminui, o que reduz a
dissipação de potência. Por isso, o transistor VMOS não pode entrar em deriva térmica,
que é urna grande desvantagem de qualquer amplificador de potência.
Quando
variando para
aumentará>para
Exemplo11.1'3
Solução
O MOSFET
MOSFET de
O
r
I
~
Cap.14 Circuitos com FET 629
Devido a seus coeficientes negativos de temperatura, dois transistores VMOS
podem ser conectados em paralelo para aumentar a potência na carga. Se um dos
transistores VMOS em paralelo tentar se apropriar da corrente, o seu coeficiente
negativo de temperatura reduz a corrente através dele, de maneira que fluam correntes
aproximadamente iguais através dos transistores VMOS em paralelo.
Uma outra vantagem que o transistor VMOS tem sobre o transistor bipolar é
a de não sofrer o efeito do tempo de armazenamento. Pela não-existência de cargas
extras armazenadas no VMOS quando está conduzindo, ele pode sair da saturação
quase imediatamente. Tipicamente, um transistor VMOS pode interromper uma cor-
rente de alguns amperes em décimos de nanossegundos. Isso é de 10 a 100vezes mais
rápido do que um transistor bipolar comparável. Portanto, o transistor VMOS tem
inúmeras aplicações em circuitos de chaveamento de alta velocidade, em reguladores
de chaveamento etc.
+15V +15V
Vent
500 Q
ID(on) =1 mA
VD(on) = 15 V
15kQ
Vsaída Vsaída
VeS(th) =+2 V
rDS(on) = 500 Q
- -
(a) (b)
Figura14.22 Exemplo.
14.9 OUTRASPOLARIZAÇÕESPARAOJFET
A autopolarização é a forma mais popular de estabilizar o ponto Q de um JFET,porque
a operação em pequeno sinal é comum para JFETs.Esse tipo de operação não requer
um ponto Q firme como rocha. Algumas vezes os JFETs são usados em aplicações de
grande sinal. Nesse caso, um projetista pode decidir usar um método de polarização de
JFET mais estável.
630 Eletrônica - 46 Edição- Volume 1 Cap.14
PolarizaçãoporDivisordeTensão
A Figura 14.23a mostra a polarização por divisor de tensão para um ]FET. A tensão
Thevenin VTHaplicada na porta é
Rz
VTH = R R (VDD)1 + Z
(14.15)
Essa é a tensão cc da porta para o terra. Por causa de VGS' a tensão da fonte para o terra é
Vs = VTH - Ves (14.16)
Portanto, a corrente de dreno é igual a
VTH - Ves
ID = Rs
(14.17)
Se VTHé grande o suficiente para sobrepujar VGSna Equação (14.17), a corrente de
dreno é aproximadamente constante para qualquer JFET,como mostrado na Figura
14.23b.
+Voo
Io
-
IOSS(máx)
- VeS
(a) (b)
Figura 14.23 Polarização por divisor de tensão.
Mas aqui há um problema de projeto.O valor VGS pode variar muito de um
JFETpara outro. Com tensões de alimentação baixas, é difícil fazer VTH grande o
suficiente para realimentar as variações em VGS' Por essa razão, a polarização por
divisor de tensão é mais estável do que a autopolarização, porém não tão estável
quanto é com transistores bipolares. O projetista tem de se empenhar tentando fazer
Cap.14 Circuitos com FET 631
V TH tão grande quanto possível enquanto mantém o ponto Q próximo do centro da
reta de carga ca. Para a estabilidade máxima na polarização, o projetista aumenta V TH
e diminui V GS na medida do possível.
1
Polarizaçãode Fonte
A Figura 14.24 mostra a polarização de fonte (similar à polarização de emissor com duas
alimentações). A idéia é sobrepujar as variações em VGS' Como a maior parte de Vss
aparece através de Rs, a corrente de dreno é em torno de Vss / Rs. O valor exato é dado por'1
Vss - Ves
ID = Rs
(14.18)
Rc
!'('
-
Figura14.24 Polarização de fonte.
'1.1.
Para a polarização de fonte funcionar bem, VSS tem de ser muito maior do que VGS'
Entretanto, uma faixa de variação típica para V GS é de -1 a - 5 V, logo você pode ver
que uma realimentação perfeita não é possível com as tensões de alimentação típicas.
Novamente, a estabilidade máxima na polarização requer um Vss tão grande quanto
possível e um VGS também tão pequeno quanto possível.
PolarizaçãoporFontede Corrente
Quando alimentações positiva e negativa estão disponíveis, você pode usar a polariza-
çãoporfonte decorrente,mostrada na Figura 14.25a.Como o transistor bipolar é polari-
zado pelo emissor, sua corrente de coletar é dada por
632 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Capo14
VEE - VBE
Ic=
RE
(14.19)
Como o transistor bipolar funciona como uma fonte de corrente cc, ele força a corrente
do dreno do JFETa ser igual à corrente do coletor do bipolar:
ID = Ic
A Figura 14.25bilustra como é eficiente a polarização por fonte de corrente. Como Ic é
constante, os dois pontos Q têm o mesmo valor da corrente do dreno. A fonte de
correnteeliminaefetivamentea influênciade VGS' EmboraVGSsejadiferentepara cada
ponto Q, ele não mais influencia o valor da corrente de dreno. Essa é a estabilidade
definitiva na polarização para um JFET.
+VDD
Rc
ID
-
IDSS(máx)
- Ves
-VEE
(a) (b)
Figura 14.25 Polarização por fonte de corrente.
TÓPICOSOPCIONAIS
14.10 IMPEDÂNCIADESAíDADOSEGUIDORDEFONTE
Como discutido na Seção 12.8, o seguidor de emissor tem uma impedância de saída de
I
~I
.~
~
.1
Cap.14 Circuitos com FET 633
RG II RI II R2 II
rth=r;+ 13
A forma de você se lembrar disso é a seguinte: olhando o circuito por trás, a partir do
emissor, você vê r I mais a impedância reduzida do circuito da base. Essa reduçãoe
ocorre por causa do ganho de corrente entre a base e o emissor. Como as impedâncias
aumentam quando são vistas da base, elas diminuem quando vistas do emissor.
a seguidor de fonte é análogo ao seguidor de emissor, logo a fórmula para a
sua impedância de saída suporta alguma semelhança com a equação já mencionada.
Aqui está como deduzir a impedância de saída de um seguidor de fonte:
usaída Rs
usaída = Rs + l/gm
Portanto, a tensão de saída é
Rs
usaída= R + lI g (Uent)5 m
A Figura mostra o circuito equivalente para essa equação. A resistência de Thevenin
olhando para trás no circuito é
1
rth = RS II gm
(14.20)
A Figura 14.26b mostra o circuito Thevenin de saída. A tensão Thevenin é Uent'e a
impedância de saída é a resistência equivalente de Rs e 1/ gmem paralelo. Quando Rs é
muito maior do que 1/ grnra impedância de saída do seguidor de fonte é aproxi-
madamente igual a 1/ gm'
634 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
1
gm
1
Rs11 gm
Rs
I
Vsaída
~
Vsaída
- - -
(a) (b)
Figura14.26 Circuito equivalente ca do seguidor de fonte.
14.11 OUTRASAPLICAÇÕESPARAOFET
Nesta seção discutiremos algumas das aplicações em que as propriedades dos FETs
têm urna clara vantagem sobre o transistor bipolar.
Multiplexação
Multiplexadorsignifica" muitos em um". A Figura 14.27mostra um multiplexadoranaló-
gico, um circuito que guia um dos sinais de entrada até a linha de saída. Cada JFET
funciona corno urna chave de um pólo e sem repique. Quando os sinais de controle (VI,
V2 e V3) são mais negativos do que VGS(off)'todos os sinais de entrada são bloqueados,
fazendo qualquer urna das tensões de controle igual a zero, podemos transmitir urna
da entradas até a saída. Por exemplo, se VI for zero, obteremos urna saída senoidal; se
V2 for zero, obteremos urna saída triangular; se V3 for zero, urna saída de onda
quadrada. Normalmente, somente um dos sinais de controle é zero.
ChopperscomJFET(ConversorCC-CCcomJFET)
Podemos construir um amplificador com acoplamento direto deixando de lado os
capacitores de acoplamento e de derivação e conectando a saída de cada estágio
diretamente à entrada do estágio seguinte. Dessa forma, a corrente contínua é acopla-
da, bem corno a corrente alternada. Os circuitos capazes de amplificar sinais cc são
(
:,.--
"
Ir
1
..
,
J
Cap.14 Circuitos com FET 635
chamados amplificadorescc. A maior desvantagem do acoplamento direto é o fenômeno
de deriva (drift), um lento desvio na tensão final de saída produzido pelas variações da
alimentação, do transistor e da temperatura.
rvu
NV
'1JlJ Vsaída
Ro
-
VI V2 V3
Figura14.27 Multiplexador analógico.
A Figura 14.2& mostra uma forma de vencer o problema da deriva produzido
pelo acoplamento direto. Ela é baseada no princípio do chopper (recortador) com a
construção de um amplificador cc. A tensão cc de entrada é pulsada por um circuito de
chaveamento, Isso resulta na onda quadrada mostrada na saída do chopper. O valor de
pico dessa onda quadrada é igual a Vcc'Como a onda quadrada é um sinal ca,podemos
usar um amplificador ca convencional, com capacitores de acoplamento entre os está-
gios. Esses capacitores eliminam o problema da deriva pois eles não a acoplam. A saída
amplificada pode então ser detectada no pico para recuperar o sinal cc.
Se aplicarmos uma onda quadrada na porta de uma chave analógica com
JFET, ela torna-se um chopper (veja a Figura 14.28b). A onda quadrada na porta é
negativa, oscilando de O V a pelo menos VGS(off)'Isso satura e corta alternadamente o
FET.Portanto, a tensão de saída é uma onda quadrada com um valor de pico de VDC
Se a entrada for um sinal ca de baixa freqüência, ele ficará pulsado no formato
da onda ca da Figura 14.28c.Esse sinal pulsado pode agora ser amplificadopor um
amplificador cadesprovido de deriva. O sinal amplificado pode então ser detectado no
pico para recuperar o sinal de entrada original. Em outras palavras, um amplificador
chopper amplificará sinais cc e ca. A única restrição é manter a freqüência do sinal
amplificado muito menor do que a freqüência do chopper. Isso é necessário para obter
uma forma de onda como aquela da Figura 14.28c.
636 Eletrônica - 4B Edição - Volume 1 Cap.14
AVcc
~c ~c JU1fUl
O~~ . .1 JUlJUlI """'.Ii"'l t Om';F,. ICHOPPER. -Çl\t>(JR CA. - ..t)]H'ICO . '.
(a)
AVcc
J
Vcc
0-1 RD
Vcc
OJl.Jl.fL
(c)OLnJ1..f
Ves(on)
- -
(b)
Figura14.28 Amplificador tipo chopper.
Amplificador Reforçador (bufter)
A Figura 14.29mostra um amplificador reforçador (buffer),um estágio que isola o
estágioanterior do estágio seguinte.Idealmente,um bufferdeve ter uma alta impedân-
cia de entrada. Se ele a tiver, quase toda a tensão de Thevenin do estágio A aparecerá
na entrada do buffer,que também deve ter uma baixa impedância de saída. Isso garante
que toda a sua tensão de saída chegue à entrada do estágio B.
O seguidor de fonte é um excelenteamplificadorreforçador (buffer)devido à
sua alta impedância de entrada (bem na faixa dos megohms em baixas freqüências) e a
sua baixa impedância de saída (tipicamente umas poucas centenas de ohms). A alta
impedância de entrada significa uma carga leve para o estágio anterior. A baixa impe-
dância de saída significaque o reforçador (buffer)pode acionarcargas pesadas (peque-
nas resistências de carga).
Zent ALTO Zent BAIXO
Figura14.29 Amplificador buffer isolando os estágios A eB.
I
i
Cap.14 Circuitos com FET 637
AmplificadordeBaixoRuído
Ruído é qualquer perturbação indesejada sobreposta ao sinal útil. O ruído interfere nas
informações contidas no sinal; quanto maior o ruído, menor a informação. Por exem-
plo, o ruído nos receptores de televisão produz pequenas manchas brancas ou pretas
na tela. Um ruído forte pode apagar a imagem. Analogamente, o ruído nos rádios
receptores produz estalos e chiados que às vezes encobrem completamente a voz ou a
música. O ruído independe do sinal porque ele existe mesmo quando o sinal está
desligado.
O FET é um dispositivo excepcional de baixo ruído porque ele produz pou-
quíssimo. Isso é especialmente importante junto à seção de entrada dos receptores e de
outros equipamentos eletrônicos, já que os estágios subseqüentes amplificam o ruído
da seção de entrada juntamente com o sinal. Se usarmos um amplificador FETna seção
de entrada, teremos menos ruído amplificado na saída final.
I
i
I
I
ResistênciaVariávelcoma Tensão
Em nossa aproximação de um JFET ideal, RDS = VplIDss. Isso é útil para uma análise
rápida de JFETsoperando na região ôhmica. Porém, há uma segunda aproximação de
um JFET que é um modelo bem mais próximo das curvas de dreno na região ôhmica.
A verdade é que RDS depende tanto do valor de V GS como também de Vp e [DSS'
A Figura 14.30 mostra as curvas de dreno de um 2N5951 na região ôhmica.
A resistência de pequeno sinal RDS depende do valor de VGS'Você pode calcular
RDS tomando a razão entre a tensão e a corrente de dreno. Por exemplo, quando
VGS= O,
100 mV = 133 Q
RDS = 0,75 mA
Quando VGS = -2 V,
100 mV = 250 Q
RDS = 0,4 mA
Vocêpode ver que VGScontrola o valor de RDS'Por isso, um JFET operando na região
ôhmica com um pequeno sinal ca funciona como uma resistência controlada por
tensão.
638 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
Observe que as curvas de dreno na Figura 14.30se estendem para ambos os
lados da origem. Isso significa que um JFET pode ser usado corno urna resistência
variável com a tensão para pequenos sinais ca, tipicamente aqueles menores que 100
mV. Quando usado dessa forma, o JFET não precisa de urna tensão cc de dreno
proveniente da alimentação. Tudo o que se exige é um sinal ca de entrada. Você verá
muitas aplicações de resistência variável com a tensão nos capítulos posteriores.
Figura14.30 As curvas de dreno são lineares próximas da origem.
A propósito, as folhas de dados apresentam os valores daresistência contro'"
lada pela tensão não corno Ros, mas corno rds(on)'As letras minúsculas são usadas
porque ela é urna grandeza ca de pequeno sinal, válida apenas para pequenos sinais
corno 100 mV de pico a pico (veja a Figura 14.30).Continuamos a usar Ros neste livro
porque unifica a nossa discussão da resistência de dreno sob diferentes condições. Aqui
estão os diferentes valores Ros que você encontrará nas folhas de dados.
ROS(on) Resistência de dreno de um MOSFET de modo intensificação de dois
terminais na região da fonte de corrente. Isso é um pouco maior do que
a resistência de dreno na região ôhmica porque VOS(on)é tipicamente de
10 a 15 V.
rOS(on) Resistência cc do dreno na região ôhrnica. Ela é menor do que ROS(on)
porque ros(on)é medida para um Vos que é menor do que a tensão de
constrição.
I
\
r
I
I
I
l'
Capo 14 Circuitos com FET 639
rds(on) Resistência ca de dreno na região ôhmica. Ela é válida apenas para
pequenos sinais onde JFETestá operando na vizinhança da origem.
ControleAutomáticodeGanho
Quando um receptor for sintonizado de uma estação fraca para uma estação forte, o
alto-falante fará muito barulho, a menos que o volume seja logo abaixado. Ou o volume
pode mudar por causa de "fading" ou enfraquecimento, uma variação na intensidade
do sinal causada por uma variação elétrica no trajeto entre as antenas transmissora e
receptora. Para evitar as variações indesejadas no volume, a maioria dos receptores usa
controle automático de ganho (AGC - Automatic Gain ContraI).
É aí que entra o JFET.Como foi mostrado anteriormente,
(
VGS
)
gm = gmO 1 - VGS(off)
Essa é uma equação linear. Quando plotada, ela resulta na Figura 14.31a.Para um JFET,
gm atinge um valor máximo quando VGS = O. À medida que VGS se torna mais
negativa, o valor de gm diminui. Como um amplificador fonte-comum tem um ganho
de tensão de
A = gmrd
podemos controlar o ganho de tensão controlando o valor de gm'
A Figura 14.31bmostra como isso é feito, Um amplificador JFETestá próximo
da entrada de um receptor. Ele tem um ganho de tensão de gmrd' Os estágios subse-
qüentes amplificam a saída do JFET. Esse sinal de saída amplificado segue para um
detector de pico negativo que produz a tensão VAGC' Esta tensão negativa volta ao
amplificador JFET,onde é aplicada à porta por meio do resistor de 10 kQ Quando o
receptor é sintonizado de uma estação fraca para uma outra forte, um sinal grande é
detectado no pico e VAGCé mais negativa. Isso reduz o ganho do amplificador JFET.
O efeito total do AGC é o seguinte: o sinal final aumenta, mas não tão
linearmente quanto o faria sem o AGe. Por exemplo, em alguns sistemas AGC, um
aumento de 100% no sinal de entrada resulta num aumento de menos de 1% no sinal
final da saída.
640 Eletrônica - 4BEdição - Volume 1 Cap.14
V GS(off)
(a)
vD
2N5457
lOkQ - +I5V- - -
-- VAGC
(b)
Figura14.31 Controle automático de ganho.
AmplificadorCascode
gm
gmO
o VGS
v . I ESTÁGIOS
salda SU!3SEQÜENTES
MAIS
ESTÁGIOS
DETECTaR
DE PICO
NEGATIVO
A Figura 14.32a é um exemplo de um amplificador cascode, um amplificador fonte-
comum (FC) que aciona um amplificador porta-comum (PC). Aqui está como ele
funciona: para simplificar, vamos supor JFETsiguais, de maneira que ambos tenham a
mesma gm' O amplificador FC tem um ganho de
AI = gmRD
A impedância de entrada do amplificador PC é 1/ gm' Essa é a resistência de dreno que
o amplificador FC vê. Portanto,
~ = 1
AI = gmRD = gmgm
!
I
I
t
!
(
"[
Cap.14 Circuitos com FET 641
o JFETsuperior tem um ganho de
A2 = gmRo
Logo, o ganho total dos dois JFETsé
A = AIA2 = gmRo
Isto significa que uma conexão cascode tem o mesmo ganho de tensão que um ampli-
ficador Fc.
A principal vantagem de uma conexão cascode é a sua baixa capacitância de
entrada, que é consideravelmente menor do que a capacitância de entrada de um
amplificador CS. O primeiro capítulo do volume 2 explicará por que um amplificador
cascode tem uma baixa capacitância de entrada (está relacionado com o efeito Miller).
Até agora, basta você se lembrar de que um amplificador cascode tem o mesmo ganho
de tensão de um amplificador FC, mas a sua capacitância de entrada é muito baixa.
LimitaçãodeCorrente
O JFET da Figura 14.32b pode proteger uma carga contra corrente excessiva. Por
exemplo, suponha que a corrente de carga normal seja de 1 mA. Se Ioss = 10 mA e
rOS(on)= 200 Q, então uma corrente de carga normal de 1 mA significa que o JFETestá
operando na região ôhmica com uma queda de tensão de somente
Vos = (1 mA)(200 Q) = 0,2 V
Portanto, praticamente toda a tensão de alimentação aparece através da carga. Supo-
nha agora que a carga esteja em curto. A corrente de carga tenta então aumentar até um
nível excessivo.Essa correnteaumentada forçao JFETa ir para a região ativa, onde ele
limita a corrente a 10 mA. O JFET agora funciona como uma fonte de corrente e evita
uma corrente de carga excessiva.
O fabricante pode conectar a porta à fonte e encapsular o JFET como um
dispositivo de dois terminais. É assim que os diodos de corrente constante são feitos.
Os diodos de corrente constante são também chamados diodos reguladores de corrente.
642 Eletrônica - 48 Edição - Volume 1 Cap.14
+30V
+VDD
Vsaída
-
(b)
Figura14.32 (a) Amplificador cascode; (b) limitador de corrente FET.
AmplificadordeAmostrageme Retenção
Semelhante ao JFET,o MOSFET pode funcionar como uma chave paralela ou em série
com a carga. O MOSFET de modo intensificação é particularmente útil em aplicações
de chaveamento porque ele normalmente está desligado. A Figura 14.33amostra um
circuito útil chamado amplificadordeamostrageme retenção.Quando VGSé alta, o MOS-
FET é ligado e o capacitor carrega-se até o valor da tensão de entrada. A constante de
tempo da carga é muito pequena porque rds(on)é pequena. Quando VGSse torna baixa,
o MOSFETabre-se e o capacitor começa a descarregar através do resistor de carga. Se a
constante de tempo da descarga é muito grande, o capacitor pode manter a sua carga
por um longo tempo.
Em muitas aplicações precisamos de uma saída cc igual à tensão de entrada
em um determinado instante. Por exemplo, suponha que queremos o valor da tensão
de entrada no ponto A na Figura 14.33b.Seaplicarmosum pulso estreito VGSno ponto
A, a Usaídado amplificador de amostragem e retenção pode carregar até aproxi-
madamente UA,como mostrado. Quando VGS retoma a zero, o MOSFETabre-se e a
tensão de entrada não pode mais afetar o valor da tensão de saída. Dada uma constante
de tempo longa, a tensão de saída mantém-se em UApor um período indefinido (veja a
Figura 14.33b).
--
- -- -
VentO--r
Rent ALTA
CentBAIXA
1- - -- - -
(a)
Cap.14 Circuitos com FET 643
Vent
Vent
VA~
Vsaída
JL..
O
rCH
RL
ves
Ln
A
.. t
Ves
- -
Vsaída
VAU
A
.. t
(a) (b)
Figura14.33 (a) Amplificador de amostragem e retenção; (b) formas de onda.
T
Quando VGS é alta na Figura 14.33a,o circuito está amostrando a entrada e o
capacitorcarrega-secomaproximadamenteo valor da tensão de entrada. Quando VGS
retoma para baixo, o circuito entra na condição de retenção porque o capacitor armaze-
na o valor amostrado da tensão de entrada. Lembre-se da idéia básica de um amplifi-
cador de amostragem e retenção. Ele é muito usado com conversores de digital para
analógico (circuitos de computadores).
MOSFETsdeModoIntensificaçãodePotência
I.,
Conforme discutido antes, o transistor VMOS é um MOSFET de modo intensificação
otimizado para dissipar alta potência. Uma aplicação importante para os MOSFETsde
potência consiste no interfaceamento de dispositivos digitais de baixas potências com
cargas de altas potências. Interfacear significa usar algum tipo de buffer entre um
dispositivo de baixa potência (muitas vezes um CI digital) e uma carga de alta potência
(tal como um relé, um motor ou uma lâmpada incandescente). O MOSFET de modo
intensificação de potência é um excelente dispositivo para interfaceamento de CIs
digitais para cargas de alta potência. Como mostrado na Figura 14.34, um CI digital
aciona a porta de um MOSFET de potência.Quando a saída digital é baixa, o MOSFET
está desligado. Quando a saída digital é alta, o MOSFET funciona como uma chave
fechada e a corrente máxima flui através da carga. O interfaceamento de CIs digitais
(tais como CMOS, MOS ou TTL) para cargas de alta potência é uma das mais impor-
tantes aplicações para MOSFETsde potência.
644 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.14
CI
DIdITAL
- -
Figura14.34 Transistor VMOS interfaceando um CI digital de baixa potência com uma
carga de alta potência.
o controle de motores é uma outra aplicação importante de MOSFETs de
potência. A Figura 14.35 mostra parte de um robô. O SK9502 é um MOSFET de
potência. Ele tem uma especificação de corrente máxima de 3 A e uma tensão de
ruptura de 20 V. O circuito faz a interface de um inversor CMOS com um relé.
Tipicamente, um relé necessita de centenas de miliamperes, uma carga muito pesada
para um CI digital como um inversor CMOS. O SK9502 tem uma especificação de
corrente máxima de 3 A, que é mais do que suficiente para alimentar o relé.
Quando Venté baixa, o inversor CMOS (Q1e Q2)tem uma saída alta que liga o
MOSFET.Como este tem uma rDS(on)muito pequena, ele curto-circuita efetivamente o
terminal inferior do relé ao terra. Então, os contatos do relé fecham e o motor parte. O
motor continua a girar enquanto Uenté baixa. Quando Uentse torna alta, a saída do
inversor CMOS torna-se baixa. Então, o MOSFET de potência entra em corte, o relé
abre-se e o motor pára.
Vent
+12 V
MOTOR
-
Figura14.35 Parte de um robô.
Cap.14 Circuitos com FET 645
RESUMO
Seção 14.1 A AutopolarizaçãodeJFETs
A corrente de dreno produz uma tensão
através do resistor da fonte. Isso polariza
reversamente o JFET. Quanto maior a
resistência da fonte, mais negativa é a
tensão porta-fonte. A autopolarização é
a polarização de JFET mais largamente
usada. Como a autopolarização produz
uma realimentação negativa, ela estabili-
za o ponto Q contra as mudanças nas
grandezas do JFET.
Seção14.2 SoluçãoGráficapara a
Autopolarização
r
Quando uma curva de transcondutância
para um JFETestá disponível, você pode
encontrar o ponto Q de um circuito auto-
polarizado desenhando a reta de auto-
polarização. Essa é uma reta que começa
na origem e passa pelo ponto com coor-
denadas de IDSS e -IDSSRs. Ainterseção
da reta de autopolarização e a curva de
transcondutância é o ponto Q.
t
Seção14.3 Soluçãocoma Curva
UniversaldoJFET
Essa é uma curva que mostra IDIIDSS
versus RsI RDS para a autopolarização.
Essas grandezas são variáveis normali-
zadas e são decisivas para a criação da
curva universal. Dado um circuito auto-
polarizado qualquer, você calcula RDS
com Vpl IDSS. Em seguida, calcula
Rs I RDS. Então, você lê ID/IDSS a partir
da curva universal. Finalmente, você cal-
cula o valor de ID.
Seção14.4 A Transcondutância
A transcondutância indica em quanto a
tensão de entrada controla efetivamente
a corrente de saída. Ela é uma grandeza
ca porque é igual à razão de uma peque-
na variação da corrente de dreno por
uma pequena variação na tensão porta-
fonte. A transcondutância é máxima
para VGS = O.Ela diminui linearmente,
enquanto Ves varia de Oa VGS(off)'Agm
de um transistor polar é igual a l/r:.
Seção 14.5 AmplificadoresJFET
o ganho de tensão de um amplificador
CS é gmrd' O ganho de tensão de outros
amplificadores JFET é análogo ao dos
amplificadores bipolares equivalentes.
Tudo o que você tem a fazer é converter
r', re e r I para rd' rs e 1/ gm' O amplifi-
c~dor CS não é muito popular porque
ele tem um baixo ganho de tensão e uma
alta distorção. Por outro lado, o seguidor
de fonte é imensamente popular por
causa da sua alta impedância de entrada
e sua baixa distorção.
Seção14.6 A ChaveAnalógicaJFET
Uma das maiores aplicações de um JFET
é no chaveamento analógico. Isso se refere
à transmissão ou bloqueio de pequenos
sinais ca. As duas chaves analógicas
JFET comuns são a chave paralela e a
chave em série. Em cada circuito, o JFET
é idealmente equivalente a uma chave
on-off. Para uma operação normal, o si-
nal ca tem de ser mantido pequeno, bem
menor do que a tensão de constrição. Na
maioria das aplicações, a chave em série
646 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
é preferida porque ela tem uma melhor
razão on-off.
Seção 14.7 Amplificadores MOSFETde
Modo Depleção
Por causa do seu baixo ruído, os MOS-
FETs de modo depleção são muitas ve-
zes usados nos estágios de entrada de
equipamentos de alta freqüência. Como
gm é controlada por Ves, os amplifi-
cadores MOSFET de modo depleção
podem ter seus ganhos de tensão auto-
maticamente controlados. Uma outra
aplicação é o dispositivo de porta dupla
que pode ser usado como um amplifi-
cador cascode. Esse tipo de amplificador
proporciona um maior ganho de tensão
em freqüências mais altas do que um
amplificador bipolar comparável.
Seção 14.8 AplicaçõesdoMOSFETde
ModoIntensificação
A principal aplicação de um MOSFET de
modo intensificação consiste em circui-
tos de chaveamento. São circuitos cuja
tensão de saída é de dois estados: ou
baixa ou alta. Nos circuitos de chavea-
mento, você verá muitas vezes o MOS-
FET de modo intensificação sendo usado
como uma chave ou um resistor. O cha-
veamento de carga ativa significa que
um MOSFET funciona como um aciona-
dor ou uma chave, enquanto o outro
funciona como um resistor.
EQUAÇÕESIMPORTANTES
Equação14.1 TensãodeAutopolarização
Ves = -IoRs
Esta equação diz que a tensão porta-fon-
te é igual à tensão da fonte negativa. Ela
faz sentido porque a tensão porta-fonte é
igual à tensão da porta menos a tensão
da fonte.
Equação14.2 Selecionandouma
Resistênciade Fontepara a
Autopolarização
Vp
Rs = 1055
Esta é uma regra rápida de projeto para
JFETsautopolarizados. Ela diz para usar
uma resistência de fonte que seja igual à
tensão de constrição dividida pela cor-
rente de dreno máxima. Uma forma fácil
de se lembrar disso é usar uma resis-
tência de fonte igual à resistência Ros
ideal na região ôhmica.
Equações14.5e 14.6 Transcondutância
AIo
gm = 11Ves
e
id
gm = Ugs
Estas duas equações significam a mesma
coisa. A primeira diz para dividir a va-
riação na corrente de dreno pela varia-
ção na tensão de corte porta-fonte. A
segunda diz para dividir a corrente ca do
dreno pela tensão ca porta-fonte. Cada
equação dá o valor da transcondutância.
Equação14.7 Tensãode Corte
Porta-Fonte
- 21055
VeS(off)=
gm
Algumas vezes, as folhas de dados lhe
dão 1055 e gmo, porém não dão Ves(off).
Cap.14 Circuitos com FET 647
Nesse caso, você pode usar esta equação
para calcular um valor preciso para
VGS(off).Ela não é o tipo de equação que
você tem de memorizar, mas saiba que
ela existe. A equação diz para dobrar
1055e dividir por gmO.Acrescente o sinal
negativo e você terá a tensão de corte
porta-fonte.
Equação14.8 Operaçãona Curvade
Transcondutância
(
V GS
)gm = gmo 1 - Ves (off)
A transcondutância no ponto Q é menor
do que a transcondutância máxima, que
ocorre quando Ves = O. Esta equação
diz que a operação na curva de transcon-
dutância diminui linearmente quando
VGSvaria de Oa VGS(off).
Equação14.9 TranscondutânciaBipolar
1
gm = ---r
re
Esta equação é útil de duas formas: pri-
meiro, ela lhe permite comparar um
transistor bipolar com um FET. Segun-
do, ela faz parte do atalho do bipolar
para o FET para relembrar o ganho de
tensão de diferentes amplificadores FET.
,A.IIoIDlliillll ,:I:illDllllII
... QUESTÕES
1. A forma preferida de polarizar um
amplificador JFET é por meio de
a) Polarização por divisor de tensão
b) Autopolarização
c) Polarização de porta
d) Polarização de fonte
2. A autopolarização produz
a) Realimentação positiva
b) Realimentação negativa
c) Realimentação direta
d) Realimentação reversa
,
, 3. Para obter uma tensão negativa porta-
fonte em um circuito JFET autopolariza-
do, você precisa de um(a)
a) Divisor de tensão
b) Resistor de fonte
c) Terra
d) Tensão negativa de alimentação
da porta
4. A grandeza RS/RDS é medida em
a) Ohms
b) Amperes
c) Volts
d) Unidades adimensionais
5. A transcondutância é medida em
a) Ohms
b) Amperes
c) Voltsd) Mhos
6. A transcondutância indica como a tensão
de entrada controla efetivamente
a) O ganho de tensão
b) A resistência de entrada
c) A tensão de alimentação
d) A corrente de saída
7. A transcondutância aumenta quando a
corrente de dreno se aproxima de
a) O c) IDSS
b) VeS(off) d) Vp/Rs
648 Eletfônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
8. Um amplificador CS tem um ganho de 15. Um MOSFET de modo depleção é muitas
tensão de vezes usado em qual parte de um equipa-
a) gmfd mento de alta freqüência?
b) gmfs a) Na entrada
c) gmfd / (1 + gmfs) b) Na fonte de alimentação
d) gmfs/ (1 + gmfs) c) No estágio de saída push-pull classe B
d) Nos estágios intermediários
9. Um seguidor de fonte tem um ganho de
tensão de 16. Um amplificador cascode tem a vanta-
a) gmfd gem de
b) gmfs a) Alto ganho de tensão
c) gmfd/(l + gmfs) b) Baixa capacitância de entrada
d) gmfs/ (1 + gmfs) c) Baixa impedância de entrada
d) Alta gm
10. Um amplificador FC linearizado tem uma
tensão de 17. VHS significa freqüências de
a) gmfd a) 300 kHz a 3 MHz
b) gmfs b) 3 a 30 MHz
c) gmfd/ (1 + gmfs) c) 30 a 300 MHz
d) gmfs/ (1 + gmfs) d) 300 MHz a 3 GHz
11. Para a mesma corrente de saída, a gm de 18. Um simples resistor é um exemplo de
um JFET é a) Um dispositivo de três terminais
a) Muito menor do que um b) Uma carga ativa
transistor bipolar c) Uma carga passiva
b) Em torno da mesma d) Um dispositivo de chaveamento
c) Muito maior
d) Impossível prever 19. Um MOSFET de modo intensificação que
tem sua porta conectada a seu dreno é
12. Quando o sinal de entrada é grande, um um exemplo de
amplificador FC tem a) Um dispositivo de três terminais
a) Um ganho de tensão grande b) Uma carga ativa
b) Uma pequena distorção c) Uma carga passiva
c) Uma baixa resistência de entrada d) Um dispositivo de chaveamento
d) Nenhuma dessas
20. Um MOSFET de modo intensificação que
13. Quando o sinal de entrada é grande, um opera no corte ou na região ôhmica é um
seguidor de fonte tem exemplo de
a) Um ganho de tensão menor do que um a) Um dispositivo de três terminais
b) Uma pequena distorção b) Uma carga ativa
c) Uma resistência de entrada alta c) Uma carga passiva
d) Todas essas d) Um dispositivo de chaveamento
14. O sinal de entrada usado com uma chave 21. Se um MOSFET de modo intensificação
analógica JFET deve ser tem 10(on) = 10 mA e VOS(on) = 2 V, o
a) Pequeno seu ROs(on) é
b) Grande a) 200 Q
c) Uma onda quadrada b) 2 V
d) Pulsado
Cap.14 Circuitos com FET 649
c) 1 kQ
d) -2 V
22. CMOS significa
a) MOS comum
b) Chaveamento de carga ativa
c) Dispositivo de canal p e canal n
d) MOS complementar
23. O transistor VMOS é um
a) Transistor bipolar
b) MOSFET de pequeno sinal
c) JFET de média potência
d) MOSFET de modo intensificação
de potência
24. A autopolarização não funcionará com
a) JFETs
b) MOSFETs de modo depleção
c) MOSFETs de modo intensificação
d) Qualquer dispositivo de modo
depleção
~
+15V
.1. .
-=- -
Figura14.36
14.5 Repita o Problema 14.4 para Rs = 100 Q.
14.6 Repita o Problema 14.4 para Rs = 800 Q.
PROBLEMASBÁSICOS
Seção 14.1A AutopolarizaçãodeJFETs
14.1 Suponha que a corrente cc do dreno do
circuito da Figura 14.36a é de 2,5 mA.
Qual o valor de VD, Vs e Ves?
14.2. Alguém constrói o circuito da Figura
14.36a e mede uma tensão cc do dreno
para o terra de 7,5 V. Qual o valor de
Ves?
14.3 Quando o circuito da Figura 14.300 é
construí do, a tensão cc entre a fonte e o
terra é de 1 V. Qual o valor de Ves e VDS?
Seção14.2SoluçãoGráficaparaa
Autopolarização
14.4 O JFET da Figura 14.36a tem a curva de
transcondutância mostrada na Figura
14.36b. Use a solução gráfica para encon-
trar o ponto Q.
(b)
14.7 Um JFET tem IDSS = 2 mA e VeS(off) =
5v. Use a Equação (14.2) para selecionar
a resistência da fonte para produzir a au-
topolarização do JFET.
F'V 2mV <lOMQ
-=--=-=-
(a)
650 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.14
14.8 Repita o Problema 14.7 para um MPF1O2
usando o IDSSmáximo e VGS(off)da folha
de dados.
Seção 14.3 Solução com a Curva
Universal do JFET
14.9 Qual a corrente cc do dreno e a tensão
porta-fonte no circuito da Figura 14.36a
se IDSS = 10 mA e VGS(off) = -5 V?
14.10 Qual a tensão cc do dreno para o ter-
ra no circuito da Figura 14.36a se
IDss = 8 mA e VGS(off) = -2 V?
1~-=- - -
(a)
Figura14.37
14.14 O JFET da Figura 14.36a tem um gmo de
6.000 !J.mho.Se IDSS = 12 mA, qual o va-
lor de ID para VGS = -2 V? Encontre a
gm para esse ID.
Seção 14.5 Amplificadores JFET
14.15 Se gm = 3.000 !J.mho na Figura 14.300,
qual a tensão ca de saída?
14.16 O amplificador JFET da Figura 14.36a
tem a curva de transcondutância da Fi-
gura 14.36b. Nesse caso, qual a tensão ca
de saída?
---
14.11Se IDss = 6 mA e Vp = 4 V no circuito
da Figura 14.37a, qual a tensão cc entre a
fonte e o terra?
Seção 14.4ATranscondutância
14.12 Um 2N4416 tem IDSS = 10 mA e
gmO= 4.000 !J.ffiho. Qual a tensão de
corte porta-fonte? Qual o valor de gm
para VGS = -2 V?
14.13 Um 2N3370 tem IDSS = 2,5 mA e
gmo = 1.500 !J.mho. Qual o valor de gm
para VGS = -1 V?
-=- -4 v -3 V -2 V -1 V o VGS
(b)
14.17 Se o seguidor de fonte da Figura 14.37a
tem gm = 2.000 !J.ffiho,qual a tensão ca
da saída?
14.18 O seguidor de fonte da Figura 14.37a
tem a curva de transcondutância da Fi-
gura 14.37b. Qual a tensão ca de saída?
Seção 14.6A ChaveAnalógicaJFET
14.19 A tensão de entrada do circuito da Fi-
gura 14.38a é de 50 mV de pico a pico.
Qual a tensão de saída quando VGS =O
V? E quando VGS = -3 V?
\
I'-V
Capo14 Circuitos com FET 651
14.20 A tensão de entrada do circuito da Fi-
gura 14.38b é de 25 mV de pico a pico.
22kQ
Vent
1055 =10 mA
Vp =2 V
Vsaída
Ves
-
(a)
Figura14.38
Seção 14.8 Aplicações do MOSFETde
ModoIntensificação
14.21 No circuito da Figura 14.39a, qual é a
tensão 'Usaída quando 'Uent= O?. E
quando 'Uent= +5 V?
Vent
Vsaída
VeS(th) =+2 V
rOS(on) = 400 Q
-
(a)
Figura14.39
Qual a tensão de saída quando
Ves = OV? E quando Ves = -5 V?
Ioss = 5 mA
Vp = 3 V
Vent
33kQ
Vsaída
Ves -
(b)
14.22 Se a tensão através do MOSFET superior
do circuito da Figura 14.39b é de 15 V,
qual a resistência de dreno desse dispo-
sitivo de dois terminais?
14.23 No circuito da Figura 14.39b, qual a
'Usaída quando 'Uent= O? E quando
'Uin = +5 V?
Vent
IO(on) = 2,5 mA
VO(on) = 15 V
Vsaída
VeS(th) = +2 V
rOS(on)= 400 W
-
(b)
652 Eletrônica - 4G Edição - Volume 1 Cap.14
PROBLEMASDEVERIFICAÇÃODE
DEFEITOS
14.24 No circuito da Figura 14.41 você mede
uma tensão cc do dreno para o terra de
+ 15 V. Cite alguns dos defeitos que
podem produzir isso.
14.25 Toda as tensões cc são normais no circui-
to da Figura 14.41, porém a tensão ca de
saída é zero. Cite alguns dos defeitos
que podem produzir essa condição.
14.26 No circuito da Figura 14.41, o capacitor
de derivação no emissor do segundo es-
tágio está aberto. O que acontece com a
tensão cc na saída? O que acontece com a
tensão cal
47kQ
3mV(rv 10MQ
-
Figura14.40
14.30 O 2N5457 tem uma gm de 2.500 !-lmhona
Figura 14.41. O2N3906 tem um 13de 150.
Se Uenté 1 mV, qual a Usaída?
~.....- --
PROBLEMASAVANÇADOS
14.27 O JFET da Figura 14.300 tem a curva de
transcondutância da Figura 14.36b.Man-
tenha todas as resistências inalteradas,
exceto a resistência da fonte, Rs.
a) Qual o valor de Rs que produz um
10 de 5 mA?
b) Qual o valor de Rs que produz um
Ves de -2 V?
14.28 Qualquer que seja o modo que você consi-
dere, obtenha uma fórmula para Rs em
função de Ros que autopolarize um JFET
em 10 = 0,5Ioss.
14.29 Qual a tensão cc no dreno do circuito da
Figura 14.40? E a tensão ca de saída se
gm = 2.000 !!mho?
-
-115~
-
-10 V
14.31 Se o 2N5457 da Figura 14.41tem umgm de
2.500 !!mho, qual a impedância de saída
do primeiro estágio?
Cap.14 Circuitos com FET 653
14.32 A Figura 14.42 mostra um voltímetro cc
FET. O ajuste em zero é feito antes da
leitura das medições. O ajuste calibrado
é posicionado periodicamente para for-
necer a deflexão de fundo de escala
quando Vent = -2,5 V. Um ajuste cali-
brado como esse cuida das variações de
um FET para outro e os efeitos do envel-
hecimentodo FET.
a) A corrente através do resistor de 510
Q é igual a 4 mA. Qual o valor da
tensão cc entre a fonte e o terra?
b) Se não há corrente fluindo através do
amperímetro, que tensão o cursor do
potenciômetro extrai do ajuste de ze-
ro?
c) Se uma tensão de 2,5 V produz uma
deflexão de 1 mA, qual a deflexão
produzida por 1,25 V?
d) O MPF102 tem um Iess de 2 mA para
um Ves de 15 V. Qual a impedância
de entrada do voltímetro?
Vent
+15 V
10kQ
Vsaída
20kQ 5kQ
- - -
Figura14.41
+10 V
v"nt
MPF 102'-.:r
+
Figura 14.42
14.33 Um JFET pode ser usado como um limi-
tador de corrente para proteger uma car-
ga de uma corrente excessiva. Na Figura
14.43a, o JFET tem um IDSS de 16 mA e
654 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.14
um ros(on) de 200 Q. Se a carga acidental-
mente entrar em curto, qual será a cor-
rente e a tensão na carga através do JFET?
Se a carga tiver uma resistência de 10 kQ,
qual será o valor da corrente e da tensão
na carga através do JFET?
14.34 A Figura 14.43b mostra parte de um
amplificador AGe. Uma tensão cc é re-
troalimentada a partir de um estágio de
+30V
Vent~
-
(a)
Figura14.43
PROBLEMASUTILIZANDOO
DISPOSITIVOVERIFICADORDE
DEFEITOS
Use a Figura 14.44 para os problemas restantes.
O quadro grande denominado "Em milivolts,
salvo indicação em contrário", contém medidas
de tensões ca expressas em milivolts. Para este
exercício, as tensões na fonte e o JFET são nor-
mais.
14.35 Determine o defeito 1.
saída para um estágio anterior, tal como
mostrado aqui. A Figura 14.36b é a curva
de transcondutância. Qual o ganho de
tensão sem carga para cada um dos se-
guintes valores?
a) VAGC = O
b) VAGc=-IV
c) V AGC= -2V
d) VAGC= -3V
e) VAGC= -3,5V
+15V
o Vsaída
-
VAGC
(b)
14.36 Determine o defeito 2.
14.37 Determine o defeito 3.
14.38 Determine o defeito 4.
14.39 Determine os defeitos 5 e 6.
14.40 Determine os defeitos 7 e 8.
14.41 Determine os defeitos 9 e 10.
~
Cap.14 Circuitos com FET 655
+20 V
1 1
! fT6OOQ: A C}
t
B C ~
~
.." VCS(off)=-4V
I I .. C2 EI I
I I mV '\..; I Rc D F
I I I MQ Rs RL
L~~~~~_--j 1 kQ 1202kQ
I 2 3 4 5 6 7
EM MILIVOLTS, SALVO INDICAÇÃO EM CONTRÁRIO
Figura14.44 O verificador de defeitosTM. (Patenteado:Cortesia de Malvino Inc.)
I
I
- - -- - -
OK TI 12 T3 T4 T5 T6 17 T8
VA : B2 VA: DI VA :F3 vA :A6 vA :DI . vA :A6 vA:G7 vA :F3 VA: GI
Va : C5 va: G7 va: D4 va: G7 VE: IJ5 VB: DI VE :C5 vB: DI va:A2
Vc :F3 Vc :B2 Vc :A6 Vc :F3 vc:A2 Vc :F3 vc:B2 'Pc :A6 Vc :B6
Vo :CI Vo :E5 Vo: Gl Vo :B3 V[): B6 vo: vo:A2 Vo :A2 Vo :C3
vE :A5 vE :C6 VE: D5 vE :C2 vE:GI VE :B6 :IJ5 VE :Gl vE: D7
VF : E7 VF: D7 VF: E2 VF: G4 vF :D7 vF:A2 vF: EZ VF :C3 VF :E2
Vo :EI Vo:G2 Vo:B6 Vo:G6 Vo:B4 Vo:F5 Vo:G2 Vo:EI Vo:B4
Rc :C7 Rc :AI Rc:C7 Rc :C4 Rc :F6 Rc :C7 Rc : IJ3 RC :D2 Rc:F4
T9 TIO
vA : B2 vA :D4
VB : G7 Va: B2 I
A
Vc :F4 Vc :F3 I B
Vo :B6 Vo :A21 C
VE : C3 VE :B6
vF : D5 VF: D71 D
Vo: EI Vo :BI E
Rc :F6 Rc :C4
F
v'
G
10MQ O 0,65 00 0,65 1 0,73
4V 1 0,73 2V 10MQ O 00
0,65 0,73 O lOMQ 1 0,73 lOMQ
I 1 lOMQ 00 1 O 0,65 O
2V O 0,73 0,65 0,73 0,8 0,65
0,73 0,65 1 O 2V 10MQ 2V
O 2V 10MQ 0,73 0,73 2V 1