PFR: O que sucede se o PFR estiver em V I =0V ou V I =5V?

(1)

Andar de Fonte Comum Circuito analógico básico

O

v

∆

I

v

∆

{

ganho de tensão

Sinais = variações de tensão (corrente)

AMPLIFICADOR

sinais fracos: troço

lin

proporcional

r

ea

O v I O I

v

A

v

∆ =

∆

≈

∆

→

≈

• PFR: O que sucede

se o PFR estiver em

V

_I

=0V ou V

_I

=5V?

(2)

Andar de Fonte Comum Análise gráfica cte. `

(

)

Caracter. do transistor

recta de carga

;

/

0

GS D DS _v DD D D DS D D D S D D D D S D D

i v

V

R i

v

V

i

v

i

V

R

=



→





=

+

→



=

= →

=

= →

(3)

Andar de Fonte Comum nomenclatura

{

( )

Sinais = variações de tensão

sinais fortes: troço não linear

distorção

sinais fracos: troço

linear (sempre saturado)

GS GS gs

DS DS ds

D D d

valor total valor em repouso componente contínua

v

V

v

V

v

i

I

i

→

≈

=

+

=

+

=

+

_{

( var ) ,

ponto func.

,

repouso

sinal

,

valor incremental componente iável GS DS D gs GS ds DS d D

V

I

v

= ∆

v

= ∆

v

i

= ∆

i

→

(4)

Transistor MOS Modelo Incremental

Notação

:

GS GS gs DS DS ds D D d

v

V

v

V

v

i

I

i

=

+

=

+

=

+

Transistor: "muito não linear",

mas troço

≈

linear da característica (saturação)

(5)

{

2

0 se

(

) = (

)

(

)

2 (

)

D gs GS t m

D

d

GS

t

GS

gs

t

GS

t

GS

t

gs

g

I

g

s

v

V

i

I

i

k v

V

k V

v

V

k V

V

k V

V

v

kv

≈

<<

−

=

+ =

−

+

−

+

−

=

₁

₄₂₄₃

−

+

₁₄₂₄₃

(6)

eq. linear, valores incrementais

transcondutâ

= 2 (

)

2

2 d

derivada no PFR

d

em geral

ncia

/

GS GS m GS t D GS t D D D m G d m S _{GS v} _V D G gs S

g

k V

V

I

V

kI

i

g

i

v

g

i

v

=

−

=

−

=

∆

=

→

∆

∂

=

→

(7)

esquema equivalente incremental (linear)

2 = 2 (

)

2 d

m g

D

m

GS

t

D

GS

t

s

I

g

k V

V

k

i

I

V

g v

V

−

=

−

=

→

VCCS

fonte de corrente

comandada por tensão

Modelo simplificado

(8)

Andar de Fonte Comum Esq. Incremental (exemplo)

• Fontes independentes

– de tensão: v=cte.

→∆

v=0

(curto-circ. incremental)

– de corrente: i=cte.

→∆

i=0

(circ. aberto incremental)

RD vo

(9)

Transistor MOS Esquema Incremental (r_o)

-V

_A

=-1/

λ

Efeito de

sobre (na saturação)

modulação do comprimento de canal

DS D

v

i

→

2

20 ~ 100

proporcional a L

(

) (1

)

D GS t DS A

V

i

k v

V

λ

v

=

→

=

−

+

(10)

Transistor MOS Esquema Incremental (r_o)

Efeito de

sobre (na saturação)

modulação do comprimento de canal

DS D

v

i

→

2

(

) (1

)

D GS t DS

i

=

k v

−

V

+

λ

v

1 1 ;

em gera

1 l

GS GS DS DS D D o DS A DS D o DS v A o D V D v V

i

I

r

v

V

i

r

v

V

r

I

λ

I

− − = =

∆

=

→

∆

∂

→

=

∂

≈

=

+

(11)

esquema equivalente incremental

2 = 2 (

)

2

1 (linear)

D

m

GS

t

D

GS

t

A

o

D

I

g

k V

V

kI

V

r

I

λ

I

−

=

−

≈

=

(12)

Esquema incremental

• Transistor

(excepto alta-frequência,

sem efeito de corpo)

• Fontes independentes

– de tensão:

v=cte.

→∆

v=0

→

curto-circ. incremental

– de corrente:

i=cte.

→∆

i=0

→

circ. aberto incremental

• Resistência:

v=Ri

→

∆v=R∆i

→

esq.incremental é a própria

resistência

• Condensador:

i = C dv/dt

→

circ. aberto em repouso,

esq. incremental é o próprio

condensador

• Bobine:

v = L di/dt

→

curto-circ. em repouso,

esq. incremental é a própria

bobine

;

m o

(13)

Esquema incremental de circuito

• Andares de amplificação (parâmetros importantes):

• Resistência de entrada

• Transcondutância ou Ganho de tensão

• Resistência de saída

0 0 0 0 o i i i i o m i v o v i i o o o v

v

R

i

G

v

A

v

R

i

= = =

=

(14)

Andar de Fonte Comum

0 0

(ganho de tensão médio) (resist. de s

( //

)

/

aída médi

/

a)

o i i o i m m i _{i v} o o v m o D o o D i _i o _v

v

i

R

G

g

i

v

A

g

r

R

r

R

v

i

= = =

=

= ∞

=

= −

=

(15)

Polarização estabilizada

• Parâmetros do transistor têm elevada dispersão.

• Interessa I

_D

bem definido para garantir PFR estável.

R

_G

?

(realimentação negativa devida a

)

D GS D

S

I

V

I

R

(16)

,

(realimentação negativa d

Porqu

evida a

e não

)

0 ?

0

G GS DS D DS GS D G G

I

V

I

R

I

R

V

↑⇒

↓

↓⇒

= ⇒

=

↓

(17)

Transistor MOS “díodo” 2 1 1

2

2 10 ordem de grandeza

Transistor ligado como "dío

:

50 ;

1 "

1 do

00

D A A m o GS t D GS t o m A GS t o m

I

V

g r

V

V I

V

r

g

exemplo

V

r

g

− −

=

→

−

→ >>

=

− =

→ =

(18)

Efeito de corpo (body effect)

aumenta com

(NMOS)

degrada func. dos circuitos

alarga zona de deplecção

canal menos profundo

aumenta

B ligado a S

B li

Com c

omponentes discretos

0 Circ.integrados:

não há ef. c

gado

o

à

rpo

t SB t SB

V

→

=

→

{

co 0 / 2 m 0 1

alimentação,

(tensão mais elevada se PMOS, tensão mais baixa se NMOS)

2

2 (NMOS)

Tí

pode haver ef.

picos: 2

0 corpo

.6 ,

0.5 ,

= 0.1 a 0.3

se

0

SB t t f SB f f mb m D B V m S b

V

v

V

g

i

g

V

γ

φ

γ

=





=

+

_

+

−

_

=

∂

=

≠

∂

_, GS DS BS BS V V V

v

r o gmvgs vgs G D g_mbv_bs

(19)

Andar de Dreno Comum

1 1 1 0

( //

//

)

1 ( //

//

)

( //

//

)

o o m o mb S v i m o mb S i gs o o m gs i o mb S

v

g v

v

g

r

g

R

A

v

g

r

g

R

r

R

− − − =

+

=

+

=

i i i

v

R

i

= = ∞

(20)

Andar de Dreno Comum

1 1 0 1 1 1 1 1

//

se »

;

»

;

(valor baixo)

(valor apro

»

;

x. unitário)

1

i o o m o mb S o v o m o mb S m o m mb m mb m v m mb m mb

v

R

g

r

g

R

i

r g

R

g

R

g

g g

g

A

g g

g

− − = − − − − −

=

⇒

≈

+

⇒

≈

=

+

(21)

Andar Cascode

• Andar da porta comum pouco utilizado

individualmente, usa-se associado ao andar de fonte

comum.

• Estudo: simplificar o problema avaliando primeiro o

sub-circuito composto por M

1 e M

2

(22)

Andar Cascode

2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 1 2 1 1 2 2 2 2 1 1

1 (

)

se

»1 e

,

mesma ordem de grandeza

desprezando o efeito de

)

cor

(

po,

x o o o m mb o x m x o x m m o b gs gs gs o x o o o m o o

v

r

i

g

v

R

r

g

r

i

g r

r r

R

g r r

r i





⇒





=

_

−

+

_

−

=

+

_

+

≈

−

+

_

(23)

Comparação

• Andar de fonte comum:

– Andar de ganho de tensão médio com resistência de saída média.

Resistência de entrada elevada.

• Andar de dreno comum:

– ganho de tensão unitário (seguidor de fonte) com resistência de

saída baixa. Resistência de entrada elevada. Bom andar isolador,

para ser utilizado após o andar de fonte comum quando a

resistência de carga é baixa. (ex: resistência de um altifalante ~4

Ω

)

• Andar cascode:

– Alternativa ao andar de fonte comum.

Andar de porta comum

serve como isolador de corrente, ganho de corrente unitário. Andar

de ganho de tensão elevado com resistência de saída elevada, se

usado com carga activa. Resistência de entrada elevada.

(24)

Transistor de Junção Bipolar (TJB)

• Estrutura simplificada

• Estrutura comum

(25)

Condução na Zona Activa • BE–Directamente polarizada • BC–Inversamente polarizada • Só se consideram correntes por difusão; desprezam-se correntes de deriva

• BE- corrente consiste de duas

componentes:

• Electrões do emissor para a base;

lacunas da base para o emissor.

• Emissor muito mais dopado que base

e base de muito menor dimensão:

movimento de electrões dominante.

• Os electrões injectados na base são

portadores minoritários (base tipo P)

• Os electrões injectados difundem-se

pela base na direcção do colector.

• O nº de electrões que se recombinam

(26)

Condução na Zona Activa • BE–Directamente polarizada • BC–Inversamente polarizada • Só se consideram correntes por difusão; desprezam-se correntes de deriva

• BC está polarizada inversamente: os

electrões que não se recombinam na

base atravessam a junção BC e são

colectados no colector, originando a

corrente de colector.

• Esta corrente depende

(sempre)

variação linear:

(só na Z. ac

tiva)

=

E C B C B

i

β

i

= +

(27)

Estruturas e Zonas de Funcionamento

• Símbolos

• Transistor de Junção

Bipolar (TJB);

• Bipolar Junction

Transistor (BJT)

• Bipolar: Portadores de

carga negativa (electrões)

e positiva (lacunas)

• Dispositivo assimétrico:

trocando C e E fica

dispositivo de muito má

qualidade.

i

_E

i

_C

i

_B

i

C

i

_E

i

_B

v

_BE

v

_CE

v

_EB

v

_EC

E

C

B

i

= +

i

(28)

Estruturas e Zonas de Funcionamento

Junção CB

Junção BE

Raramente

utilizado

Z. Activa

inversa

Directa

Inversa

Analógicos

Zona activa

Inversa

Directa

Saturação

Directa

Digitais

Corte

Inversa

Aplicação

típica

Modo de

Funcionamento

Polarização

(29)

Estruturas e Zonas de Funcionamento /

Corte:

0.7 ;

0,

0 Activa:

0.7 ;

;

Saturação:

0.7 ;

;

0.7 (limiar de sat.)

0.2 (profundamente sat.)

BE T sat BE B C BE CE BE C B v V C S BE C B CE BE CE CE

v

V

i

v

V

v

V

i

I e

v

V

i

v

V

v

V

β

<

=

≈

>

≈

=

≈

<

=

≈

=

≈

(30)

/

1 se não for: »

a corrente é desprezável

proporcional à área, depende muito de

BE T v V _CE C S A T S

v

i

I e

V

V V

I

T





=

_

+

_





Efeito de Early

(31)

Andar de Emissor Comum (exemplo) Corte Condução: Sat.?Z.Activa? Hipótese: Z.Activa 0.2 0.2 0; 0; 1.7 0.7 2 (

Confirma hip.? Z.A. Hipóte 3 se: S a) (b) a t. I BE B C C CE CC C C CC I BE C B C CE CC C C v V v V i i v v V R i V v V v V i i mA v v V R i V β = → ≤ → = = = = − = = ≈ → → = = = = − = þ

Confirma hip.? Sat

Condução: Sat.?Z.Activa 0.2 0.2 4.8 2 5 0.7 ? Hipótese: Z.Activa

Confirma hip.? Z.A. Hipótese: ( 8 c .6 3.6 Sat. ) CC CE C C C B I BE C B C CE CC C C V v V i mA R i i mA v V v V i i mA v v V R i V β β − ≈ → = = > = → = ≈ → → = = = = − = − ý ý 0.2 0.2 4 Confirma hip.? S .8 8.6 at CC CE C C C B V v V i mA R i βi mA − ≈ → = = < = → þ β=100 R_C=1kΩ V_CC=5V R_B=50kΩ

transistor não linear mas aproximadamente line

0.7

ar, em cada zona

analógico : amplificador digital: inversor Corte Z.Activa Condução Saturação 0.7 .2 . 0 BE C B CE V v i i V v V β < →   ₌ _→ ≈    →  _≈ _→ 

(32)

Andar de Emissor Comum Característica de transferência

(33)

Andar de Emissor Comum Circuito digital básico

• Se v

_I

= 0V (0 lógico)

→

v

_O

= 5V (1 lógico)

• Se v

_I

= 5V (1 lógico)

→

v

_O

≈

0V (0 lógico)

– INVERSOR

(34)

Andar de Emissor Comum Circuito analógico básico

• PFR: O que sucede se o PFR

estiver em V

_I

=0V ou V

_I

=5V?

ganho

{

de tensão

Sinais = variações de tensão

AMPLIFICADOR

sinais fracos: troço

linea

r

O v I

v

A

∆

v

→

≈

∆ =

O

v

∆

I

v

∆

(35)

Andar de Emissor Comum nomenclatura

{

( )

Sinais = variações de tensão

sinais fortes: troço não linear

distorção

sinais fracos: troço

linear (se

m

pre Z.Activ )

a

BE BE be CE CE ce C C c

valor total valor em repouso componente contínua

v

V

v

V

v

i

I

i

=

+

=

→

=

+

≈

{

( var )

, C

ponto func. repous

,

o

sina

,

l

valor incremental componente iável BE CE be BE ce CE c C

V

I

v

= ∆

v

= ∆

v

i

= ∆

i

→

(36)

Andar de Emissor Comum Análise gráfica cte.

(

)

Caracter. do transistor

recta de carg

a

BE C CE _v CC C C CE

i v

V

R i

v

=



→





=

+

→



(37)

(38)

Esquemas incrementais em π e em T

1

;

esquema equivalente incremental (linear)

eq. linear, valores incrementa

derivadas no PFR

is

BE BE BE BE CE CE C m BE v V C o CE v V v c m be C m T A o V c m be _be C

i

g

i

g

v

i

r

v

i

g v

_v

r

v

I

g

V

r

i

I

i

π

i

r

π

g

β

= − = =

→

∂

=

⇔

∂

=

→

∂

=

_

=

→

=

≈



→

=

_

(39)

• Parâmetros do transistor (ex.

β

) têm elevada dispersão.

• Interessa I

_C

bem definido para garantir PFR estável.

aumenta pouco

(realimentação negativa devida a

)

C E E BE C

E

I

I R

V

I

R

(40)

0 »

»

/(

1)

/(

1)

1 mas

baixo

maior consumo,

men

amplitude

alta

alto

or

»

alto

BB E E BE B B BB BE BB BE E E B E B E B B i BB BE BB E ce CE C C v m C C T E

V

I R

V

I R

V

v

V

I

R

V

v

V

v

V

I R

A

g R

I

V

R

β

−

+

=



_∆



−



_→

₌

_→



₌

₊



₊





₊



→

∆

→

= −

→

escolhe-se

alto

Como

1

C CC E E CE C C E E CC CE CC C C CC

V

I R

V

I R

V

I R

V

=

+

→

≈

(41)

;

1 /(

1)

se

/(

1)«

fica pouco sensível a variaç

,

(realimentação negativa devida

ões de

a

)

C CE BE C E B C BE B B CC BE CC E C BE B B C C B B C B E

I

V

I R

V

I R

V

I R

I

R

I

R

I

R

V

R

β

=

+

−

=

+

→

=

≈

+

↑⇒

↓

↓⇒

↓

+

(42)

Andar de Emissor comum

1

,

2

Cond. de acoplamento

Curto circuito na banda de passa

gem

C C

→



(43)

Andar de Emissor Comum 0 1 2 0 0

//

( //

)

//

o i i i o m m i v o v m o C i i o o o C

v

R

r

R

i

G

g

v

A

g

r

R

v

R

r

R

i

π = =

=

= −

=

(44)

Andar de Emissor Comum com degeneração de emissor

1 2

Cond. de acoplamento

Cond. de contorno (

,

Curto circuito na banda de passa

"

")

gem

E

bypass

C C

C

→

_



→

_

(45)

(

)

(1

)

(1

)

1 (se »1

)

i i b E b b i E i i m occ m i b m i i E m E

v

r i

R i

i

R

r

R

i

v

g

i

G v

i

G

R

r

R

g R

π π π

β

=

+

→

= = + +

=

→

=

≈

+ +

+

(46)

[

]

[

]

[

]

2 2 2 2 2 1 2 2 1 1 «

1 (

//

)

//

(

//

)

o x ox o m E E x o x m E x x _r

v

R

r

g

r

R

r

R

i

v

r

i

g v

v

r

R i

π π π π π π

=

−

⇒

=

+

= −

1

424

3

(47)

Andar de Colector Comum Seguidor de Emissor

• Funciona como buffer de tensão (andar de

isolamento). Tem resistência de entrada elevada e

resistência de saída baixa.

(48)

Andar de Colector Comum Seguidor de Emissor ' ' ' ' ' ' '

//

// ;

(

)

»

(

(1

)

(1

)

1 (

1 )

;

(se (1

)

1 )

»

E E E E E E E l o i b b b i o b b i i i b v

v

R

r

R

i

R

A

r

R

r

v

r i

R i

i

r

v

i

R

i

R

r

π π π π π

β

→

=

= + +

+

→

=

≈

+ +

=

+

= +

=

+

1

;

(1

)

//

1 (

//

1 )

)

/

1 /

(

x x b x b g E o x o x E o o E g g o

r

R

v

i

r

R

r

R

i

R

v

R

r

R

π π π

β

−

+





→

=

_

_

+

−

=

− +

+

=

+



+

=



+

(49)

Andar de Base Comum

Esq. incremental em T

1

baixo

elevado se fonte de corrente

isolador de sinais representados por correntes: ganho de corrente

1

i e m o C

R

= ≈

r

g

−

→

R

=

R

≈