CLASE 16 EL MOSFET COMO AMPLIFICADOR

EL TRANSISTOR MOSFET CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN MOSFET CANAL N DE ENRIQUECIMIENTO FORMA DE PRESENTACIÓN DE LAS ECUACIONES DEL MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO De la ecuación que define el umbral VDS = VGS -­Vth = VOV Se define Para la región triodo VGS >Vth VDS < VGS -­Vth VGD > Vth Para la región de saturación VGS ≥Vth VDS ≥ VGS -­Vth VGD < Vth CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA ID VS. VGS DEL MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO De la ecuación en la zona de saturación puede realizarse la gráfica de la corriente iD vs. el voltaje vGS en el límite entre las regiones. En la región de saturación el MOSFET se comporta como una fuente de corriente cuyo valor está controlado por vGS. CARCTERÍSTICAS COMPLETAS DEL MOSFET TIPO N DE ENRIQUECIMIENTO El MOSFET se comporta como una fuente de corriente cuyo valor está controlado por vGS REPRESENTACIÓN CIRCUITAL DE LA OPERACIÓN DEL MOSFET EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN: CIRCUITO EQUIVALENTE DE GRAN SEÑAL RESISTENCIA EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN * En la práctica, al aumentar vDS se ve afectado el punto de pinch-­‐
off. La longitud del canal se reduce (modulación de la longitud del canal). * La corriente iD es inver-­‐
samente proporcional a la longitud del canal y aumenta. λ es un parámetro que depen-­‐
de de la tecnología utilizada y es inversamente proporcional a la longitud del canal. CARACTERÍSTICAS REALES DE SALIDA DE UN MOSFET TIPO ENRIQUECIMIENTO CONSIDERANDO LA MODULACIÓN DEL CANAL EXTRAPOLACIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL MOSFET La intersección de la extrapolación de las curvas ocurre en VA= 1/λ. La resistencia de salida es EL EFECTO SUSTRATO * Usualmente el Sustrato se conecta al Source, por lo que se usa el modelo simplificado de tres terminales. * En circuitos integrados el sustrato es común a varios dispositivos. * Para mantener la condición de corte de la juntura PN el sustrato se conecta a la fuente más negativa para NMOS y a la más positiva para PMOS. Esto aumenta la región de vaciamiento y reduce la profundidad del canal. Para reponer el canal hay que aumenta vGS. * El efecto se puede representar como un cambio en Vth al variar VSB Donde: Vtho: Voltaje Vth para VSB = 0 φf = Parámetro físico (2φf ≈ 0,6V) γ = Parámetro del proceso de fabricación. Parámetro del efecto sustrato * El terminal B actúa como otro G del MOSFET. SÍMBOLOS CIRCUITALES Para el NMOS de enriquecimiento (MOSTET canal N) Para el PMOS de enriquecimiento (MOSTET canal P) POLARIZACIÓN DE MOSFETS 1.-­‐Determine los valores de las resistencias para que el MOSFET opere a ID = 0,4 mA y VD = 0,5V. Los parámetros son Vth=0,7V, µnCox=100µA/V2, L = 1µm W = 32µm. Considere λ = 0. Dado que VD = 0,5V es mayor que VG, (VGD < Vth) el MOSFET va a estar en la región de saturación. Sustituyendo: Vov =±0,5 V Vs=-­‐1,2V 2.-­‐Determine el valor de la resistencia R para que el MOSFET opere a ID=80µA y determine el valor de VD. Los parámetros son Vth=0,6V, µnCox=200µA/V2, L = 0,8µm W = 4µm. Considere λ = 0. VGD=0. Como VGD < Vth está en la región de saturación. 3.-­‐Determine el valor de la resistencia R para que VD=0,1V. ¿Cuál es la resistencia efectiva entre Drain y Source en este punto de operación? Los parámetros son Vth=1V, kn'(W/L) = 1mA/V2. VG=5V y VD=0,1V VGD=4,9 V VGD>Vth Está en la región de triodo Se selecciona 12kΩ 4.-­‐Determine el valor de los voltajes y corrientes. Los parámetros son Vth=1V, kn'(W/L) = 1mA/V2. Voltaje de Thevenin en el Gate: Se comienza suponiendo saturación. Dos valores: 0,89 y 0,5 Con 0,89mA VD= 0,89x6= 5,34 >VG: Estaría en corte Con 0,5mA VD= 0,89x6= 5,34 V VS= 0,5x6= 3V VGS= 5-­‐3=2V VD = 10 -­‐ 6x0,5= 7V VGD = 5 -­‐7 = -­‐2V< Vth=1V Está en saturación POLARIZACIÓN CON FUENTE DE CORRIENTE EL ESPEJO DE CORRIENTE CON MOSFET RECTA DE CARGA CARACTERÍSTICA DE TRANFERENCIA. GRAN SEÑAL EL MOSFET COMO AMPLIFICADOR En saturación: Corriente DC (polarización) Al aplicar la fuente AC: Si vgs se mantiene lo suficientemente pequeño, se pueden tomar en cuenta solo los dos primeros términos. En caso contrario: distorsión Entonces: Otras expresiones para gm Sustituyendo en la expresión de gm Una tercera expresión: * Ganancia de voltaje MODELO EQUIVALENTE DE PEQUEÑA SEÑAL AMPLIFICADOR SOURCE COMÚN En DC: Punto de operación Q En AC: Ganancia de voltaje, ganancia de corriente, impedancia de entrada e impedancia de salida. * Ejercicio de Amplificador Source Común Vth = 1,5V k'(W/L) = 0,25 mA/V2, VA = 50V Punto de operación. Suponemos que el MOSFET está en saturación Como la corriente de Gate es cero no hay caída de voltaje en RG, por lo tanto VD = VG. El voltaje de Source es cero. Entonces VGS = VG = VD Resolviendo * Cálculo de los parámetros * Resolución de la ecuación de segundo grado Negativo. No válido * Circuito de pequeña señal * Cálculo de AV Para RG con valor elevado (en este caso RG = 10MΩ) Es la solución del libro ¿Es aceptable la aproximación? Es aceptable Si RG tiene un valor elevado, puede despreciarse esta resistencia en los cálculos de la ganancia de voltaje. * Resistencia de entrada Rin = vi/ii * Resistencia de salida Ro=Vp/Ip vgs = 0 Ro = RD//ro = =47//10 = 8,25kΩ * Ganancia de corriente Es muy elevada * Máximo voltaje de entrada para estar en saturación vDS ≥ vGS -­‐ Vth Cuando vGS es máximo y vDS mínimo: vDSmin= vGSmax -­‐ Vth El voltaje vDS es mínimo cuando la excursión baja por debajo del punto de operación VDS, de forma que vDSmin= VDS-­‐|AV|vi y vGSmax = vGS+ vi vgs = 0, 34 << 2(VGS − Vth ) = 2x( 4, 4 −1,5) = 5,8V (aceptable)
CONCLUSIONES SOBRE EL AMPLIFICADOR SOURCE COMÚN * La ganancia del amplificador Source Común es relativamente elevada, y la señal de salida presenta un desfasaje de 180º con respecto a la de entrada, según indica el signo negativo que se obtiene en la relación de AV. * La impedancia de entrada depende de las resistencias del polarización, por lo que se seleccionan valores elevados, del orden de las unidades o decenas de MΩ, para obtener la resistencia de entrada mas alta posible. * La impedancia de salida depende de la resistencia de Drain, lo cual hace que presente un valor relativamente alto. EL AMPLIFICADOR SOURCE COMÚN CON RESISTENCIA DE SOURCE Para analizar este circuito es conveniente utilizar el modelo T. EL MODELO T PARA MOSFET EL MODELO T INCLUYENDO LA RESISTENCIA ro ANALISIS DE PEQUEÑA SEÑAL DEL AMPLIFICADOR SOURCE COMÚN CON RESISTENCIA DE SOURCE APLICANDO EL MODELO T * Resistencia de entrada * Ganancia de voltaje AMPLIFICADOR DRAIN COMÚN * Circuito equivalente con el modelo T incluyendo ro * Circuito equivalente con el modelo π incluyendo ro * Ganancia de voltaje Se define Rp = RC//RL//r Es menor que 1 La salida está en fase con la entrada Con el modelo T: Mismo resultado * Resistencia de entrada *Resistencia de salida Vp = -­vgs Ro = Rs//ro//(1/gm) * Ganancia de corriente Depende del valor de las resistencias de polarización * Ejercicio de amplificador Drain Común * Los parámetros del MOSFET En saturación: En los manuales aparece GFS "Forward Transconductance": Relación entre la variable de salida (ID) y la de entrada VGS para una corriente ID específica. Esta definición es similar al gm para pequeña señal, aplicada a valores DC. Para el MOSFET VN10K: Para trabajar con las ecuaciones de polarización se define: iD = K (VGS − Vth ) 2
€
1 W
K = k'
2 L
€
W
k' = 2K
L
€
Utilizando una de las ecuaciones para gm y aplicándola a GFS (identificada también como Gm): W 2I D
W
gm = k'
k' = 2K
W
L
L
k'
L
W 2I
2I
I
Gm = k'
D
L
W
k'
L
= 2K €
D
2K
= 2K
Con los datos del ejercicio: mA
100
= 2 K 500mA
V
€
D
K
= 2 KI D
Gm = 2 KI D
K=5
mA
V2
€
€ iD = 5 mA (VGS − Vth ) 2
V2
* Cálculo del punto de operación suponiendo saturación Voltaje VGG: 2MΩ
VGG =
12V = 8V
3MΩ
Vth ≈2V €
* Determinación de la corriente ID. En saturación * Análisis de pequeña señal. Parámetros * Modelo de pequeña señal * Modelo de pequeña señal arreglado * Ganancia de voltaje * Resistencia de entrada * Resistencia de salida * Ganancia de corriente * Parámetros del amplificador Tiene ganancia de voltaje menor que 1 Resistencia de entrada muy elevada Resistencia de salida baja AMPLIFICADOR GATE COMÚN La resistencia RG evita la acumulación de carga estática en Gate, y el condensador CG asegura que Gate esté a tierra para el análisis de pequeña señal. Hay que calcular el punto de operación y los parámetros del modelo de pequeña señal. MODELO DE PEQUEÑA SEÑAL Con modelo π ro no se va a tomar en cuenta Con modelo T ro no está incluida * Del modelo π simplificado: * Ganancia de voltaje: * Ganancia de corriente Es menor que 1 * Resistencia de entrada Esta configuración tiene una baja resistencia de entrada. * Resistencia de salida