Malvino Vol 1 - 13 - Transistores De Efeito De Campo

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Capítulo 13 + TRANSISTORES DEEFEITODECAMPO o transistor bipolaré o esteio da eletrônica linear. O seu funcionamento baseia-se em dois tipos de cargas: elétrons e lacunas. Por isso ele é chamado bipolar (o prefixo bi significa 11dois"). Para a maioria das aplicações lineares, o transistor bipolar é a melhor escolha. Mas há algumas aplicações nas quais um transistorunipolarse adapta melhor. O funcionamento de um transistor unipolar depende apenas de um tipo de carga, de elétrons ou de lacunas. Por isso é chamado unipolar (o prefixo uni significa "um"). O transistorde efeitode campo(FET- field effecttransistor)é um exemplo de um transistor unipolar. Este capítulo discute os três FETs básicos, suas estruturas e como funcionam. As semelhanças entre o FET e o transistor bipolar são maiores que suas diferenças. Por isso, quase tudo o que você aprendeu até agora sobre transistores bipolares aplica-se aos FETs com certas restrições. Após o estudo deste capítulo você deverá ser capaz de: 548 ~ Descrever a construção básica de um JFET e desenhar um diagrama mostrando como ele geralmente é polarizado. ~ Identificar e descrever as regiões significativas nas curvas de dreno e transcondutância de um JFET. ~ Calcular a tensão de constrição proporcional e determinar em qual região um JFET está trabalhando. Cap.13 t 13.1 Transistores de efeito de campo 549 ~ Ilustrar a construção e descrever o funcionamento de um MOSFET do tipo depleção. ~ Ilustrar a construção e descrever o funcionamento de um MOSFET do tipo intensificação. oJFET o primeiro tipo de transistor que discutiremos é o FET dejunção, abreviado como JFET. Aqui está a idéia básica por trás de um FET. A Figura 13.1amostra um pedaço de um semicondutor tipo n. Isso não é um JFET,mas é o primeiro passo para a construção de um JFET. A extremidade inferior é chamada fonte e a superior, dreno. A tensão de alimentação V DD força os elétrons livres a fluírem da fonte para o dreno. Estes elementos de um JFET são análogos ao emissor e ao coletor de um transistor bipolar. I r Para construir um JFET, um fabricante difunde duas áreas de semicondutor tipo p no semicondutor tipo n, como mostrado na Figura 13.1b. Cada uma dessas regiões p é chamada porta.Quando o fabricante conecta um terminal para cada porta, o dispositivo é chamado JFETde portadupla. O principal uso de um JFET de porta dupla é com um misturadorde sinais (mixer), um circuito especial usado em equipamentos de comunicação. A maioria dos JFETs tem as duas portas interconectadas internamente para obter um único terminal de porta externo, como mostrado na Figura 13.1e. Como as duas portas estão sempre no mesmo potencial, o dispositivo funciona como se ele tivesse apenas uma única porta. Vamos nos concentrar no JFET de porta simples no restante deste capítulo porque ele é mais usado do que um JFET de porta dupla. A propósito, a porta de um JFET é análoga à base de um transistor bipolar. Na Figura 13.1e,a porta é uma região p, enquanto a fonte e o dreno são regiões n. Por isso, um JFET é parecido com dois diodos. A porta e a fonte constituem um dos diodos, e a porta e o dreno constituem o outro. Daqui por diante vamos nos referir a esses diodos como diodoporta-fontee diodoporta-dreno.Como os JFETssão dispositivos de silício, eles necessitam de apenas 0,7 V de polarização direta para obter uma corrente significativa em qualquer diodo. Há uma forte analogia entre o transistor bipolar e o JFET. Por causa dessa analogia, muitas das fórmulas que descrevem circuitos com JFET nada mais são do que fórmulas para um bipolar escritas para as grandezas de um JFET.Por isso, enfatizaremos a similaridade entre bipolares e JFETs sempre que possível. Por exemplo, a primeira analogia a observar são as três regiões: 550 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 Bipolar Emissor JFET Fonte (S Base Coletor Porta Dreno (G- gate) (0- drain) - source) DRENO + n PORTA 1 n n n n - VDD FONTE (a) Figura13.1 (b) (c) (a) Parte de um JFET; (b) JFET de porta dupla; (c) JFET de porta simples. Por causa dessas regiões similares, muitas das fórmulas do JFET são fórmulas disfarçadas para bipolares. A idéia principal é mudar os subíndices, como segue: Bipolar E B C JFET S G D Por exemplo, em vez da corrente cc de emissor IE'um JFET tem uma corrente cc de fonte 15'Em vez da corrente cc de base IB' ele tem uma corrente cc de porta lc. Em vez da corrente cc de coletor le, ele tem uma corrente cc de dreno ID' 13.2 o JFETPOLARIZADO A Figura 13.2amostra a forma comum de se polarizar um JFET.Observe com atenção que isso é claramente diferente do modo como polarizamos um transistor bipolar. Veja se você pode identificar qual é a diferença específica antes de continuar Oestudo. -'"---- Cap.13 Transistores de efeito de campo 551 Correntede Porta J A grande diferença é: em um transistor bipolar polarizamos diretamente o diodo base-emissor, porém, em um JFET, sempre polarizamosreversamenteo diodo porta-fonte. Por causa da polarização reversa, apenas uma pequeníssima corrente reversa pode existir no terminal da porta. Como uma aproximação, a corrente de porta é zero. Algebricamente, IG = O DRENO n + - ~ I Voo n Vee -+ FONTE (a) ,.' (b) I Figura 13.2 (a) Polarização comum; (b) camadas de depleção. Se um dispositivo não tem corrente de entrada, o que isso lhe diz em relação à resistência de entrada dele? Isso lhe diz que o dispositivo tem uma resistência de . entrada infinita. 1 Por exemplo, se VGG = 2 V e IG = O,a resistência de entrada é RIN 2V =O -00 - A realidade é que Ic não é absolutamente zero, então a resistência de entrada não é absolutamente infinita. Mas ela é bastante alta. Um JFET típico tem uma resistência de entrada de centenas de megaohms. Essa é a grande vantagem que um JFET tem sobre um transistor bipolar. Ela é a razão dos JFETspredominarem em aplicações nas quais uma alta impedância de entrada é necessária. Uma das aplicações mais importantes de um JFET é o seguidordefonte, um circuito que é análogo ao seguidor de emissor, exceto que a impedância de entrada é de centenas de megaohms para baixas freqüências. 552 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 Efeitode Campo o termo efeitode campoestá relacionado às camadas de depleção em torno de cada região p, como mostrado na Figura 13.2b.As junções entre cada região p e as regiões n têm camadas de depleção porque os elétrons livres se difundem a partir das regiões n para as regiões p. A recombinação dos elétrons livres com as lacunas cria então camadas de depleção mostradas pelas áreas sombreadas da Figura 13.2b. Quando os elétrons circulam da fonte para o dreno, eles têm de passar através do estreito canalentre as duas camadas de depleção.Quanto mais negativa for a tensão da porta, mais apertado o canal se torna. Em outras palavras, a tensão da porta pode controlar a corrente através do canal. Quanto mais negativa a tensão da porta, menor a corrente entre a fonte e o dreno. Como a porta de um JFET é reversamente polarizada, em vez de uma polarização direta, o JFET funciona como um dispositivocontrolado por tensãoe não como um dispositivo controlado por corrente. Em um JFET,a grandeza na entrada de controle é a tensão entre porta e fonte, VGS' Alteraçõesem VGSdeterminam quanto de corrente pode fluir da fonte para o dreno. Isso é claramente diferente de um transistor bipolar, onde a grandeza na entrada de controle é a corrente de base, IB' Na Figura 13.2a, a tensão de alimentação no dreno é positiva e na porta é negativa. Por isso, a tensão entre a porta e o dreno é negativa. Portanto, o diodo porta-dreno é reversamente polarizado. Como você vê, os dois diodos em um JFET são reversamente polarizados para um funcionamento normal. Não há exceções. ComoEle Funciona No momento em que a tensão de alimentação de dreno é aplicada ao circuito, os elétrons livres começam a circular da fonte para o dreno. Esses elétrons livres têm de passar através do estreito canal entre as camadas de depleção. A tensão da porta controla a largura desse canal. Quanto mais negativa a tensão da porta, mais estreito é o canal e menor é a corrente de dreno. . Quase todos os elétrons livres passam através do canal em direção ao dreno. Por isso, ID = Is - Cap.13 Transistores de efeito de campo 553 o Preço Algumas vezes, o ponto forte de um dispositivo é também a sua fraqueza. O JFET tem uma impedância de entrada quase infinita, porém o preço pago por isso é uma perda de controle sobre a corrente de saída. Em outras palavras, um JFET é menos sensível às variações na tensão de entrada do que um transistor bipolar. Em praticamente qualquer JFET,a variação de 0,1Vem VGS produz uma variaçãona corrente de dreno menor que 10mA. Porém,em um transistor bipolar,a mesma variação em VBEproduz uma variação na corrente de saída muito maior do que 10 mA. O que isso significa? Significa que um amplificador JFET tem um ganho de tensão muito menor do que um amplificador bipolar. Por isso, a primeira regra de projeto que conduz esses dois dispositivos é: use transistores bipolares para grandes ganhos de tensão e JFETs para altas impedâncias de entrada. Muitas vezes, um projetista combina um JFET e um transistor bipolar para obter o melhor resultado. Por exemplo, o primeiro estágio pode ser um seguidor de fonte com JFET e o segundo estágio, um amplificador EC com transistor bipolar. Isso nos dá um amplificador de múltiplos estágios com uma alta impedância de entrada e um alto ganho de tensão. SímboloEsquemático ~ O JFET que discutimos é chamado ]FET canal n porque o canal entre as camadas de depleção é feito com um semicondutor do tipo n. A Figura 13.3 mostra o símbolo esquemático para um JFET canal n. Em muitas aplicações de baixa freqüência, a fonte e o dreno são intercambiáveis porque você pode usar uma das extremidades como bnte e a outra como dreno. ,.,.-. DRENO PORTA FONTE Figura13.3 Símbolo esquemático para um JFET canal n. Embora qualquer uma das duas extremidades da maioria dos JFETspossa ser usada como fonte em baixas freqüências, o mesmo não é verdadeiro para altas freqüências. Quase sempre, o fabricante minimiza a capacitância interna do lado do dreno do 554 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 JFET. Você aprenderá mais sobre capacitância interna mais tarde. Tudo o que você precisa saber agora é: a capacitância entre a porta e o dreno é menor do que a capacitância entre a porta e a fonte. Existe também um JFET canal p. Ele consiste de material tipo p com ilhas difundidas de material tipo n. O símbolo esquemático para um JFET canal p é similar àquele para o JFET canal n, exceto que a seta na porta aponta do canal para a porta. O funcionamento do JFET canal p é complementar, o que significa que todas as tensões e correntes são inversas. Exemplo13.1 O Apêndice mostra a folha de dados do MPFI02, um JFET canal n largamente usado. Qual é a resistência cc de entrada desse dispositivo? Solução Se você examinar a folha de dados do MPFI02, encontrará esta especificação para a corrente reversa da porta: nA Esse valor é dado para VGS dispositivo é ..15 V e V DS ..O. A resistência cc de entrada do Rent"" . 15V.: 2 nA .. ,.'. , ." ~ .. 7,5 .. :109) , 7.50QMQ Por comparação, um transistor bipolar com corrente de 'base de 10 !-tAtem uma resistência cc de entrada de R . O,ZV en~.:=lO!p..À" Esses números mostram a sup~rioridade resistência cc de entrada. 13.3 .. 70UkQ esmagadora de um JFET em relação à CURVAS DEDRENO A Figura 13.4 mostra um JFET com tensões de polarização normais. Nesse circuito, a tensão porta fonte V GS é igual à tensão de alimentação VGG'e a tensão dreno-fonte V DS é igual à tensão de alimentação - . V DD' Cap.13 Transistores de efeito de campo 555 CorrentedeDrenoMáxima A corrente de dreno máxima de saída de um JFET ocorre quando a tensão porta-fonte é zero, como mostrado na Figura 13.4b.Aqui, você vê a tensão de alimentação da porta substituída por um curto-circuito, o qual garante que V GS = O + - Voo Vos Vos + -Voo VGG-+ (a) (b) Io PORTA CURTO-CIRCUITADA Ioss Vp --.~. VOS(máx) Vos (c) Figura13.4 1 (a) Polarização normal para JFET; (b) tensão de porta zero; (c) corrente de dreno com porta curto-circuitada. ' A Figura 13.4cmostra o gráfico correspondente à corrente de dreno 10 versus a tensão dreno-fonte Vos. Observe a similaridade com a curva do coletor. A corrente de dreno aumenta rapidamente no início e em seguida nivela-se, tornando-se praticamente horizontal. Na região entre Vp e VOS(máx)'a corrente de dreno é praticamente constante. Se a tensão de dreno é muito grande, o JFET se rompe como mostrado. 556 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Capo 13 Semelhante a um transistor bipolar, um JFET funciona como uma fonte de corrente quando está operando ao longo da parte quase horizontal da curva de dreno. Essa parte está entre a tensão mínima Vp e a tensão máxima VDS(máx)'A tensão mínima V p é chamada tensão de constrição ou estrangulamento, e a tensão máxima V DS(máx)é chamada tensão de ruptura. Entre as tensões de constrição e ruptura, o JFET funciona aproximadamente como uma fonte de corrente com um valor de IDSS' I DSSsignifica a corrente de dreno para fonte com a porta curto-circuitada, e IDss é a corrente de dreno máxima que um JFET é capaz de produzir. Todas as folhas de dados para JFETsfornecem o valor de I DSS'Essa é uma das mais importantes grandezas de um JFET, e você sempre deve olhar para ela porque lhe dá a limitação de corrente de um JFET. Por exemplo, o MPFI02 tem um IDss típico de 6 mA. Isso lhe diz que, não importa qual o projeto, a corrente de dreno estará entre O e 6 mA para um MPFI02 típico. Tensõesde Constriçãoou Estrangulamento (Pinchoff)e de Corteda Porta A Figura 13.5 mostra um conjunto de curvas para um JFET com um IDSSde 10 mA. A curva de cima épara VGS= O.A tensãode constriçãoéde 4 V ea tensãode ruptura éde 30 V. A próxima curva abaixo é para Ves = -1 V, e a próxima para VGS = -2 V, e assim por diante. Conforme você pode observar, quanto mais negativa a tensão portafonte, menor a corrente de dreno. ID ves = o 10 mA~I I I I I Ves = -1 5,62 mA I I Ves=-2 2,5 mA v;;;:-:3 0,625 mA 4 Figura 13.5 15 Ves =-4 30 VDs Curvas de dreno. A curva de baixo é especialmenteimportante. Observeque um VGS de -4 V reduz a corrente de dreno a praticamente zero. Essa tensão é chamada tensão de corte porta-fonte. Nas folhas de dados, ela é simbolizada como VGS(off)'Que significa VGS (desligado) ou VGS(corte). Na Figura 13.5,observe que ~ I Cap.13 e V GS(off) = -4 V Transistores de efeito de campo 557 Vp = 4 V Isso é uma coincidência? Nem tanto. Por razões avançadas, nas quais não entraremos em detalhes, o módulo dessas duas tensões é sempre igual. Isso deve ser memorizado porque muitas folhas de dados fornecem um valor, porém não fornecem o outro. Isso ocorre porque supõe-se que essas duas tensões são iguais em módulo. Dar-lhe um dessesvalores significa dar-lhe o outro. Por exemplo, a folha de dados de um MPF102 dá VGS(off) = -8 V para a tensão de corte porta-fonte. Embora o valor da tensão de constrição gulamento não seja dado, sabemos automaticamente que Vp = 8 V. ou estran- Aqui está uma nota formal de como a tensão de corte porta-fonte relaciona-se com a tensão de constrição V GS(off) = -V p (13.1) Isso diz que a tensão porta-fonte é igual ao negativo da tensão de constrição. A RegiãoÔhmica Na Figura 13.5,a tensão de constrição é a tensão onde a curva de dreno mais alta muda de praticamente vertical para praticamente horizontal. Essaé uma tensão muito importante, porque ela separa as duas principais regiões de operação do JFET.A parte quase vertical da curva do dreno é chamadaregiãoôhmica, equivalente à região de saturação de um transistor bipolar. Quando opera na região ôhmica, um JFET funciona como um pequeno resistor com um valor de aproximadamente ~i'" RDS = 13.4 Vp IDSS (13.2) A CURVADETRANSCONDUTÂNCIA A curva de transcondutância de um JFET é um gráfico da corrente de dreno versus a tensão porta-fonte, ou ID versus VGS'Lendo os valores de ID e de VGSna Figura 13.5, podemos traçar a curva de transcondutância mostrada na Figura 13.6a.Em geral, a curva de transcondutância de qualquer JFETterá a mesma forma quea daFigura 13.6a, apenas os números serão diferentes. 558 Eletrônica - 4BEdição - Volume 1 Cap.13 Exemplo 13j Asfo1ha$ V.Quá! Ia, Solução Exemplo'!.! No Solução A resistência máxima: dreno A Figura 13.6bmostra como a curva de transcondutância de qualquer JFET irá se apresentar. Por que é assim? A física por trás do funcionamento do JFET é a mesma para todos os JFETs. Apenas o tamanho das regiões dopadas, o nível de dopagem etc. mudam de um JFET para outro. Por isso todos os JFETstêm uma curva de transcondutância que é o gráfico da seguinte equação: 2 VGS ID = IDSS ( 1 - V GS(off)] (13.3) ~ 11. Cap.13 Iv Iv 10 mA "I;i 1 559 Transistores de efeito de campo Ivss Vvs = 15V 5,62 mA 2,5 mA 0,625 mA -4 -3 -2 -1 Ves O Ves Ves(off) (b) (a) Figura 13.6 Curva de transcondutância. Essa equação pode ser deduzida com conhecimentos de física e de matemática avançados. Não mostraremos a dedução porque ela é muito complexa. Com a Equação (13.3) podemos calcular a corrente de dreno dada, a corrente de dreno máxima, a tensão de corte porta-fonte e a tensão da porta. Essa é a forma algébrica para determinar a corrente de dreno. Por outro lado, algumas folhas de dados incluem gráficos como o da Figura 13.6a.Neste caso, você não tem de usar a Equação (13.3). Você pode ler os valores da corrente de dreno diretamente do gráfico. Esse é o modo gráfico de determinar a corrente de dreno. "' I Por exemplo, a Figura 13.6a é boa para uma resposta rápida e aproximada. Você pode ver rapidamente que a corrente de dreno máxima é de 10 mA e a tensão de corte porta-fonte é de -4 V. Entre esses pontos extremos no gráfico, você pode ver que o gráfico é não-linear. Na verdade, a forma desse gráfico é parte de uma parábola,uma curva que existe quando grandezas são elevadas ao quadrado. A grandeza que multiplica IDSSna equação já mencionada é o fator K, dado por I !f.' 2 1 VGS (13.4) K = [ 1 - VGS(off)) Usaremos o fator K em discussões mais adiante. Por enquanto, note que podemos reescrever a Equação (13.3) como ID = KIDSS (13.5) Se temos o valor de K para qualquer circuito, podemos calcular rapidamente o valor da corrente de dreno, dada a corrente de dreno máxima. JI -- 560 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 A propósito, quadráticoé um outro nome para parabólico. Por isso, os JFETs são muitas vezes chamados dispositivos quadráticos.E essa é outra grande diferença entre um transistor bipolar e um JFET. A propriedade quadrática dá aos JFETs uma vantagem a mais sobre os transistores bipolares quando se trata de misturadorescircuitos usados em equipamentos de comunicação. Exemplo 13.4 Suponha que um }FETtenhaiÍDS'$ mAe VC;S(off) "" -~V.CaIcu1e a corrente de dreno para uma tensão porta-fonte de -1 V. Solução Com a Equação (13.4),voc~ podeçalqular otator KçoJ1lo~gtte: K 2 lV ,;= .I,ijii, ( .. ",.",.., . .. 3V .' '.. ) =, 0,66.,. 72, . = O445,. .. .,. ' . .,. . ,. Agora, multiplique o fâtorK ~IDriÍvS5para âbte~ aoorrentede!dreno. ID 13.5 ..0,445(7 mA) = 3,12 mA APROXIMAÇÕES PARAOJFET Como no caso dos transistores bipolares, análises precisas de circuitos com JFET são desnecessárias. A diversificação na produção é ainda pior para o caso do JFET do que para transistores bipolares. Por exemplo, um 2N3904 tem valores de mínimo e máximo de 100 a 300, uma variação de 3:1. Um MPFI02 tem valores de IDSSmínimo e máximo de 2 e 20 mA, uma variação de 10:1. Quando você tem uma variação muito alta como de 10:1, o único método sensato é o das aproximações razoáveis. o JFETIdeal Neste momento, discutiremos duas aproximações cc para um JFET qualquer. As duas aproximações são deduzidas como seguem: se um fabricante produzisse um JFET ideal, aqui está o que aconteceria com as curvas da Figura 13.5. Primeiro, não haveria região de ruptura. Segundo, todas as curvas de dreno sobreporiam-se na região ôhmica. Terceiro, toda as curvas de dreno seriam horizontais na região de fonte de corrente. :::- - J ~ Cap.13 561 Transistores de efeito de campo A Figura 13.7 mostra as curvas de dreno de um JFET ideal e uma reta de carga cc típica. O JFET ideal tem duas regiões principais de operação: a região ôhmica (saturação) e a região de fonte de corrente (ativa). A região ôhmica do JFET é altamente desejável porque ela pode ser usada em todos os tipos de aplicações de comutação analógica. Essa é a razão de termos incluído a parte quase vertical das curvas de dreno na Figura 13.7. Quando queremos que um JFET funcione como um resistor, temos de assegurar a saturação do JFET e que o seu ponto de operação seja colocado sobre a parte quase vertical das curvas de dreno. Porém, quando queremos que um JFET funcione como uma fonte de corrente, temos de assegurar que o ponto de operação seja colocado sobre a parte horizontal da curvas de dreno. 10 VeS Ioss ~ =O -- VDD Ro Ves = Ves(off) Figura13.7 Vos Voo Vp Reta de carga. + Ves Res Kloss + ~ Vos + Ves Res Vos + (a) Figura 13.8 Ros (b) (a) Modelo de fonte de corrente; (b) modelo ôhmico. Como há duas regiões principais de funcionamento, precisamos de dois modelos básicos ou circuitos equivalentes para descrever o funcionamento cc. Primeiro, fazemos a aproximação de um JFET pelo modelo cc mostrado na Figura 13.8a. Como você vê, o lado da entrada do JFET tem uma resistência cc de entrada de Rcs. Se necessário, você pode fazer uma estimativa do seu valor obtendo a razão entre os valores .de Vcs e IGS fornecidos pelas folhas de dados. Porém, na maior parte das vezes, você pode desprezar Rcs porque ela é quase infinita. 562 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Capo13 No lado da saída da Figura 13.8a,o JFETfunciona como uma fonte de corrente de KIoss. Esse é o modelo ccque podemos usar quando o JFETfunciona na região ativa. Lembre-se de que a tensão de constrição ou estrangulamento é o ponto de referência nesse caso. Quando Vos é maior que Vp, o JFET funciona como uma fonte de corrente para qualquer tensão da porta. Dados Ioss e VGS(off), podemos calcular o valor de K para qualquer VGSde tensão de entrada. A Figura 13.8b mostra um segundo modelo para um JFET. Esse é o modelo ôhmico, porque ele é válido todas as vezes que o JFET está funcionando na parte quase vertical das curvas de dreno. Note que o JFET não é mais uma fonte de corrente no lado da saída. Ao contrário, ele funciona como uma resistência de Ros. Vocêpode fazer uma estimativa do valor de Ros pela divisão de Vp por Ioss. Tensãode ConstriçãoProporcional A tensão de constrição na Figura 13.7 separa a região ôhmica da região ativa quando V GS é zero. Quando V GS não é igual a zero, podemos usar a tensão de constrição proporcionalcomo nosso guia. Simbolizada por V~, essa tensão está na fronteira entre a região ôhmica e a região de fonte de corrente para qualquer valor de VGS' Essa grandeza é dada por V~ = 10 Ros (13.6) Veja como você usa essa equação: primeiro, calcule Ros dividindo Vp por Ioss. Em seguida, multiplique Ros pela corrente de dreno atual para determinar o valor de V~. Esse valor está no limite entre as duas regiões de funcionamento. A Figura 13.9 mostra-lhe por que a Equação (13.6) é válida. Aqui você vê a região ôhmica de um JFET ideal. O ponto mais alto da região ôhmica tem coordenadas Ioss e VP.O outro ponto representa qualquer ponto da região ôhmica. As coordenadas de qualquer ponto da região ôhmica são 10 e Vp. Por meio de geometria básica, você pode ver esta relação proporcional: v'P ID Vp - Ioss Porém, isso é equivalente a v' ~ = Ros ID ~ Cap.13 Transistoresde efeito de campo 563 Se você resolver isso para V~, obterá a Equação (13.6). ID IDss ~------- Vi> Figura13.9 Vp VDS Tensão de constrição proporcional. Os projetistas usam o JFET de duas formas básicas: como um resistor e como uma fonte de corrente. Quando você analisa circuitos com JFET,tem de identificar de que forma o JFET está sendo usado. Então, saberá se usa o modelo de fonte de corrente (Figura 13.8a)ou o modelo ôhmico (Figura 13.8b). Aqui está o processo para decidir que modelo usar: 1. Divida Vp por IDss para obter RDS. 2. Multiplique 3. Se VDS > Vp, use o modelo de fonte de corrente. 4. Se VDS < Vp use o modelo ôhmico. ~) I I ID por RDS para obter Vp. ,J AnalisandoCircuitoscomJFET Estamos a ponto de analisar vários circuitos com JFET.Antes de fazê-Io, vamos resumir as grandezas e equações importantes de que precisamos. Para começar, devemos ter I DSS e VGS(off)'Sem elas, você não tem informações suficientes para analisar os circuitos. Dependendo de como a análise se desenvolve, você precisará de algumas ou de todas as fórmulas úteis, como segue: Vp = RDS = - VeS(off) (13.7) Vp IDSS (13.8) 564 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 2 Ves (13.9) K = ( 1 - VeS(off) ) ID = KIDSS (13.10) Vp = ID RDS (13.11) Reduçãoao Absurdo Você já conhece a redução ao absurdo, que foi introduzida com transistores bipolares. Lembre-se da idéia básica. Quando você não está seguro sobre qual região de. um dispositivo está funcionando, admita urna região de operação e veja se os seus cálculos apresentam um resultado absurdo ou contraditório. Nesse caso, você sabe que o dispositivo não pode funcionar na região admitida. Se você está analisando um circuito com JFET e não está seguro da sua região de funcionamento, então proceda assim: 1. Admita a região de fonte de corrente. 2. Faça os seus cálculos. 3. Se aparecer urna resposta absurda, a região admitida é falsa. 4. Mude para a região ôhrnica. Os exemplos seguintes ilustram esses passos e ajudam a levantar todas as idéias desta seção. Exemplo13.5 Na Figura t.3.10/quaLg;~ens~~h~e VG~:~zerQffi Solução Admita que o JFET funciona corno urna fonte de corrente. Como a tensão da porta é zero, a corrente de dreno está no seu valor máximo, 10 mA. A Figura 13.11a mostra o circuito equivalente para oQÍ!rCuitQPdodr!;1JI~Q. Pa;~íilnta,!1;itensãQdreno~fante ~. VDS = 10V - (10mA)(360 Q) = 6,4 V Uma vez que VGS(off)= -4 V, a tensão de conscrição Vp é 4 V. Como VDS é maior que 4 V, a região de funcionamento admitida coma fonte d~ corrente está correta. ~ ...r I Cap.13 Transistores de efeito de campo 565 360 Q IDss = 10 mA Ves(off)=-4 V VesI"~ + llOV - - Figura13.10 Exemplo. 360 Q 10 mA - -==-10 V <400Q -lOV 1-- -- 1- (a) (b) Figura 13.11 Circuitos equivalentes. o cálculo para vos é idêntico ao cálculo para V CE em um transistor bipolar, exceto pela mudança do subíndice. Aqui está como o cálculo se apresenta como uma fórmula para JFET: VDS = VDD - ID RD (13.12) ). '", \ A fórmula para o bipolar correspondente é V CE = Vcc - Ic Rc As duas equações têm o mesmo formato, diferindo apenas em seus subíndices. Esse é um exemplo do que queremos dizer por meio de uma analogia. Quando sistemas antigo e novo são regidos pelas mesmas leis fundamentais, suas equações finais são aparentemente iguais. Se você já conhece muito a respeito do sistema antigo, não precisa redescobrir tudo para o sistema novo. Você pode levar vantagem nas similariedades do sistema antigo para entender o sistema novo. 566 Eletrônica - 4u Edição - Volume 1 Cap.13 A analogia entre circuitos com bipolar e com JFET nos dá todos os tipos de atalhos úteis para resolver os circuitos novos para JFET com os métodos antigos para bipolar. Como as leis de Ohm e Kirchhoff são as leis fundamentais por trás dos circuitos com bipolar e JFET, muitas equações para JFET não são mais do que equações para bipolar com os seus subíndices mudados como segue: Bipolar E B C JFET S G D Devido à analogia entre bipolares e JFET,você verá que muitas das fórmulas novas para JFET são fáceis de ser lembradas. ~1 , Capo 13 Transistores de efeito de campo 567 Exemplo 13.f' ,... , 1 i I I r e I I ------ Ves = +5 VeS(th) "".. VDD Ves VDS VeS(th) (a) Ves(on) (b) Figura13.18 (a) Curvas de dreno; (b) curva de transcondutância. Com JFETs e MOSFETs de modo depleção, os valores de 1055e VGS(off)são as grandezas importantes para análise. Com os MOSFETs de modo intensificação, as grandezas importantes são IO(on)'VGS(th)e VGS(on)'mostrados na Figura 13.18b. Essas três grandezas são os prImeiros Itens a serem procurados em uma folha de dados. Substituindo essas grandezas na Equação (13.13),podemos organizar a equação de uma forma mais simples: (13.14) ID = KID(on) onde 2 VGS K = ( - VGS(th) (13.15) V GS(on) - VGS(th) ] Essa expressão parece muito extensa a princípio, mas ela é fácil de trabalhar após ter sido usada. 576 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 Símbolo Esquemático Quando VGS = O,o MOSFET de modo intensificação é desligado porque não há canal de condução entre a fonte e o dreno. O símbolo esquemático da Figura 13.19a tem a linha do canal partida para indicar essa condição de normalmente desligado. Como você sabe, uma tensão de porta maior do que a tensão de limiar cria uma camada de inversão tipo n que conecta a fonte ao dreno. A seta aponta para essa camada de inversão, que funciona como um canal n quando o dispositivo está em condução. Existe também um MOSFET de modo intensificação de canal p. O símbolo esquemático é similar, exceto que a seta aponta para fora, como mostrado na Figura 13.19b. (a) (b) Figura 13.19 Símbolos esquemáticos: (a) canal n; (b) canal p. A Tensão Porta-Fonte Máxima Os MOSFETs têm uma fina camada de dióxido de silício, um isolante que impede a circulação de corrente de porta tanto para tensões positivas como para tensões negativas. Essa camada isolante é mantida tão fina quanto possível para dar à porta um maior controle sobre a corrente de dreno. Como a camada isolante é muito fina, é fácil destruí-Ia com uma tensão porta-fonte excessiva. Por exemplo, um 2N3796 tem uma especificação VGS(máx) de :!:30V.Se a tensão porta-fonte for mais positiva do que +30 V ou mais negativa do que -30 V, a fina camada isolante será destruída. Além da aplicação direta de um VGS excessivo,você pode destruir a fina camada isolante sem perceber. Se você retirar ou inserir um MOSFET num circuito ~nquanto a alimentação estiver ligada, transientes de tensão causados por descargas indutivas e por outros efeitos podem exceder a especificação de VGS(máx)' Isso inutilizará o MOSFET. Até o simples ato de pegar um MOSFET pode depositar carga estática suficiente que exceda a especificação de VGS(máx)'Por isso, os MOSFETs são muitas vezes transportados com um fio condutor em volta dos seus terminais. Você retira o fio após o MOSFET ter sido conectado ao circuito. Alguns MOSFETs são protegidos por diodos Zener internos em paralelo com a porta e a fonte. A tensão Zener é menor do que a especificação VGS(máx)' Portanto, o diodo Zener atinge a sua região de ruptura antes que qualquer dan? ocorra à fina --- Cap.13 Transistores de efeito de campo 577 camada isolante. A desvantagem desses diodos internos é que eles reduzem a alta resistência de entrada dos MOSFETs. A preferência por um tipo vale a pena em algumas aplicações porque os MOSFETs, que são caros, são facilmente destruídos sem a proteção Zener. Memorize esta idéia: os dispositivos MOSFETs são delicados e podem ser facilmente destruídos. Você tem de manuseá-los com cuidado. Além disso, nunca os conecte ou desconecte enquanto a alimentação estiver ligada. Por fim, antes de pegar em um dispositivo MOSFET, você deve aterrar o seu corpo tocando no chassis do equipamento em que está trabalhando. Iv I v" > V",," Vos Ves = VeS(th) Figura13.20 Curvas de dreno ideais. CircuitosEquivalentes A Figura 13.20 mostra as curvas de dreno ideais para um MOSFET de modo intensificação. Primeiro, não há região de ruptura. Segundo, todas as curvas de dreno superpõem-se na região ôhmica para produzir uma única reta quase vertical. Terceiro, todas as curvas de dreno são horizontais na região da fonte de corrente. Essas curvas de dreno ideais são similares às curvas do MOSFET de modo depleção, exceto pela tensão de joelho proporcional, V~. Essa tensão é dada por V~ = IoRos (13.16) Essa tensão está no limite entre a região ôhmica e a região de fonte de corrente em um dispositivo ideal de modo intensificação. O conceito de limite é idêntico para V;. A razão para não usarmos V; é que os MOSFETs de modo intensificação não têm uma tensão de constrição onde camadas de depleção se juntam. Em vez disso, eles têm uma camada de inversão. Como o mecanismo físico envolvido é diferente, usamos o símbo- ~ lo V para os limites entre as duas regiões. 578 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.13 A Figura 13.21 mostra os dois circuitos equivalentes para o dispositivo ideal. Como você pode notar, esses circuitos equivalentes são os mesmos para um JFET, exceto para IO(on)e a tensão de porta positiva. Em outras palavras, o MOSFET de modo intensificação pode funcionar como uma fonte de corrente ou como um resistor. A escolha de qual usar depende do posicionamento do ponto de operação. A tensão de joelho proporcional é o seu guia. Quando Vos é maior do que V~, o dispositivo é uma fonte de corrente. Quando Vos é menor do que V~, o dispositivo é um resistor. Aqui está o método para decidir qual modelo usar: 1. Calcule Vi 2. Se VDS > V,:, use o circuito equivalente para fonte de corrente. 3. Se Vos < V,:, use o circuito equivalente ôhmico. + Ves + Res KIO(on) Vos + Ves (a) Figura 13.21 Circuitos equivalentes para o dispositivo ideal. +" Res Ros (b) Vos Capo 13 Exemplo13.11 Na.Figura Solução A Como VI)S Solução Transistores de efeito de campo 579 580 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 3,6kQ ID(on)= 1 mA + Ves(th) = 1 V Ves(on) = 5 V + VGS-=-- RDS = 1 kQ l- - -=-- 20 V I - Figura13.22 Exemplo. Exemplo 13.14 Na Figura 13.22, qual a tensão dreno-fonte quando V GS =3 V? Solução Admita que o MOSFET esteja operando como uma fonte de corrente. Primeiro, determine o fator K, substituindo as grandezas dadas na Equação (13.15): 3V-1V 2- 2K - ( 5 V - 1 V - 0,5 - 0,25 ) _ e ID = 0,25(1 mA) = 0,25 mA Segundo, a teI\$ão ~no-~l1t~~} VDS = 20 V - (0,25mA)(3,6 kQ) = 19,1 V 13.8 INTERPRETAÇÃO DASFOLHAS DEDADOS As folhas de dados de FETs são similares às folhas de dados de bipolares. Você encontrará especificações máximas, características cc, características ca, dados mecânicos etc. Como sempre, é bom começar com as especificações máximas porque elas são os valores limites para as correntes, tensões e outras grandezas do FET. Cap.13 Transistoresde efeito de campo 581 e Segundo, Como VVS corrente está Especificações de Ruptura A folha de dados do MPFl02 descreve o dispositivo como um JFET canal n com essas especificações máximas: Vos VOG VGS IG Po TI 25V 25V -25V 10mA 200 mW 125°C As especificações de tensão são para tensões de ruptura reversa, e Vos é a tensão entre o dreno e a fonte. A segunda especificaçãoé VOG' que é a tensão do dreno para a porta, e VGS'que é a tensão da porta para a fonte. Como sempre, um projeto 582 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 moderado inclui um fator de segurança. Observe que a máxima corrente de porta com polarização direta é especificada como 10 mA. Normalmente, a porta é reversamente polarizada. A folha de dados inclui essa especificação para polarização direta em caso da porta ser diretamente polarizada por alguma razão. Não há razão para polarizar diretamente a porta, a menos que seja uma aplicação especial. Como discutido no Capítulo 5, o fator de redução de capacidade informa em quanto devemos reduzir a especificação de potência de um dispositivo. O fator de redução de capacidade de um MPF1O2é dado como sendo de 2mW ;oc. Isso significa que você tem de reduzir a especificação de potência de 200 mW para 2 mW para cada grau de temperatura acima de 25°c. IDSS e VGS( off) As duas informações mais importantes na folha de dados de um dispositivo de modo depleção são a máxima corrente de dreno e a tensão de corte porta-fonte. Esses valores são fornecidos pela folha de dados de um MPFI02: Símbolo Mínimo Máximo -8V VGS(off) IDSS 2 mA 20 mA Já discutimos a variação 10:1 em IDSS'Essa faixa de variação foi uma das razões para usarmos os métodos de aproximações para JFET. Uma outra razão para as aproximações é: a folha de dados muitas vezes omite valores, então você realmente não tem idéia sobre alguns valores. No caso do MPF1O2,o valor mínimo de VGS(off) não é dado. Como você sabe, o valor de IDssrepresenta a máxima corrente de dreno para , representa a tensão porta-fonte necessária para interromper a um JFET e VGS(off) corrente de dreno. E importante saber também que a tensão de constrição Vp tem a mesma magnitude de V GS(off)'Finalmente, a especificação de V p para IDss dá o RDS do JFET na região ôhmica. Folhade Dadospara o Modo Intensificação Os dispositivos de modo depleção têm duas grandezas importantes: IDSS e V GS(off)'Os dispositivos de modo intensificação têm três grandezas importantes: ID(on)' V GS(th)e V GS(on)'A folha de dados varia de fabricante para fabricante, assim, algumas vezes, você pode não encontrar as grandezas que gostaria de ver. Porém, quase toda folha de dados dará ID(on) e VGS(th),e a maioria incluirá V GS(on)'Algumas incluem também Cap.13 Transistores de efeito de campo 583 informações sobre a resistência de dreno RDS'Essa resistência pode ser simbolizada por RDSou pode apresentar-se como rDS(on)'rds(on)etc., com diferentes condições anexadas aos valores apresentados. Por exemplo, aqui está como a folha de dados de um M116 apresenta a resistência de dreno: rDS(on) = 100 Q para VGS = 20V e ID = 100 !-tA rDS(on) = 200 Q para VGS = 10 V e Iv = 100 !-tA Algumas vezes, a folha de dados não especifica valores de resistência de dreno. Por exemplo, a folha de dados de um 2N4351 dá para VGS = 10 V e Iv = 2 mA VVS(on) = 1 V - Nesse caso, você calcula a resistência de dreno como segue: . ~ Rvs = 2mA I = 500 Q TÓPICOS OPCIONAIS 13.9 OUTROS TIPOSDESATURAÇÃO J Por qualquer que seja a razão, alguns dos termos para dispositivos bipolares são usados de formas diferentes para dispositivos FET. Por exemplo, as quatro grandes regiões de operação de um transistor bipolar são a região de saturação, a região ativa, a região de corte e a região de ruptura. Seria agradável se os mesmos termos fossem transportados para os dispositivos FET, mas infelizmente isso não aconteceu. Em vez disso, aqui estão as quatro regiões e os termos usados para descrevê-Ios: Bipolar Saturação Ativa Corte FET Ôhmica Ruptura Ruptura Saturação, constrição ou estrangulamento Corte 584 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.13 Numa discussão básica para os FETs, a segunda região de operação foi cha- mada regiãodefonte decorrentepara evitar a confusão mostrada aqui. Como você vê, a segunda região de operação do JFET é formalmente chamada regiãode saturação.Esse nome é usado porque o canal está fisicamente conduzindo toda a corrente de que é capaz. Essa região também é chamada região de constrição ou estrangulamento, porque as duas camadas de depleção estão tentando estrangular a corrente, o que mantém a corrente em um valor constante. 13.10 A DERIVAÇÃO MATEMÁTICA Na discussão do MOSFET de modo intensificação, a equação básica da corrente foi dada como (13.17) ID = k(Ves - VeS(th))2 A derivação dessa fórmula básica é dada em livros de engenharia que tratam de FETs. Desejamos mostrar aqui como essa equação é organizada de forma mais útil (13.18) ID = KID(on) onde Ves - VeS(th) K = ( Ves(on) - VeS(th) ) 2 Para começar, substitua ID(on) e Ves(on) na Equação (13.17) para obter ID(on) = k(VeS(on) - VeS(th))2 Resolva-a em função de k para obter k = ID(on) (Ves(on) - VeS(th))2 Substitua esse k na Equação (13.17)para obter (13.19) Transistores de efeito de campo Cap.13 585 IV (on) IV = (VGS(on) - (V VGS(th»2 GS - VGS(th»2 Agora, determine 2 V GS - V GS(th) K = ( V GS(on) - VGS(th) ] que significa IV = KIV(on) ..... 13.11 OUTRAS INFORMAÇÕES SOBRE ASCURVAS DEDRENO Para obter circuitos equivalentes simples e de fácil aplicação, idealizamos as curvas de dreno dos JFETscomo mostrado na Figura 13.7. Acima da tensão de constrição proporcional, cada curva de dreno é horizontal. Além disso, a região ôhmica é uma única reta quase vertical. Esse conjunto de curvas de dreno ideais permitiu-nos mostrar os dois circuitos equivalentes na Figura 13.8. Continuamos a usar as curvas de dreno ideais e os circuitos equivalentes similares para o MOSFET de modo depleção e o MOSFET de modo intensificação. As curvas ideais e os circuitos equivalentes são excelentes para análise de defeitos e a maioria das análises preliminares. Mas eles serão inadequados em algumas situações. A verdade é essa: as curvas de dreno são mais parecidas com as da Figura 13.23a. Quanto mais alta a curva, menos horizontal ela se apresenta. Além disso, a região ôhmica não é uma única reta quase vertical mas, ao contrário, são muitas retas verticais com inclinações diferentes. Portanto, a análise de um FETpode ser muito mais complicada se feita assim. Na maioria das aplicações, não temos de levar em consideração esses detalhes por causa das imensas tolerâncias nos dispositivos. Porém, algumas vezes,um projetistadesejaolhar mais de perto as curvas de dreno reais de um . JFET. 586 Eletrônica - 49 Edição - Volume 1 Cap.13 10 Vgs ras Zent Vos (b) (a) Figura 13.23 Curvas de dreno. Uma das grandezas envolvidas nas curvas de dreno mais precisas é a resistência ca de dreno, que é definida como AVOS rds = Mo (13.20) para um VGSconstante. Isso também é escrito como dVos rtis = d/o onde rdsé a derivada da curva de dreno no ponto de operação. Olhe para as curvas de dreno na Figura 13.23ae observe que rtistem valores menores próximos da origem e valores maiores na parte quase horizontal das curvas. As curvas de dreno são mais horizontais acima do joelho, o que significa um valor de rdsmaior. Isso equivale a dizer que o FET funciona mais como uma fonte de corrente acima do joelho da curva. Para tirar esse ponto, a Figura 13.23bapresenta o circuitoequivalentecapara um FET.Quando as curvas de dreno são horizontais,rds se aproxima do infinito e o lado da saída do circuito torna-se uma fonte de corrente firme. Tudo depende do valor do resistor de carga. Se ele é pequeno quando comparado a raS' então o circuito funciona como uma fonte de corrente firme. Mas se a resistência de carga é comparável a rds' então uma análise mais precisa terá de incluir os efeitos de rtis em paralelo com o resistor de carga. Abaixo do joelho de cada curva de dreno, o FET funciona mais como um resistor do que como uma fonte de corrente. Porém, observe que rdsdepende de qual curva de dreno está em uso. Isso significa que a tensão da porta determina o rtisna região ôhmica. Por essa razão, a resistência de dreno de um FET pode ser controlada pela tensão da porta. Isso nos leva a várias aplicações interessantes. -r Cap.13 I. .... ~ 587 J - __n RESUMO Seção 13.1 OJFET k Transistoresde efeito de campo o FET de junção, abreviado como JFET, tem uma fonte, uma porta e um dreno análogos ao emissor, base e coletor de um transistor bipolar. O JFET tem dois diodos internos: o diodo porta-fonte e o diodo porta-dreno. Esses diodos conduzirão se eles forem diretamente polarizados com mais de 0,7V. Seção13.2 OJFETPolarizado Ao contrário de um transistor bipolar no qual o diodo base-emissor é diretamente polarizado, o diodo porta-fonte de um JFET é sempre reversamente polarizado. Do mesmo modo, o diodo porta-dreno é reversamente polarizado. O JFET tem uma resistência cc de entrada que se aproxima do infinito, porém ele tem um ganho de tensão menor do que um transistor bipolar. são de corte porta-fonte é simbolizada por VGS(off). A tensão de constrição tem a mesma magnitude que VGS(off). Seção 13.4 A Curvade Transcondutância Este é o gráfico de corrente de dreno versus tensão da porta. A curva é não-linear, parte de uma parábola, e é chamada também de curva quadrática. A própriedade quadrática dá ao JFET uma vantagem maior em circuitos de comunicação chamados misturadores de sinais (mixers). Seção 13.5 Aproximaçõesparao JFET Seção 13.3 Curvasde Dreno O JFET ideal tem curvas de dreno que consistem em uma região ôhmica e algumas regiões horizontais. Quando o ponto de operação está ao longo de uma reta horizontal, o JFET funciona como uma fonte de corrente. Quando o ponto de operação está na região ôhmica, o JFET funciona como um resistor. A tensão de constrição proporcional está na fronteira entre a região ôhmica e a região de fonte de corrente. As curvas de dreno de um JFET são similares àquelas de um transistor bipolar, Seção 13.6 O MOSFETde Modo Depleção ""'~ exceto que VGS é a entrada de controle em vez de lB.O JFET funciona como uma fonte de corrente ao longo da parte horizontal das curvas de dreno e como um resistor ao longo da parte quase vertical da curva de dreno. A máxima corrente de dreno é simbolizada por loss e a ten- O FET de semicondutor de óxido metálico, abreviado como MOSFET, tem uma fonte, uma porta e um dreno. A porta é eletricamente isolada do canal. Por isso, a resistência cc de entrada é ainda maior do que a de um JFET. O MOSFET de modo depleção está normalmente ligado quando V GS é zero. Ele tem curvas de 588 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 dreno e circuitos equivalentes similares aos do JFET.A única diferença é que ele pode operar tanto com tensão positiva na porta quanto negativa. Esta equação relaciona duas importantes tensões para o JFET. Ela diz que as duas tensões têm a mesma magnitude. Ambas diferem apenas no sinal. Seção 13.7 O MOSFET de Modo Crescimento ou Intensificação Equação13.2 ResistênciaDreno-Fonte Vp o MOSFET de modo intensificação revolucionou a indústria eletrônica, especialmente na área de computadores. Esse dispositivo está normalmente desligado quando a tensão da porta é igual a zero. Para ligá-Io, você tem de aplicar uma tensão suficientemente positiva na porta. Essa tensão da porta é chamada tensão de limiar. O dispositivo funciona como uma fonte de corrente ou como um resistor. Seção 13.8 Interpretação das Folhas de RDS = IDSS Estaequação é uma aproximaçãomuito útil. Ela diz que um JFETtem uma resistência de aproximadamente Vp/IDss quando ele está operando na região ôhmica. Equações13.4e 13.5 Correntede Dreno comoFunçãoda Tensãoda Porta ID = KIDSS onde Dados 2 KAs folhas de dados apresentam especificações máximas para tensões, correntes e potências. Dentro dessas especificações máximas absolutas, as grandezas importantes para os dispositivos de modo depleção são IDSSe VeS(off). As grandezas importantes para os dispositivos de modo intensificação são ID(on), V eS(th) e V eS(on). ~( 1- Ves VGS(off) ) A corrente de dreno é uma fração da corrente de dreno máxima. O fator K lhe diz qual é essa fração. O fator K é sempre um número entre Oe 1. Equação13.6 Tensãode Constrição Proporcional Vp = IDRDS EQUAÇÕES IMPORTANTES Equação13.1 Tensãode Corteda Portae Tensãode Constrição VGS(off) = = --- - Vp Uma vez obtido o valor de RDS' você pode multiplicá-Io pela corrente de dreno para obter a tensão de constrição proporcional. Então, V; é o seu ponto de referência sobre em qual região o JFET está operando. Se VDSé maior do que ., Cap.13 V;, O JFET opera como uma fonte de corrente; se Vvs é menor do que V~, o JFET opera como um resistor. .~ Equações 13.14 e 13.15 Correntede Drenoparao Modo Intensificação Iv = KIV(on) onde 2 Transistores de efeito de campo 589 Para calcular a corrente de dreno para um MOSFET de modo intensificação, você precisa de três grandeza nas folhas de dados: IV(on),VeS(th)e VeS(on).Com essas três grandezas, você pode calcular o fator K para qualquer valor de Ves. Então, você multiplica o fator K por IV(on)para obter a corrente de dreno. A propósito, essas fórmulas são válidas apenas quando Ves é maior do que VeS(th). Ves - VeS(th) K = ( VeS(on) - VeS(th)) QUESTÕES 1. -"":, UmJFET a) É um dispositivo controlado I;°r tensão b) E um dispositivo controlado por corrente c) Tem uma impedância de entrada baixa d) Tem um alto ganho de tensão 2. Um transistor bipolar usa a) Tanto elétrons livres quanto lacunas b) Apenas elétrons livres c) Apenas lacunas d) Ou elétrons ou lacunas, mas não os dois 3. A impedância de entrada de um JFET a) Aproxima-se de zero b) Aproxima-se de um c) proxima-se do infinito d) E impossível prever 4. A porta controla a) b) c) d) A largura do canal A corrente do dreno A tensão de constrição proporcional Todas as alternativas acima 5. O diodo porta-fonte de um JFET deve ser a) Diretamente polarizado b) Reversamente polarizado c) Diretamente ou reversamente polarizado d) Nenhuma das alternativas acima 6. Comparado a um transistor bipolar, o JFET tem maior a) Ganho de tensão b) Resistência de entrada c) Tensão de alimentação d) Corrente 7. 8. Comparado a um transistor bipolar, o JFET tem menos a) Ganho de tensão b) Resistência de entrada c) Tensão de alimentação d) Corrente Os portadores de corrente no JFET de ca- nal p são: 590 Eletrônica - 48 Edição - Volume 1 a) b) c) d) 9. 10. 11. Cap.13 a) b) c) d) Elétrons livres Lacunas Ou elétrons livres ou lacunas Elétrons livres e lacunas Um JFET Uma fonte de corrente Um resistor Um MOSFET de modo intensificação de constrição tem a mesma que a de porta dreno-fonte porta-fonte de corte porta-fonte 15. Qual dos seguintes dispositivos revolucionou a indústria de computadores? a) JFET b) MOSFET de modo depleção c) MOSFET de modo intensificação d) Diodo Zener Quando a tensão dreno-fonte é menor do que a tensão de constrição proporcional, um dispositivo de modo depleção funciona como a) Um transistor bipolar b) Uma fonte de corrente c) Um resistor d) Uma bateria 16. A tensão que liga um dispositivo de modo intensificação é a a) Tensão de corte porta-fonte b) Tensão de estrangulamento c) Tensão de limiar d) Tensão de joelho 17. Qual destas grandezas você encontrará na folha de dados de um JFET? a) VGS(th) c) VGS(on) b) IDSS d) VS(on) 18. Qual destas grandezas pode aparecer na folha de dados de um MOSFET de modo intensificação? a) VGS(th) c) V GS(on) d) Todas acima b) ID(on) 19. Quando um JFET está em corte, as camadas de depleção estão a) Bem afastadas b) Bem juntas c) Se tocando d) Em condução 20. Quando a tensão da porta se torna mais negativa em um JFET de canal n, o canal entre as camadas de depleção se torna a) Estreito b) Largo c) Em condução d) Em corte 21. Se um JFET tem IDSS então RDS é igual a A tensão magnitude a) Tensão b) Tensão c) Tensão d) Tensão A resistência de dreno ideal na região ôhmica de um dispositivo de modo depleção é igual à tensão de constrição dividida pela a) Corrente dreno b) Corrente de porta c) Corrente de dreno ideal d) Corrente de dreno para tensão de porta zero 12. A curva de transcondutância é a) Linear b) Similar ao gráfico de um resistor c) Não-linear d) Semelhante a uma única curva de dreno 13. Se ocorrer uma resposta absurda após a região de fonte de corrente ser admitida, um JFET em condução tem de operar na a) Região de ruptura b) Região de corte c) Região ôhmica d) Região de intensificação 14. O MOSFET de modo depleção funciona geralmente como = 10 mA e Vp = ZY, , Cap.13 a) 200 Q b) 400 Q c) 1 kQ d) 5 kQ Transistores de efeito de campo 591 Seção 13.3CurvasdeDreno = 16 mA e Vp = 3 V. Qual a mínima corrente de dreno? E a máxima corrente de dreno? E a tensão de corte porta-fonte? 13.3 Um JFETtem Ioss , 22. --,.. 23. '1 A tensão Ves(on) de um MOSFET de canal n de modo intensificação é a) Menor do que a tensão de limiar b) Igual à tensão de corte porta-fonte c) Menor do que VOS(on) d) Maior do que V eS(th) A tensão Vi desempenha para dispositivos de modo intensificação o mesmo papel desempenhado por qual tensão a seguir para dispositivos de modo depleção? c) Vos a) Ves b) Vp J 24. d) VeS(th) o nosso mundo técnico é um lugar onde a) Não há contradições b) Existe uma fórmula c) Cada problema tem apenas uma solução correta d) Podemos encontrar muitas respostas corretas para evitar PROBLEMAS BÁSICOS Seção13.2 OJFETPolarizado "'U 13.1 A folha de dados de um 2N5902 apresenta as seguintes grandezas à temperatura ambiente: Iess = 5 pA com Ves = 20 V. Qual a resistência cc de entrada da porta à temperatura ambiente? 13.2 A folha de dados de um 2N5902 apresenta as seguintes grandezas a 125T: Iess =10nA com Ves = 20 V. Qual a resistência cc de entrada da porta a 125'C? 13.4 Um 2N5902 tem Ioss = 500 !-tA e VeS(off) = -2 V. Qual a tensão de constrição deste JFET? Qual a resistência de dreno Ros na região ôhmica? 13.5 A folha de dados de um U311 apresenta estes valores máximos: Ioss = 20 mA e VeS(off) = -1 V. Quanto vale Ros? 13.6 A folha de dados de um U311 apresenta estes valores máximos: Ioss = 60 mA e VeS(off) = -6 V. Quanto vale Ros? Seção 13.4 A CurvadeTranscondutância 13.7 Um 2N5457 tem estes valores mínimos em sua folhacdefdades Ioss: = 1 mA e VeS(off) = -0,5 V. Calcule o fator K para valores Ves de O;-0,1; -0,2; -0,3; -0,4 e -0,5 V. Em seguida, calcule as correntes de dreno para cada tensão da porta. 13.8 Um 2N5457 tem estes valores máximos em sua folha de dados Ioss = 5 mA e VeS(off) = -6 V. Calcule o fator K para valores Ves de O; -1; -2; -3; -4, -5 e -6 V. Em seguida, calcule as correntes de dreno para cada tensão da porta. Seção 13.5 Aproximaçõespara o JFET 13.9 Qual a tensão dreno-fonte do circuito da Figura 13.24a? 13.10 Se a tensão da porta mudar para -1 V no circuito da Figura 13.24a,qual será a tensão dreno-fonte? 592 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Cap.13 13.11 A tensão da porta aumenta para OV e a tensão de alimentação do dreno aumenta para 20 V no circuito da Figura 13.24a. Qual a tensão dreno-fonte? 13.12 Se o resistor do dreno mudar para 22 kQ no circuito da Figura 13.24a, qual será a tensão dreno-fonte? 13.13 Qual a tensão dreno-fonte no circuito da Figura 13.24b? -2V IDss = 30 mA IDss = 5 mA Ves(off) = -3 V es(off) = -6 V V - (a) (b) Figura13.24 13.14 Se a tensão da porta mudar para -1 V no circuito da Figura 13.24b, qual será a tensão dreno-fonte? 13.15 A tensão da porta aumenta para OV e a tensão de alimentação do dreno diminui para 15 V no circuito da Figura 13.24b. Qual a tensão dreno-fonte? 13.16 Se o resistor do dreno mudar para 10 kQ no circuito da Figura 13.24b, qual será a tensão dreno-fonte? Seção 13.6 O MOSFETde Modo Depleção 13.17 Qual a tensão dreno-fonte no circuito da Figura 13.25a? 13.18 Se a tensão da porta mudar para -1 V no circuito da Figura 13.15a, qual será a tensão dreno-fonte? 13.19 A tensão da porta aumenta para OV e a tensão de alimentação do dreno aumenta para 20 V no circuito da Figura 13.25a. Qual a tensão dreno-fonte? 13.20 Se o resistor do dreno mudar para 22 kQ no circuito da Figura 13.25a, qual será a tensão dreno-fonte? 13.21 Qual a tensão dreno-fonte no circuito da Figura 13.25b? 13.22 Se a tensão de porta mudar para + 10 V no circuito da Figura 13.25b, qual será a tensão dreno-fonte? 13.23 A tensão da porta diminui para O V e a tensão de alimentação do dreno diminui para 15 V no circuito da Figura 13.25b. Qual a tensão dreno-fonte? 13.24 Se o resistor do dreno mudar para 10 kQ no circuito da Figura 13.25b, qual será a tensão dreno-fonte? Cap.13 Transistores de efeito de campo 593 r IDss = 3 mA IDss= 1 mA Ves(off) = -4 V Ves(off) =-2 V - - (b) (a) 1 Figura13.25 Seção 13.7 O MOSFETde Modo Crescimentoou Intensificação 13.29 Qual a tensão dreno-fonte no circuito da Figura 13.26b? 13.25 Qual a tensão dreno-fonte no circuito da Figura 13.26a? 13.30 Se a tensão de porta mudar para +15 V no circuito da Figura 13.26b, qual será a tensão dreno-fonte? 13.26 Se a tensão da porta mudar para +5 V no circuito da Figura 13.26a, qual será a tensão dreno-fonte? 13.27 A tensão da porta diminui para O V e a tensão de alimentação do dreno aumenta para 30 V no circuito da Figura 13.200. Qual a tensão dreno-fonte? :~ 13.31 A tensão da porta diminui para O V e a tensão de alimentação do dreno diminui para 10 V no circuito da Figura 13.26b. Qual a tensão dreno-fonte? 13.32 Se o resistor do dreno mudar para 10 kQ no circuito da Figura 13.26b, qual será a tensão dreno-fonte? 13.28 Se o resistor do dreno mudar para 22 kQ no circuito da Figura 13.26a, qual será a tensão dreno-fonte? =1 V ID(on)= lmA Ves(on) = 3 V Ves(th) +2V - RDs (a) Figura13.26 = 500 Q VeS(th) = 3 V ID(on)= 4mA +8V VeS(on) = 6 V - RDS = 100 Q (b) ~ 594 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.13 Seção 13.8 Interpretaçãodas Folhasde Dados 13.33 Qual a resistência cc de entrada da porta de um MPF1O2 quando a temperatura ambiente for de 100°C e a tensão portafonte de -15 V? 13.34 Qual a resistência dreno-fonte de um MPF1O2 na região ôhmica? Como a folha de dados não apresenta alguns valores, faça o melhor que puder com os valores apresentados e cite as condições da sua resposta. PROBLEMASAVANÇADOS 13.35 Se um JFET tem as curvas de dreno da Figura 13.27a, quanto vale Ioss? Qual o Vos máximo na região ôhmica? Em que faixa de valores de Vos o JFET funciona como uma fonte de corrente? 13.36 Escreva a equação da transcondutância para o JFET cuja curva é mostrada na Figura 13.27b. Qual é o valor da corrente de dreno quando VGS= -4 V? E quando VGS= -2 V? 13.37 Se um JFET tem uma curva quadrática semelhante à da Figura 13.27c, qual é o valor da corrente de dreno quando VGS = -1 V? ID ID ~ 20 mA VeS(off)= -5 5 15 30 VDS -8 V (a) Ves (b) ID 12 mA VeS -5V (c) Figura13.27 13.38 Um MOSFET tem a curva de transcondutância mostrada na Figura 13.28a. Qual a corrente de dreno quando a tensão na porta for de -2 V? 13.39 O MOSFET da Figura 13.28b tem a curva de transcondutância mostrada na Figura 13.28a. Qual a tensão cc do dreno para o terra? Transistores de efeito de campo Cap.13 595 +25 V ~' ID E o Vsaída Vent 0--1 100 MQ '.' Ves -6 1 -- -- (b) (a) Figura13.28 ;, r 13.40 Alguém erroneamente monta o circuito da Figura 13.28b com um resistor de dreno de 10 kQ. Dada a curva de transcondutãncia da Figura 13.28a, qual a tensão dreno-fonte? 13.41 A Figura 13.29a mostra a curva de transcondutância do circuito da Figura 13.2%. Qual a tensão da porta? 13.42 O resistor do dreno é aumentado para 2,2 kQ no circuito da Figura 13.29b. Dada a curva de transcondutância da Figura 13.29a, qual a tensão da porta? ID 15mA ------- t---o Vsaída i Vento---j 10V 2V Ves (a) (b) Figura13.29 PROBLEMAS UTILIZANDO O DISPOSITIVO DEANÁLISE VARIACIONAL 10% na variável independente e admita uma operação como fonte de corrente. Uma resposta deve ser um N (não muda) se a mudança na variável dependente for tão pequena que você teria dificuldade em medi-Ia. Utilize a Figura 13.30 para os problemas restantes. Suponha o aumento de aproximadamente 13.43 Tente prever a resposta de cada variável dependente no quadro denominado 596 Eletrônica - 48 Edição - Volume 1 Cap.13 "VOO". Confira suas respostas. Em seguida, responda à seguinte questão o mais simples e diretamente possível: Qual o efeito que o aumento de Voo tem sobre as variáveis dependentes do árcuito? 13.45 Faça uma previsão da resposta de cada variável dependente no quadro denominado "VeS(off(. Confira suas respostas. Faça uma lista das variáveis dependentes que aumentam. Explique por que essas variáveis aumentam, usando a Lei de Ohm ou idéias básicas similares. 13.44 Faça uma previsão da resposta de cada variável dependente no quadro denominado "Vee". Verifique suas respostas. Em seguida, resuma-as em uma ou duas sentenças. + MPF 102 Vee~ - -- Voo Vee 10 :F1 Vos: C5 Ros : F2 Res : D6 10 : B2 Vos: A6 Ros : C5 Res: DI Figura13.30 I Vos L VeS(off) 10 :A4 Vos: D5 Ros : B3 Res :Fl 2 3 4 5 6 A A N D A D A B N D A A D D C D N D D N A D N A D A D N E A D A A A D F N N A D N N 10ss 1ess Ro 10 :A4 Vos: E6 Ros : Cl Res : F2 10 : FI Vos: C5 Ros : A2 Res : C3 10 : F2 Vos: B5 Ros : DI Res : C5 Dispositivo para a análise variacionalTM. (Patenteado: cortesia de Malvino ~nc.) 13.46 Faça uma previsão da resposta de cada variável dependente no quadro denominado" 1oss". Faça uma lista das variáveis dependentes que diminuem. Explique por que essas variáveis diminuem. 13.47 Faça uma previsão da resposta de cada variável dependente no quadro denominado "1Gss". Faça uma lista das variá- ------- 1 veis dependentes que diminuem. Explique por que essas variáveis apresentam uma diminuição. 13.48 Faça uma previsão da resposta de cada variável dependente no quadro denominado" Ro". Faça uma lista das variáveis dependentes que diminuem. Explique por que essas variáveis apresentam uma diminuição.