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

€

K =12k 'WL

€

k 'WL

= 2K

Utilizando  una  de  las  ecuaciones  para  gm  y  aplicándola  a  GFS  (identificada  también  como  Gm):              

   Con  los  datos  del  ejercicio:    

 

€

Gm = k 'WL

2IDk 'WL

= 2K 2ID2K

= 2K IDK

= 2 KID€

gm = k 'WL

2IDk 'WL

€

k 'WL

= 2K

€

100 mAV

= 2 K500mA

€

K = 5 mA

V 2

€

iD = 5 mA

V 2VGS −Vth( )2€

Gm = 2 KID

*  Cálculo  del  punto  de  operación  suponiendo  saturación    

 Voltaje  VGG:      

 Vth  ≈2V    

       

 

€

VGG =2MΩ3MΩ

12V = 8V

*  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