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É óbvio que VD = VDS e VG = VGS com base no fato de que VS = 0 V, mas as deduções anteriores foram incluídas para enfatizar a relação entre as notações com subscritos du- plo e simples. Uma vez que a configuração necessita de duas fontes CC, seu emprego é limitado e, portanto, ela não será incluída na lista de configurações com FET mais utilizadas. ExEmplo 7.1 Determine os seguintes parâmetros para o circuito da Figura 7.6. a) VGSQ. b) IDQ. c) VDS. d) VD. e) VG. f) VS. Solução: Método matemático a) VGSQ = –VGG = –2 V b) IDQ = IDSSa1 - VGS VP b 2 = 10 mAa1 - -2 V -8 V b 2 = 10 mA(1 – 0,25)2 = 10mA(0,75)2 = 10 mA(0,5625) = 5,625 mA c) VDS = VDD – IDRD = 16 V – (5,625 mA)(2 kΩ) = 16 V – 11,25 V = 4,75 V d) VD = VDS = 4,75 V e) VG = VGS = –2 V f) VS = 0 V Método gráfico A curva resultante da equação de Shockley e a reta vertical em VGS = –2 V são fornecidas na Figura 7.7. É certamente difícil obter uma precisão além da segunda casa decimal sem aumentar significa- tivamente o tamanho da figura, mas uma solução de 5,6 mA do gráfico da Figura 7.7 é um valor bastante aceitável. a) Portanto, VGSQ = –VGG = –2 V. b) IDQ = 5,6 mA c) VDS = VDD – IDRD = 16 V – (5,6 mA)(2 kΩ) = 16 V – 11,2 V = 4,8 V d) VD = VDS = 4,8 V e) VG = VGS = –2 V f) VS = 0 V Os resultados confirmam claramente que os métodos gráfico e matemático geram resultados bem parecidos. 7.3 Configuração Com auTopolarização A configuração com autopolarização elimina a ne- cessidade de termos duas fontes CC. A tensão de controle porta-fonte passa a ser determinada pela tensão através do resistor RS colocado no terminal de fonte do JFET, como mostra a Figura 7.8. 2 V 1 M D S G kΩ2 16 V VP = 10 mAIDSS = –8 V+ – VGS Ω + – Figura 7.6 Exemplo 7.1. Figura 7.8 Configuração de JFET com autopolarização. ID (mA) VGS VP 0 IDSS IDQ = 10 mA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 3 5 6 7 = –8 V 4 IDSS = 2,5 mA = 5,6 mA 2 VP VGSQ = –VGG Ponto Q 4 2 = –4 V = –2 V ––––––– 8– Figura 7.7 Solução gráfica para o circuito da Figura 7.6. 356 Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap07.indd 356 3/11/13 5:54 PM Para a análise CC, novamente os capacitores podem ser substituídos por “circuitos abertos”, e o resistor RG pode ser substituído por um curto-circuito equivalente, já que IG = 0 A. O resultado é o circuito da Figura 7.9 para a importante análise CC. A corrente através de RS é a corrente de fonte IS, mas IS = ID e VRS = IDRS Para a malha fechada indicada na Figura 7.9, temos –VGS – VRS = 0 e VGS = –VRS ou VGS = -IDRS )01.7( (7.10) Observe, nesse caso, que VGS é função da corrente de saída ID e não tem mais amplitude constante como ocorria para a configuração com polarização fixa. A Equação 7.10 é definida pela configuração do circuito, e a equação de Shockley relaciona os parâme- tros de entrada e saída do dispositivo. As duas equações relacionam as mesmas duas variáveis, ID e VGS, permitindo uma solução gráfica ou matemática. A solução matemática pode ser obtida simplesmente por meio da substituição da Equação 7.10 na equação de Shockley, como vemos a seguir: ou ID = IDSSa1 - VGS VP b 2 = IDSSa1 - -IDRS VP b 2 ID = IDSSa1 + IDRS VP b 2 Desenvolvendo a equação quadrática anterior e reorganizando os termos, podemos obter uma equação com o seguinte formato: I2 D + K1ID + K2 = 0 A equação do segundo grau pode então ser solucio- nada, e o valor de ID, obtido. A sequência anterior representa o método matemáti- co. O método gráfico requer que primeiro se estabeleça a curva de transferência do dispositivo, como a que aparece na Figura 7.10. Visto que a Equação 7.10 define uma linha reta no mesmo gráfico, identifiquemos dois pontos que estejam na linha e simplesmente tracemos uma reta entre eles. A condição mais óbvia a ser aplicada é ID = 0 A, já que ela resulta em VGS = –IDRS = (0 A)RS = 0 V. Para a Equação 7.10, portanto, um ponto da reta é definido por ID = 0 A e VGS = 0 V, como mostra a Figura 7.10. O segundo ponto para a Equação 7.10 requer que seja selecionado um valor de VGS ou de ID e que o valor correspondente da outra variável seja determinado pela Equação 7.10. Os valores resultantes de ID e VGS definirão outro ponto da reta e permitirão o seu traçado. Suponha- mos, por exemplo, que ID seja igual à metade do nível de saturação. Isto é: Então, ID = IDSS 2 VGS = -ID RS = - IDSSRS 2 . O resultado é o segundo ponto na reta traçada da Figura 7.11. A linha reta definida pela Equação 7.10 é VP 2 IDSS VGS = 0 V, ID = 0 A (VGS = –IDRS) 4 Figura 7.10 Definição de um ponto na reta de autopolarização. Figura 7.9 Análise CC da configuração com autopolarização. Capítulo 7 polarização do fET 357 Boylestad_2012_cap07.indd 357 3/11/13 5:54 PM traçada e o ponto quiescente é obtido na interseção da reta com a curva característica do dispositivo. Os valores quiescentes de ID e VGS podem, então, ser determinados e utilizados para que sejam encontrados outros parâmetros que interessam. O valor de VDS pode ser determinado pela aplicação da Lei de Tensões de Kirchhoff ao circuito de saída, com o seguinte resultado: VRS + VDS + VRD – VDD = 0 e VDS = VDD – VRS – VRD = VDD – ISRS – IDRD mas ID = IS e VDS = VDD - ID(RS + RD ) )11.7( (7.11) Além disso, VS = IDRS (7.12) VG = 0 V (7.13) e VD = VDS + VS = VDD - VRD (7.14) ExEmplo 7.2 Determine os seguintes parâmetros para o circuito da Figura 7.12: a) VGSQ. b) IDQ. c) VDS. d) VS. e) VG. f) VD. Solução: a) A tensão porta-fonte é determinada por: VGS = –IDRS Escolhendo ID = 4 mA, obtemos: VGS = – (4 mA)(1 kΩ) = – 4 V O resultado é o gráfico da Figura 7.13 como definido pelo circuito. Se escolhêssemos ID = 8 mA, o valor resultante de VGS seria –8 V, como foi mostrado no mesmo gráfico. Em ambos os casos, obtemos a mesma reta, o que demonstra claramente que qualquer valor apropriado de ID poderá ser escolhido se empregarmos o valor correspondente de VGS determinado pela Equação 7.10. Além disso, devemos ter em mente que o valor de VGS I ID VP 0 IDSS 2 IDSS VGS = 2 VGSQ VGS IDQ Ponto Q DSS RS_ Figura 7.11 Esboço da reta de autopolarização. ID (mA) VGS0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 3 5 6 7 8 = –8 VVGS 4 2 –––––––– ID = 8 mA, VGS (V) = 4 VVGS – ID = 4 mA, = Circuito ID = 0 mA0 V, Figura 7.13 Esboço da reta de autopolarização para o circuito da Figura 7.12. RD RG , Figura 7.12 Exemplo 7.2. 358 Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap07.indd 358 3/11/13 5:54 PM poderia ter sido escolhido e o valor de ID poderia ter sido determinado graficamente. Na equação de Shockley, se escolhermos VGS = VP/2 = –3 V, encontraremos ID = IDSS /4 = 8 mA/4 = 2 mA, o que resultará no gráfico da Figura 7.14, que representa as características do dispositivo. A solução é obtida pela sobreposição da curva característica do circuito definida pela Figura 7.13 com a curva característica do dispositivo da Figura 7.14 e pela determinação do ponto de interseção entre ambas, como indica a Figura 7.15. O ponto de operação resultante produz um valor quiescente de tensão porta-fonte de: VGSQ = –2,6 V b) No ponto quiescente: IDQ = 2,6 mA c) Equação 7.11: VDS = VDD – ID(RS + RD) = 20 V – (2,6 mA)(1 kΩ + 3,3 kΩ) = 20 V – 11,18 V = 8,82 V d) Equação 7.12: VS = IDRS = (2,6 mA)(1 kΩ) = 2,6 V e) Equação 7.13: VG = 0 V f) Equação 7.14: VD = VDS + VS = 8,82 V + 2,6 V = 11,42 V ou VD = VDD – IDRD = 20 V – (2,6 mA)(3,3 kΩ) = 11,42 V ExEmplo 7.3 Determine o ponto quiescente para o circuito da Figura 7.12, se: a) RS = 100 Ω. b) RS = 10 Ω. Solução: Tanto RS = 100 Ω quanto RS = 10 kΩ são mostrados na Figura 7.16. a) Para RS = 100 Ω: IDQ ≅ 6,4 mA e a partir da Equação 7.10, VGSQ ≅ – 0,64 V b) Para RS = 10 kΩ: VGSQ ≅ – 4,6 V e a partir da Equação 7.10, IDQ ≅ 0,46 mA Em particular, observe que valores mais baixos de RS fazem a retade carga do circuito se aproximar do eixo ID, enquanto valores crescentes de RS aproximam a reta do eixo VGS. ID (mA) VGS0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 3 5 6 4 2 –––––– (V) IDQ = 2,6 mA VGSQ = 2,6 V– Ponto Q Figura 7.15 Determinação do ponto Q para o circuito da Figura 7.12. Dispositivo Figura 7.14 Esboço da curva característica do dispositivo para o JFET da Figura 7.12. ID (mA) VGS0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 3 5 6 4 2 –––––– (V) Ponto Q IDQ 6,4 mA > VGS = –4 V, ID = 0,4 mA RS = 10 kΩ VGSQ> 4,6– V RS = 100 Ω GSID = 4 mA,V = 0,4 V– Ponto Q Figura 7.16 Exemplo 7.3. Capítulo 7 polarização do fET 359 Boylestad_2012_cap07.indd 359 3/11/13 5:54 PM 7.4 polarização por DiviSor DE TEnSão A polarização por divisor de tensão aplicada aos amplificadores com TBJ é aplicada também aos amplifica- dores com FET, como demonstra a Figura 7.17. A estrutura básica é exatamente a mesma, porém a análise CC de cada um é bastante diferente. Para os amplificadores com FET, IG = 0 A, mas o valor de IB para amplificadores emissor- -comum com TBJ pode afetar os valores de corrente e tensão nos circuitos de entrada e saída. Lembramos que IB é o elo entre os circuitos de entrada e saída na configuração TBJ com divisor de tensão, e que VGS cumpre esse mesmo papel para a configuração com FET. O circuito da Figura 7.17 é redesenhado para a análise CC, como mostra a Figura 7.18. Observe que todos os capacitores, inclusive o capacitor CS de desvio, foram substituídos por um “circuito aberto” equivalente na Figura 7.18(b). Além disso, a fonte VDD foi separada em duas fontes equivalentes para permitir a distinção entre a região de entrada e de saída do circuito. Uma vez que IG = 0 A, a Lei das Correntes de Kirchhoff permite afirmar que IR1 = IR2, e o circuito em série equivalente que aparece à esquerda da figura pode ser utilizado para determinar o valor de VG. A tensão VG igual à tensão através de R2 pode ser determinada pelo uso da regra do divisor de tensão e da Figura 7.18(a), como mostramos a seguir: VG = R2VDD R1 + R2 )51.7( (7.15) Aplicando a Lei das Tensões de Kirchhoff no sentido horário na malha indicada da Figura 7.18, obtemos VG – VGS – VRS = 0 e VGS = VG – VRS Substituindo VRS = ISRS = IDRS, temos VGS = VG - ID RS )61.7( (7.16) O resultado é uma equação que inclui as mesmas duas variáveis da equação de Shockley: VGS e ID. As quantidades VG e RS são fixas pela configuração do circuito. A Equação 7.16 ainda é a equação de uma reta, mas a origem não está mais contida nela. O procedimento para traçar a Equação 7.16 não é complicado e será demonstrado a seguir. Uma vez que são necessários dois pontos para definir uma reta, utilizemos o fato de que em qualquer ponto no eixo horizontal da Figura 7.19 a corrente ID = 0 mA. Então, ao selecionarmos ID = 0 mA, declaramos essencialmente que estamos em algum ponto do eixo horizontal. A posição exata pode ser determinada pela simples substituição de ID = 0 mA na Equação 7.16 e pelo cálculo do valor resultante de VGS, como a seguir: VGS = VG – IDRS = VG – (0 mA)RS e VGS = VG 0 ID =0 mA )71.7( (7.17) O resultado especifica que, sempre que traçarmos o gráfico da Equação 7.16, se escolhermos ID = 0 mA, o valor de VGS para o gráfico será VG volts. O ponto que acabamos de determinar aparece na Figura 7.19. G D S Figura 7.17 Configuração da polarização por divisor de tensão. RD G D S VDD R1 R2 VG VGS VRS IG ≅ 0 A VDDVDD R1 R2 VG –+ ID IS + RS– + – + – )b()a( Figura 7.18 Circuito redesenhado da Figura 7.17 para análise CC. 360 Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap07.indd 360 3/11/13 5:54 PM Para o outro ponto, levemos em conta o fato de que, em qualquer ponto do eixo vertical, VGS = 0 V, e façamos o cálculo para obter o valor resultante de ID: VGS = VG – IDRS 0 V = VG – IDRS e ID = VG RS ` VGS =0 V )81.7( (7.18) O resultado demonstra que, sempre que traçarmos o gráfico da Equação 7.16 com VGS = 0 V, o valor de ID será determinado pela Equação 7.18. Essa interseção também aparece na Figura 7.19. Os dois pontos definidos anteriormente permitem o traçado de uma linha reta para representar a Equação 7.16. A interseção da linha reta com a curva de transferência na região à esquerda do eixo vertical define o ponto de operação e os valores correspondentes de ID e VGS. Visto que a interseção no eixo vertical é determinada por ID = VG/RS e que VG é fixo devido ao circuito de entrada, valores crescentes de RS reduzem o valor de ID na interseção, como mostrado na Figura 7.20. Essa figura deixa claro que: Valores crescentes de RS resultam em menores valo- res quiescentes de ID e em valores mais negativos de VGS. Uma vez determinados os valores quiescentes de IDQ e VGSQ, a análise restante do circuito poderá ser feita da maneira usual. Isto é: VDS = VDD - ID(RD + RS ) (7.19) VD = VDD - ID RD (7.20) IDQ VGSQ Ponto Q Figura 7.19 Esboço da equação do circuito para a configuração com divisor de tensão. Ponto Q Ponto Q Valores crescentes de RS Figura 7.20 Efeito de RS no ponto Q resultante. Capítulo 7 polarização do fET 361 Boylestad_2012_cap07.indd 361 3/11/13 5:54 PM VS = ID RS (7.21) IR1 = IR2 = VDD R1 + R2 (7.22) ExEmplo 7.4 Determine os seguintes parâmetros para o circuito da Figura 7.21. a) IDQ e VGSQ. b) VD. c) VS. d) VDS. e) VDG. Solução: a) Para a curva de transferência, se ID = IDSS /4 = 8 mA/4 = 2 mA, então VGS = VP/2 = – 4 V/2 = –2 V. A curva re- sultante que representa a equação de Shockley aparece na Figura 7.22. A equação do circuito é definida por VG = R2VDD R1 + R2 = (270 k )(16 V) 2,1 M + 0,27 M = 1,82 V e VGS = VG – IDRS = 1,82 V – ID(1,5 kΩ) Quando ID = 0 mA, VGS = +1,82 V Quando VGS = 0 V, ID = 1,82 V 1,5 k = 1,21 mA A reta de polarização resultante é mostrada na Figura 7.22 com os seguintes valores quiescentes: IDQ = 2,4 mA e VGSQ = –1,8 V b) VD = VDD – IDRD = 16 V – (2,4 mA)(2,4 kΩ) = 10,24 V G D S R2 C1 C2 R1 RD RS CS , , , Figura 7.21 Exemplo 7.4. 0 2 3 4 5 6 7 8 1– 2– 3– 4– Ponto Q (I )DSS ID (mA) 1 2 3 VP( ) VGS = –1,8 V 1,82 V VG = ID( ) 1 IDQ 2,4 mA = ID = 1,21 mA VGS( )= 0 V = 0 mA Q Figura 7.22 Determinação do ponto Q para o circuito da Figura 7.21. 362 Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap07.indd 362 3/11/13 5:54 PM c) VS = IDRS = (2,4 mA)(1,5 kΩ) = 3,6 V d) VDS = VDD – ID(RD + RS) = 16 V – (2,4 mA)(2,4 kΩ + 1,5 kΩ) = 6,64 V ou VDS = VD – VS = 10,24 V – 3,6 V = 6,64 V e) Embora raramente seja pedida, a tensão VDG pode ser determinada de maneira muito fácil, utilizando: VDG = VD – VG = 10,24 V – 1,82 V = 8,42 V 7.5 Configuração porTa-Comum A próxima configuração é aquela em que o terminal de porta está ligado ao terra, o sinal de entrada é usual- mente aplicado ao terminal de fonte e o sinal de saída é obtido no terminal de dreno, como mostra a Figura 7.23(a). O circuito também pode ser desenhado como mostra a Figura 7.23(b). A equação do circuito pode ser determinada a partir da Figura 7.24. A aplicação da Lei das Tensões de Kirchhoff no sentido indicado na Figura 7.24 resultará em –VGS – ISRS + VSS = 0 e VGS = VSS – ISRS mas IS = ID logo, VGS = VSS - ID RS )32.7( (7.23) A aplicação da condição ID = 0 mA na Equação 7.23 resultará em VGS = VSS – (0)RS e VGS = VSS 0 ID =0 mA )42.7( (7.24) A aplicação da condição VGS = 0 V na Equação 7.23 resultará em 0 = VSS – IDRS e ID = VSS RS ` VGS =0 V (7.25) (7.25) A reta de carga resultante aparece na Figura 7.25 em interseção com a curva de transferência para o JFET, como mostra a figura. A interseção resultante define a corrente de opera- ção IDQ e a tensão de operação VDQ para o circuito, como também está indicado nocircuito. RD ID DDV oV 2C 1C RS VSS (a) VP IDSS iV D G S VP VDD IDSS RD oV 2C iV 1C (b) – + RS VSS – + S D G Figura 7.23 Duas versões da configuração porta-comum. Figura 7.24 Determinação da equação do circuito para a configuração da Figura 7.23. Capítulo 7 polarização do fET 363 Boylestad_2012_cap07.indd 363 3/11/13 5:54 PM A aplicação da Lei das Tensões de Kirchhoff na malha que contém as duas fontes, o JFET e os resistores RD e RS nas figuras 7.23(a) e (b) resultará em +VDD – IDRD – VDS – ISRS + VSS = 0 Substituindo IS = ID, temos +VDD + VSS – VDS – ID(RD + RS) = 0 de modo que VDS = VDD + VSS - ID(RD + RS ) )62.7( (7.26) com VD = VDD - ID RD )72.7( (7.27) e VS = - VSS + ID RS )72.7( (7.28) ExEmplo 7.5 Determine os seguintes parâmetros para a configuração porta-comum da Figura 7.26: a) VGSQ. b) IDQ. c) VD. d) VG. e) VS. f) VDS. Solução: Embora VSS não esteja presente nessa configuração porta-comum, as equações derivadas anteriormente ainda podem ser usadas pela simples substituição de VSS = 0 V em cada equação na qual ela aparece. a) Para a curva de transferência, a Equação 7.23 se torna VGS = 0 – IDRS e VGS = –IDRS Para essa equação, a origem é um ponto sobre a reta de carga enquanto o outro deve ser determinado em um ponto arbitrário. Escolhendo ID = 6 mA e deter- minando VGS, teremos o seguinte: VGS = –IDRS = – (6 mA)(680 Ω) = – 4,08 V como mostra a Figura 7.27. A curva de transferência do dispositivo é traçada usando-se ID = IDSS 4 = 12 mA 4 = 3 mA(em VP> )2 e VGS ≅ 0,3VP = 0,3(– 6 V) = –1,8 V (em ID = IDSS/2) A solução resultante é: VGSQ ≅ –2,6 V b) A partir da Figura 7.27: IDQ ≅ 3,8 mA c) VD = VDD – IDRD = 12 V – (3,8 mA)(1,5 kΩ) = 12 V – 5,7 V = 6,3 V d) VG = 0 V e) VS = IDRS = (3,8 mA)(680 Ω) = 2,58 V f) VDS = VD – VS = 6,3 V – 2,58 V = 3,72 V 0 Ponto Q I DSS ID (mA) VP VGS VSS ID( ) IDQ ID = = 0 mA Q VSS RS Figura 7.25 Determinação do ponto Q para o circuito da Figura 7.24. RD RS C2 C1 , Figura 7.26 Exemplo 7.5. 364 Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap07.indd 364 3/11/13 5:54 PM 7.6 CaSo ESpECial: VGSQ = 0 v Um circuito de valor prático recorrente por causa de sua relativa simplicidade é a configuração da Figura 7.28. Note que a ligação direta dos terminais de porta e fonte para o terra resulta em VGS = 0 V. Ele especifica que, para qualquer condição CC, a tensão porta-fonte deve ser igual a zero volt. Isso resultará em uma reta de carga vertical em VGSQ = 0 V, como mostra a Figura 7.29. Uma vez que a curva de transferência de um JFET cruzará o eixo vertical em IDSS, a corrente de dreno para o circuito é fixada nesse valor. Portanto, IDQ = IDSS )92.7( (7.29) Aplicando a Lei das Tensões de Kirchhoff: VDD – IDRD – VDS = 0 e VDS = VDD - IDRD )03.7( (7.30) com VD = VDS )13.7( (7.31) e VS = 0 V )23.7( (7.32) 7.7 moSfETs Tipo DEplEção As semelhanças entre as curvas de transferência dos JFETs e dos MOSFETs tipo depleção permitem análises parecidas para os dois dispositivos com relação à análise CC. A principal diferença entre os dois é o fato de que o MOSFET tipo depleção apresenta pontos de operação com valores positivos de VGS e valores de ID maiores que IDSS. Na verdade, para todas as configurações discutidas até aqui, a análise será a mesma se um JFET for substituído por um MOSFET tipo depleção. A única parte da análise que não foi definida consiste em como traçar o gráfico da equação de Shockley para valores positivos de VGS. Para a região de valores positi- vos de VGS e valores de ID maiores que IDSS, até que ponto a curva de transferência se estende? Para a maioria das situações, essa região será razoavelmente bem definida pelos parâmetros do MOSFET e pela reta de polarização resultante do circuito. Alguns exemplos revelarão o im- pacto da mudança de dispositivo sobre a análise resultante. VGS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1– 2– 3– 4– 5– 6– Ponto Q IDQ 3,8 mA > 9 10 11 12 Q –2,6 V > IDSS ID (mA) VP Figura 7.27 Determinação do ponto Q para o circuito da Figura 7.26. RD VDD VP IDSS + –VGS G D S Figura 7.28 Configuração do caso especial VGSQ = 0 V. ID VVP GS0 VGSQ Ponto Q IDSS = 0 V reta de carga Figura 7.29 Determinação do ponto Q para o circuito da Figura 7.28. Capítulo 7 polarização do fET 365 Boylestad_2012_cap07.indd 365 3/11/13 5:54 PM