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1 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA O FET COMO AMPLIFICADOR ANÁLISE DO FET PARA PEQUENOS SINAIS ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA O MODELO DO FET PARA PEQUENOS SINAIS = Inclinação da curva no ponto de operação (Q) Ponto Q Fator de transcondutância Pode ser determinado por análise gráfica ou por uma função matemática. 2 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA DEFINIÇÃO MATEMÁTICA: quando A inclinação da curva é máxima ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Folha de dados: ݃ ൌ ݕ௦ Logo, ݃ ൌ ݃ 1 െ ܸீ ௌܸ Exemplo: ou ݃ ൌ ݃௦ BF245 MPF102 3 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Gráfico de gm versus VGS ݃ ൌ ݃ 1 െ ܸீ ௌܸ ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA gm versus ID para um JFET com IDSS = 8 mA e VP = ‐4 V. IMPACTO DE ID sobre gm Sabe‐se que: 1 െ ܸீ ௌܸ ൌ ܫ ܫௌௌ ݃ ൌ ݃ 1 െ ܸீ ௌ ܸ ൌ ݃ ܫܫௌௌ ݃ ൌ ݃ ܫܫௌௌ Valores mais altos são obtidos quando VGS se aproxima de 0 V e quando ID se aproxima de IDSS. 4 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA IMPEDÂNCIA DE ENTRADA DO FET ܼ ൌ ∞ Ω JFET: 109 Ω MOSFET: 1012 a 1015 Ω ࡵࡳ ≅ ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA IMPEDÂNCIA DE SAÍDA DO FET ܼ ൌ ݎௗ ൌ 1ݕ௦ Folha de dados ݎௗ ൌ ∆ ܸௌ∆ܫ ቤ ಸೄసೞೌ 5 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA MPF102 Exemplo ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO EQUIVALENTE CA DO FET 6 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO JFET COM POLARIZAÇÃO FIXA ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Impedância de entrada: Impedância de saída: Se rd ≥ 10RD : Circuito JFET com polarização fixa 7 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Ganho de tensão: ܣ௩ ൌ ܸܸ Se rd ≥ 10RD : Há um deslocamento de fase de 180o entre Vi e Vo. Circuito JFET com polarização fixa ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito equivalente do amplificador 8 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO JFET COM AUTOPOLARIZAÇÃO Rs com capacitor de desvio ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito JFET com autopolarização Rs com desvio desviado por 9 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito JFET com autopolarização Rs com desvio Mesmo circuito equivalente CA obtido para o caso da polarização fixa. Impedância de entrada: Impedância de saída: Se rd ≥ 10RD : Se rd ≥ 10RD :Ganho de tensão: ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO JFET COM AUTOPOLARIZAÇÃO Equivalente CA, considerando rd = ∞: Rs sem capacitor de desvio 10 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito JFET com autopolarização Rs sem desvio Impedância de entrada: Impedância de saída: Estabelecer Vi= 0 V Vg= 0 V e VRG = 0 V ܸ௦ ൌ ܸ െ ௦ܸ ൌ െ ௦ܸ ܸ௦ ൌ െሺܫ ܫௗோሻܴௌ ܫ ܫௗோ ൌ ݃ ܸ௦ ܫ ܫௗோ ൌ െ݃ ሺܫ ܫௗோሻܴௌ ܫ 1 ܴ݃ௌ ൌ െܫௗோሺ1 ܴ݃ௌሻ ܫ ൌ െܫௗோ Então, ܸ ൌ െܫௗோܴ ܸ ൌ ܫܴ ܼ ൌ ܴ ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito JFET com autopolarização Rs sem desvio e considerando o efeito de rd Impedância de entrada: Impedância de saída: Se rd ≥ 10RD : 11 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito JFET com autopolarização Rs sem desvio e considerando o efeito de rd Ganho de tensão: Se Há um deslocamento de fase de 180o entre Vi e Vo. ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Exercício Para o circuito amplificador da figura abaixo, determine os parâmetros gm, rd, Zi, Zo e Av considerando rd = ∞ e considerando o efeito de rd no circuito. Dado: ݕ௦ ൌ 20 ߤܵ 12 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Solução: (a) Determinação de gm * Para isso, tem que conhecer o ponto de operação CC (VGS,Q ; ID,Q), o qual pode ser encontrado pelo método gráfico ou pelo método matemático. ݃ ൌ ݃ 1 െ ܸீ ௌ,ொܸ ൌ ݃ ܫ,ொ ܫௌௌ ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA (b) Determinação de rd (c) Determinação de Zi (d) Determinação de Zo, considerando o efeito de rd (e) Determinação de Zo, considerando rd = ∞ Diferença (Erro): 2,48%3,3 kΩ = 3,22 kΩ 13 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA (f) Determinação de Av , considerando o efeito de rd (g) Determinação de Av , considerando rd = ∞ ‐ Teste da condição: condição satisfeita! Diferença (Erro): 3,12% ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO JFET COM DIVISOR DE TENSÃO As equações são as mesmas obtidas para a configuração com autopolarização. A única diferença é a equação para Zi (sensível a R1||R2) 14 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO JFET COM SEGUIDOR DE FONTE (DRENO COMUM) ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Impedância de entrada: Impedância de saída: Estabelecer Vi = 0 V Vg= 0 V e VRG = 0 V ܸ௦ ൌ ܸ െ ௦ܸ ൌ െ ௦ܸ ൌ െ ܸ Circuito JFET com Seguidor de Fonte (Dreno Comum) 15 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Se rd ≥ 10RS : Circuito JFET com Seguidor de Fonte (Dreno Comum) Ganho de tensão: Se rd ≥ 10RS : Vo está em fase com Vi . O ganho de tensão nunca será maior que 1. ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO JFET NA CONFIGURAÇÃO PORTA COMUM Equivalente CA O isolamento entre os circuitos de entrada e saída é perdido. 16 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito JFET na Configuração Porta Comum Impedância de entrada: b ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito JFET na Configuração Porta Comum Se e Impedância de saída: Estabelecer Vi = 0 V Se 17 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito JFET na Configuração Porta Comum b Ganho de tensão: ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Se Circuito JFET na Configuração Porta Comum Vo está em fase com Vi . 18 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Configuração fonte comum Operação de um determinado sinal ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Configuração fonte comum Operação de um determinado sinal 19 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA MOSFET TIPO DEPLEÇÃO (D‐MOSFET) ‐ A equação de Shockley é aplicável também ao MOSFET tipo depleção. ‐ A única diferença é que a tensão VGS,Q pode ser positiva em dispositivos de canal n e negativa em dispositivos de canal p. O Resultado é que gm pode ser maior que gm0. ‐ A faixa de rd para este dispositivo é muito similar à faixa dos JFETs. ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA MOSFET TIPO DEPLEÇÃO VGS,Q = 0 V 20 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA MOSFET TIPO INTENSIFICAÇÃO intensificação ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA MOSFET TIPO INTENSIFICAÇÃO 21 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO MOSFET TIPO INTENSIFICAÇÃO (E‐MOSFET) COM REALIMENTAÇÃO DE DRENO ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito MOSFET Tipo Intensificação (E‐MOSFET) com Realimentação de Dreno Impedância de entrada: Tipicamente, 22 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito MOSFET Tipo Intensificação (E‐MOSFET) com Realimentação de Dreno Para Impedância de saída: resulta em Ganho de tensão: e ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito MOSFET Tipo Intensificação (E‐MOSFET) com Realimentação de Dreno Tem‐se que: Há um deslocamento de fase de 180o entre Vi e Vo. 23 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito MOSFET Tipo Intensificação (E‐MOSFET) com Realimentação de Dreno Usualmente, e se : ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO E‐MOSFET COM DIVISOR DE TENSÃO 24 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito E‐MOSFET com Divisor de Tensão Impedância de entrada: Impedância de saída: Se rd ≥ 10RD : Se rd ≥ 10RD :Ganho de tensão: Mesmo circuito equivalente obtido para o JFET e D‐MOSFET ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA PROJETO DE CIRCUITOS AMPLIFICADORES COM FET Os parâmetros do circuito podem afetar a polarização CC e a resposta CA de formas diferentes. Muitas vezes é preciso buscar um equilíbrio entre um ponto de operação específico e seu impacto na resposta CA. Em muitos casos, sabe‐se o valor da fonte CC disponível, O FET a ser empregado foi determinado e os capacitores que serão utilizados para a faixa de frequência em questão foram definidos. É necessário, então, determinar os valores dos elementos resistivos que definem o ganho desejado e os valores das impedâncias de entrada e saída. 25 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Exemplo Especifique os valores de RD e RS para o circuito da figura abaixo para produzir um ganho de tensão igual a 8, considerando o ponto de operação VGS,Q = VP/4. ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Solução: 26 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA 2,2 kΩ é um valor comercial. 180 Ω é o valor comercial mais próximo. Determinação de RD: Determinação de RS: ܫೂ ൌ ܫௌௌ · 1 െ ܸீ ௌೂ ܸ ଶ ൌ 10 ݉A · 1 െ െ1 Vെ4 V ଶ ൌ 5,625 ݉A ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA EFEITO DA RESISTÊNCIA DA FONTE E DA CARGA SOBRE AMPLIFICADORES FET O modelo de duas portas para o FET geralmente não é afetado por uma carga aplicada ou pela resistência da fonte. ܣ௩ ൌ ܴܴ ܴ · ܣ௩ಿಽ ܣೄ ൌ ܴ ܴ ܴ௦ · ܣ௩ ܣ ൌ െܣ௩ · ܴ · 1 ܴ Ganho de tensão: Ganho de corrente:Ganho de tensão global: sig Ganho de potência: ܣ ൌ ܣ௩ · ܣ 27 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO FET: RESISTÊNCIA DE FONTE COM DESVIO Impedância de entrada: Impedância de saída: Ganho de tensão sem carga: Ganho de tensão com carga:sig ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CIRCUITO FET: RESISTÊNCIA DE FONTE SEM DESVIO Impedância de entrada: Impedância de saída: Ganho de tensão sem carga: Ganho de tensão com carga: Desconsiderando o efeito de rd ܼ ൌ ܴ Se 28 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA SEGUIDOR DE FONTE Impedância de entrada: Impedância de saída: Ganho de tensão sem carga: Ganho de tensão com carga: CONSIDERANDO‐SE QUE rd ≥ 10RS ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA PORTA COMUM Impedância de entrada: Impedância de saída: Ganho de tensão sem carga: Ganho de tensão com carga: CONSIDERANDO‐SE QUE rd ≥ 10RD 29 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Exemplo Calcule o ganho de tensão (Av), as impedâncias de entrada e saída e o valor da tensão Vo (saída) do circuito da figura abaixo quando é conectada uma carga de 10 kΩ na saída e aplicada na entrada uma tensão de 10 mV pico a pico. Considere que o ponto de operação CC de cada estágio é VGS,Q = ‐1,9 V e ID,Q = 2,8 mA . ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Solução: Impedância de entrada: Impedância de saída: A formulação apresentada a seguir considera rd = ∞. Ganho de tensão do estágio 1: Ganho de tensão do estágio 2: = ‐5,07 = ‐6,24 = 2,62 mS ܣ௩ ൌ ܣ௩భ · ܣ௩మ = 31,64Ganho de tensão total : Tensão de saída: ܸ ൌ ܸ ൌ ܸ · ܣ௩ ൌ 10 ݉V · 31,64 = 316,4 mV pico a pico = 3,3 MΩ = 2,4 kΩ 30 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA SENSOR DE PRESENÇA Exemplo de aplicação: Abrir portas, acender luzes ou acionar um aviso quando uma pessoa se aproxima. IV próximo: 0,7 a 1,3 µm IV médio: 1,3 a 6 µm IV distante: 6 a 1000 µm APLICAÇÃO PRÁTICA (FET COMO AMPLIFICADOR): ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Aspecto físico do sensor RE200B SENSOR DE PRESENÇA Como o sinal produzido pela radiação infravermelha é extremamente fraco é preciso um circuito amplificador. Esse circuito está embutido no próprio sensor que funciona então com uma certa tensão de alimentação externa. 31 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA MIXER: Misturador de Áudio Caso se usassem TBJs em vez do FET, a impedância de entrada mais baixa exigiria um amplificador de transistor para cada canal ou pelo menos um seguidor de emissor no primeiro estágio para fornecer uma impedância de entrada maior. APLICAÇÃO PRÁTICA (FET COMO AMPLIFICADOR) ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA O FET COMO CHAVE ELETRÔNICA O MOSFET tipo intensificação (E‐MOSFET) é bastante utilizado em aplicações de chaveamento, devido às suas características de controle a partir de uma tensão limiar (VT). ܸீ ௌ ൏ ்ܸ ܸீ ௌ ்ܸ DESLIGADO (OFF) LIGADO (ON) O controle é feito com VGS ≤ VT e VGS = VGS(on) Na região ôhmica, a resistência RDS é muito baixa e o MOSFET se comporta como uma chave FECHADA. Para valores de VGS igual ou abaixo de VT, a resistência RDS é muito alta e o MOSFET se comporta como uma chave ABERTA. 32 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Aproximação Ponto especificado pelo fabricante +VDD RD quandoPara assegurar a operação na região ôhmica: ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA quandoPara assegurar a saturação: ࢂࡰࡿ ≅ 33 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Alguns dispositivos E‐MOSFET ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA 34 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Exemplo Verifique se o E‐MOSFET do circuito abaixo opera na região ôhmica ao aplicar uma tensão de 4,5 V no terminal de porta. ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA quando Logo, o dispositivo opera na região ôhmica. 0,12 V ࡵࡰሺ࢙ࢇ࢚ሻ ൌ , ܄ ષ ൌ ۯ DADO: Solução: De outra forma: ࡵࡰሺ࢙ࢇ࢚ሻ ൌ ܄ ષ ൌ ۯ ܸ ൌ ܴ · ܫ ܸௌ 35 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Qual o valor da corrente que circula no LED da figura abaixo, supondo uma queda de tensão de 2 V no mesmo? Exemplo ܫሺಽಶವሻ ൌ ܫሺೞೌሻ ൌ 20 V െ 2 V 1 ݇Ω ൌ 18 ݉A quando Logo, o dispositivo opera na região ôhmica. ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Ao aplicar 2,5 V na porta do MOSFET do circuito abaixo, o relé fechará? Visto que é necessário circular no mínimo 30 mA na bobina para o fechamento do relé. O sinal de entrada de pequena corrente controla uma grande corrente de saída. ܫሺ௦௧ሻ ൌ 24 V500 Ω ൌ 48 ݉A Exemplo DADO: ≈48 mA 8 A ac quando Logo, RDS(ON) = 10 Ω 36 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA O MOSFET-E do circuito abaixo possui as seguintes características: VGS(on) = 4,5 V ID(on) = 75 mA RDS(on) = 6 ΩEsboce a tensão de saída para: a) RD = 10 kΩ e VCC = 12 V b) RD = 1 kΩ e VCC = 20 V c) RD = 100 Ω e VCC = 5 V d) Comente as diferenças entre as tensões de saída encontradas. Exercício ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA E‐MOSFET canal n E‐MOSFET canal p MOSFET funcionando como chave eletrônica ܫ ൌ V/ሺܴ ܴௌሺሻሻ ܴௌ, ൌ ܸௌሺሻ/ܫௌሺሻܴ ܴௌሺሻ Especificação de RD : 37 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Chave Analógica A maior restrição nesta aplicação é que o sinal não deve causar uma queda de tensão VGS menor que VT. ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Exemplo O MOSFET canal n da figura abaixo possui VGS(Th) = 2 V e uma tensão de 5 V é aplicada ao terminal de porta para ligar a chave eletrônica. Determine a máxima tensão pico a pico que pode ser aplicada na entrada para o circuito continuar a funcionar corretamente. ܸீ ௌ ൌ ܸீ െ ௌܸ ܸீ ௌ ൌ ܸீ െ ௦ܸ: ௦௧௩ ܸீ ௌ ൌ ܸீ ௦ܸ: ௧௩ 5 െ ௦ܸ: ௦௧௩ ܸீ ௌሺ்ሻ 5 െ ௦ܸ: ௦௧௩ 2 ௦ܸ ௦௧௩ ൏ 3 V Logo, o sinal de entrada tem que se menor ou igual a: ܸ௧ௗ 6 V pico a pico Solução: entrada saída 38 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Exemplos de aplicação Entrada analógica Saída analógica Controle digital Entrada analógica A Entrada analógica B Controle digital Saída analógica multiplexada Multiplexador analógico Dispositivo que combina o sinal (ou dados) de duas ou mais fontes em um único canal. ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Circuito sample‐and‐hold (amostragem e retenção) Amostragem 39 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Curva do dispositivo de dois terminaisRegião ôhmica MOSFET de “dois terminais” Chave eletrônica Chaveamento de carga ativa Chaveamento digital Para Q1: VGS=VDS ࡾࡰࡿ,ࡽ ≫ ࡾࡰࡿሺሻ,ࡽ Lembrando que: ࡾࡰࡿ ൌ ࢂࡰࡿࡵࡰ Resistor com carga ativa ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Chave Digital CMOS Um modo de reduzir a corrente de dreno de um circuito digital é usando MOS complementar (CMOS). Baixo consumo de energia. 40 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA CMOS complementary metal‐oxide‐semiconductor SEMICONDUTOR METAL ÓXIDO COMPLEMENTAR ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Entrada Saída Vi Vo 41 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Exercício Quais são os níveis esperados na saída S para os níveis de entrada A e B da tabela abaixo? O circuito representa qual função lógica? Nível alto (1) = 5 V Nível baixo (0) = 0 V A B S ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Exercício Quais são os níveis esperados na saída S para os níveis de entrada A e B da tabela abaixo? O circuito representa qual função lógica? Nível alto (1) = 5 V Nível baixo (0) = 0 V A B S 42 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA 0 0 0 0 0 0 VGS=‐5 VGS=‐5 5 VGS=0 VGS=0 Solução: ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA 0 5 0 05 5 VGS=0 VGS=‐5 5 VGS=0 VGS=5 43 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA 5 0 5 50 0 VGS=‐5 VGS=0 5 VGS=0 VGS=0 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA 5 5 5 55 5 VGS=0 VGS=0 0 VGS=5 VGS=5 44 ELETRÔNICA ANALÓGICA I FEE / ITEC / UFPA Resultado FUNÇÃO “NAND” ou “NE”
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