Eletrônica Analógica II, Resumos de Eletrônica

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Eletrônica Analógica II

Apostila 1

Prof. Me. Eng. Eduardo José Nogueira

• Sumário 1 - Transistor de efeito de campo (FET)
  • 1.1 1.1.1 – Transistor de efeito de campo de junção (JFET) – JFET de canal N
    • 1.1.2 1.1.3 – – Curva de transferência do JFETRegião de operação do JFET
    • 1.1.4 1.1.5 – – Simbologia do JFETPolarização do JFET
  • 1.2 1.2.1 – Transistores de Efeito de Campo Metal – MOSFET do tipo depleção - Óxido-Semicondutor – MOSFETs
• REFERÊNCIAS: 1.2.2 – MOSFET do tipo intensificação

FIGURA 1: Comparativo entre o TBJ e o FET. Fonte: BOYLESTAD & NASHELSKY.

(drain) varia em função da tensão entre a porta (gate) e a fonte (source). Desde que adequadamente pola-^ Basicamente o FET é um dispositivo no qual a corrente é controlada por tensão. A corrente de dreno rizado, o FET pode ser utilizado em circuitos amplificadores, da mesma forma que o TJB [1, 2, 3 e 6]. Comparativo entre o TBJ e o FET a) b) O FET apresenta uma impedância de entrada altíssima comparada à impedância de entrada do TBJ;O FET é muito menos sensível à temperatura que o TBJ; c) d) A estabilidade da polarização no FET é bem melhor em comparação ao TBJ.O ganho de tensão do FET é pequeno comparado ao ganho que pode ser obtido com o TBJ; e) O tamanho do FET é muito menor que o do TBJ, o que facilita a integração (fabricação de circuitos integrados).

1 .1 – Transistor de efeito de campo de junção (JFET) Este dispositivo possui três terminais, em que um deles irá controlar a corrente entre os outros. Assim

como nos TBJs, os JFETs podem ser divididos em dois tipos, os de canal n e os de canal p, nos quais os primeiros são os mais utilizados [1].

1.1.1 – Os JFETs JFET de canal N de canal n são construídos de tal modo que a maior parcela de material utilizado seja um

semicondutor do tipo n. Este material formará, portanto, um canal entre as camadas imersas de material do tipo p, como podemos visualizar na figura 2.

FIGURA 2: Estrutura física do JFET, canal N. Fonte: BOYLESTAD & NASHELSKY. Analisando a figura 2 podemos entender a construção do JFET de canal n, na qual [1]:

• A parte superior do canal Dreno (D). n é conectada por meio de um contato ôhmico ao terminal denominado
• A p Fonte (S)arte inferior do canal – do inglês Source n é conectada por meio de um contato ôhmico ao terminal denominado.
• Os dois materiais do tipo do inglês Gate. p são conectados entre si, juntamente ao terminal denominado Porta (G) –

n , e a porta (G) está conectada às camadas do material do tipo^ Resumindo, temos que^ o Dreno (D) e a Fonte (S) são conectados aos extremos do material do tipo p. Como o JFET de canal N trabalha Na ausência de um potencial aplicado, o JFET apresentará duas junções p-n não polarizadas. Como resultado, obteremos uma região de depleção em cada junção, semelhante à mesma região que vimos em um diodo não polarizado. Devemos lembrar que em uma região de depleção não há portadores livres, por- tanto, não permite a condução através da região [1].

Analogia com fluxo de água para explicar o funcionamento do JFET sentada na figura 3. Nesta analogia, podemos comparar a fonte de pressão da água com a tensão aplicada^ Para entendermos mais facilmente o funcionamento de um JFET, veremos a analogia da água, apre- do Dreno para a Fonte, e esta estabelece um fluxo de água (e por meio de um sinal aplicado (potencial), controlará o fluxo de água (carga) para o dreno.létrons) a partir da torneira (fonte). A Porta,

• Analisando a figuraAs correntes de Dreno e Fonte são iguais (I^4 , podemos tirar algumas conclusões:D = IS).
• A região de depleção é mais larga na parte superior de ambos os materiais do tipo p. que o dispositivo chegue à saturação. Quando isso ocorre, as duas regiões de depleção irão se “tocar”,^ A segunda afirmação nos ajuda a entender o que acontece ao elevarmos o valor de^ 𝑉𝐷𝑆^ de modo conforme podemos visualizar na figura tensão de pinch-off, denotado por VP. 5. O valor de VDS que estabelece essa condição é chamado de

FIGURA 5: JFET levado à saturação ( pinch-off ). Fonte: BOYLESTAD & NASHELSKY.

corrente máxima de Dreno para um JFET e é definida pela condição VGS = 0 e VDS > |VP|.^ A figura 96 mostra o comportamento da corrente através do dispositivo nesta situação. IDSS é a

FIGURA 6: Tensão de pinch-off. Fonte: BOYLESTAD & NASHELSKY.

1.1.2 – Curva de transferência do JFET

relacionam por meio do parâmetro beta (^ Diferentemente de um transistor TBJ, no qual a corrente de saída𝛽), tomado como constante em sua análise, um transistor do tipo^ 𝐼𝐶^ e a corrente de entrada^ 𝐼𝐵^ se JFET não apresenta a linearidade, causada por esta constante. Esta não linearidade entre as variáveis de saída e entrada de um JFET pode ser visualizada na equação abaixo, conhecida como equação de Shoc- kley, que relaciona a entrada linear mencionada anteriormente, gerando uma curva característica, que é apresentada na Fig 𝑉𝐺𝑆 com a saída 𝐼𝐷. O termo quadrático desta equação resulta da relação nãoura 96.

𝐼𝐷 = 𝐼𝐷𝑆𝑆 ( 1 − 𝑉 𝑉𝐺𝑆𝑃 )^2

FIGURA 7: Curva de transferência do JFET. Fonte: BOYLESTAD & NASHELSKY. portamento da corrente de Dreno (^ A curva mais à esquerda na figuraID) em função da tensão^7 é recebe o nome de VGS^ entre a Porta (curva de transferênciaGate) e a Fonte (^ e descreve o com-Source).

1.1.3 – Região de operação do JFET

dispositivo. Para isso, utilizamos um gráfico que determi^ Em projetos que utilizam JFET, normalmente se deseja saber quais são os limites de operação dona qual é a região de operação o dispositivo. Na Figura 8 temos um exemplo da região de operação de um JFET. Esses parâmetros podem ser obtidos diretamente das folhas de dados (datasheets), fornecidos pelos fabricantes do dispositivo. Veja como as informaç cujo link encontra-se abaixo:ões extraídas de um datasheet são necessárias em um projeto assistindo ao vídeo

https://www.youtube.com/watch?v=wZmuBAZSgco acesso em 04/02/2022.

FIGURA 10 : Simbologia alternativa, também muito utilizada para o JFET.

1.1.5 – Polarização do JFET

polarização fixa.^ Veremos primeiramente o mais simples arranjo de polarização do JFET, na Figura 100, denominado

FIGURA 1 1 : Polarização fixa de um JFET canal N. C2 são de acoplamento, como já visto no estudo do TBJ (em Eletrônica Analógica I), representando curto^ O circuito da figura 11 é um estágio amplificador na configuração fonte comum. Os capacitores C1 e para o sinal a ser amplificado e circuito aberto para os sinais CC. Como não é prático utilizar uma fonte de alimentação extra só para polarizar a porta, a técnica mais utilizada é a mostrada na figura 1 2 , conhecida como auto polarização.

Canal N Canal P

G G

D D S S

RD

VDD

RG 1

(^2) VGG

C

C vi

vo

FIGURA 12: Auto polarização do JFET.

pelo resistor RS faz com que apareça um potencial positivo no terminal fonte (S) em relação ao^ Como não flui corrente CC pelo resistor RG, a tensão na porta é^0 V. A passagem da corrente ID referencial (terra) circuito da figura 1, fazendo com que VGS seja negativo. Assim o ci 1 , utilizando uma única fonte VDD. rcuito da figura 12 desempena o mesmo papel do

1.2 – Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor – MOSFETs

transistores mais utilizados em projetos e construções de circuitos integrados para computadores, devido as^ Os transistores MOSFET^ –^ Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor^ –^ são os suas características. Assim como os JFETs, os MOSFETs possuem os terminais de porta, fonte e de dreno, porém diferem dos JFETs por possuírem uma isolação entre a Porta e o canal. Devido a esse isolamento, a corrente de porta é extremamente pequena (desprezível), indiferente da polaridade. Um MOSFET pode ser do tipo depleção ou do tipo intensificação.

RD

VDD

RG

C

C vi

vo

RS

O conteúdo apresentado aqui sobre o JFET é um resumo de tópicos mais importantes para compreensão do funcionamento dele. Recomendamos fortemente, para aprofundar seus conhecimentos sobre o dis- positivo, o estudo detalhado da primeira parte do capítulo 5 de o segundo está disponível na Minha Biblioteca , onde os alunos do UNIALFA têm acesso [3] e do capítulo 1 1 de [2], lembrando que, e ambos na biblioteca física da instituição.

Na Figura 1 o MOSFET canal 5 podemos visualizar o símbolo de um MOSFET do tipo depleção de três terminais em (a) temos n e em (b) temos o símbolo do MOSFET canal P, ambos do tipo depleção.

FIGURA 15: símbolos esquemáticos do MOSFET – D, em (a) temos o de e BATES. canal n e em (b) temos o de canal p. Fonte: MALVINO

FIGURA 16: Simbologia alternativa para as MOSFETs canais n e p.

1 .2.2 – MOSFET do tipo intensificação

do MOSFET tipo depleção, este não possui o canal entre^ Este tipo de MOSFET é largamente utilizado nos circuitos dos computadores atuais. Diferentemente a fonte e o dreno. Na Figura 1 7 podemos visualizar a estrutura interna de um MOSFET do tipo intensificação de canal n. Em (a) temos o MOSFET não polari- zado e em (b) ele aparece polarizado. No modo intensificação ele também recebe a denominação de MOS- FET-E e EMOS.

S

D

G

S

D

G

(a) (b)

FIGURA 17: MOSFET do tipo intensificação ( enhancement ). Fonte: MALVINO e BATES. Funcionamento do MOSFET tipo intensificação MOSFET do tipo intensificação.^ Com base na polarização normal, mostrada na Figura 1^7 - b, podemos analisar o funcionamento do

• Quando a tensão na porta d livres da fonte para o dreno, porém o substrato possui apenas alguns elétrons livres, assim, a cor-o MOSFET é igual a zero, a fonte 𝑉𝐷𝐷 tenta forçar a passagem de elétrons rente de dreno será igual a zero.
• Isso explica o fato de que o MOSFET do tipo int ( off ). ensificação está normalmente no estado desligado
• Quando aplicamos uma tensão suficientemente positiva na porta, as lacunas próximas ao dióxido de silício serão preenchidas, e então elétrons livres começarão a fluir da fonte para o dreno.
• Este efeito é idêntico à criação de uma fina camada de material do tipo silício. Esta camada condutora é chamada de camada de inversão tipo n (^). n próxima ao dióxido de

Curvas características do MOSFET tipo intensificação Com o auxílio da Figura 1 8 - a, podemos analisar as curvas características de Dreno de um MOSFET do tipo intensificação. Podemos perceber que o dispositivo estará ligado se curvas corresponde à região ôhmica, e a parte horizontal à região de fonte de corrente. 𝑉𝐺𝑆>𝑉𝐺𝑆(𝑡ℎ). A parte vertical das

FIGURA 20: MOSFET-E com proteção interna.

vídeo que pode ser acessado no link abaixo:^ Para uma melhor compreensão do funcionamento do MOSFET sugerimos^ que^ o aluno^ assista ao https://www.youtube.com/watch?v=9JKj-wlEPMY

(a) (b)

Para aprofundar o conhecimento teórico sobre o MOSFET, tanto no modo d intensificação estude o capítulo 14 de [2] ou a segunda parte do capítulo 5 de [3].epleção quanto no modo [3] está disponível na Minha Biblioteca física da instituição., onde os alunos do UNIALFA têm acesso, e ambos estão disponíveis na biblioteca

REFERÊNCIAS: [1] NOGUEIRA, Eduardo J. – ELETRÔNICA ANALÓGICA , Faculdade Domínio, 2021. [2] MALVINO, Albert P. & BATES, David J. Disponível em Minha Biblioteca. – ELETRÔNICA , volume 1, 8 ª edição, Mc. Graw Hill, 20 16. [3] BOYLESTAD, Robert & NASHELSKY, Louis TOS , 6ª edição, LTC, 1998. – DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E TEORIA DE CIRCUI- [4] ALMEIDA, Nival Nunes, DUARTE, Marcelo de Almeida LTC, Edição 1, 2017. - ELETRÔNICA ANALÓGICA BÁSICA , Editora [5] CRUZ, Eduardo Cesar Alves, ponível em Minha Biblioteca. ELETRÔNICA ANALÓGICA BÁSICA , Editora Érica, Edição 1, 2014. Dis- [6] PUSTILNICK, Salmo, ELETRÔNICA ANALÓGICA , apostila Escola Politécnica – UNINTER – PR.