Eletrônica Basica

Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação EE640 Prova 1 Eletrônica Digital I Prof Dr Marco Roberto Cavallari PED Jefferson R A Tavares PAD Antonio Enrico Gris Prazo de entrega no Moodle 23 horas e 5 9 minutos de 1 4 de setembro de 2024 PROJETO DE AMPLIFICADORES MOS E RESPOSTA EM BAIXAS FREQUÊNCIA S Conteúdo 1 IDENTIFICAÇÃO 2 2 INSTRUÇÕES 2 3 PREFÁCIO 3 4 EMBASAMENTO TEÓRICO 3 5 PARTE 1 QUESTÕES TEÓRICAS 9 6 PARTE 2 SIMULAÇÃO 11 7 PARTE 3 PROJETO 13 8 AUTOAVALIAÇÃO 15 IDENTIFICAÇÃO Nome e RA dos integrantes da equipe INSTRUÇÕES Est a atividade deve ser feit a em até três pessoas Est a atividade é composta por atividades de análise teórica de simulação computacional e projeto As atividades teóricas incluem análises numéricas obtenção de gráficos e comparações objetivas entre esses dados Caso seja necessário citar partes deste documento ou de outras fontes livros artigos sites etc na resolução das atividades o grupo deverá fazer referência adequada ao conteúdo no texto e caso necessário organizar uma seção de referências bibliográficas A s simulações computacionais demandam o uso de um programa de simulação de circuitos como LTSpice PSpice Proteus e similares O projeto se fundamenta nas partes teóricas e de simulação Não há obrigatoriedade de uso de todas as configuraç ões amplificadoras vistas nas seções anteriores porém o embasamento teórico a análise de amplificadores e a prática de simulação são ferramentas importantes para a realização do projeto E xplicite no relatório todas as decisões de projeto e explique de forma sucinta o princípio de funcionamento do circuito A nota de cada membro da equipe nest a prova será calculada da seguinte forma NP NG NA onde NG é a nota global do relatório e NA é a a utoav aliação NA 1 se somente um membro NA será definida a partir do percentual de participação individual Por exemplo se há três membros na equipe e o percentual de um estudante for de 20 então NA 20 1003 06 Caso fique evidente que um membro do grupo não contribuiu com o desenvolvimento do trabalho sua nota de prova será 0 zero excluindo situações de força maior que serão avaliadas caso a caso Cada equipe deverá escolher apenas um 1 membro que será responsável pela entrega do relatório no Moodle Por fim reforçamos que para garantir que o trabalho foi realizado na íntegra pelo grupo as entregas serão varridas por um detector de plágio interno ao Moodle PREFÁCIO Nesta avaliação vocês terão a oportunidade de demonstrar não apenas o entendimento teórico dos conceitos fundamentais de amplificadores MOSFET mas também a habilidade prática de aplicar esse conhecimento em situações reais de projeto e simulação A prova foi cuidadosamente estruturada para avaliar de forma equilibrada o seu domínio dos aspectos teóricos a capacidade de resolver problemas práticos através de simulações e a competência em desenvolver projetos de circuitos eletrônicos de alta frequência Lembremse de que a engenharia exige tanto o conhecimento profundo dos princípios que governam os dispositivos eletrônicos quanto a habilidade de aplicar esses princípios para criar soluções eficazes Por isso encarem essa prova como uma oportunidade para consolidar e demonstrar as habilidades que serão essenciais na sua carreira como engenheiros EMBASAMENTO TEÓRICO A análise e o projeto de amplificadores com MOSFET constitui uma área central na formação dos engenheiros eletricistas com ênfase em eletrônica Os amplificadores de sinais especialmente os que utilizam transistores MOS em configurações como fontecomum portacomum e drenocomum são amplamente utilizados em diversas aplicações que vão desde sistemas de comunicação até circuitos de processamento de sinais incluindo amplificadores de radiofrequência RF Amplificadores de Radiofrequência e MOSFET Como mostrado na Figura 1 o s amplificadores de RF operam em faixas de frequência muito altas geralmente entre 3 0 kHz e 300 GHz e são fundamentais em sistemas de comunicação sem fio Figura 1 Bandas d o espectro de radiofrequências Fonte httpsterasensecomterahertztechnologyradiofrequencybands A aplicação de MOSFETs em amplificadores de RF deve considerar a capacidade desses dispositivos de operar com eficiência em frequências elevadas onde a minimização das perdas e a maximização do ganho são essenciais MOSFETs são frequentemente preferidos em amplificadores RF devido à sua alta frequência de corte 𝑓 𝑇 maior impedância de entrada menor ruído melhor estabilidade térmica menor distorção e eficiência energética A alta frequência de transição dos MOSFETs permite operações em frequências elevadas enquanto a alta impedância de entrada minimiza perdas e maximiza o ganho Além disso MOSFETs oferecem melhor estabilidade térmica e menor distorção essenciais para aplicações de RF Sua compatibilidade com tecnologia CMOS também facilita su a integração em circuitos integrados CIs analógicodigitais conforme será visto ao longo do curso tornandoos ideais para dispositivos móveis e outras aplicações que demandam baixo consumo de energia Amplificadores FonteComum PortaComum e DrenoComum Os amplificadores MOSFET podem ser configurados em três arranjos principais fontecomum portacomum e drenocomum Cada configuração tem suas próprias características de ganho de tensão impedância de entrada e saída e faixa de frequências de operação Antes de estudarmos em mais detalhes os parâmetros elétricos de cada configuração é importante definir mos a transcondutância g m A transcondutância é consequência direta do ponto de polarização CC do amplificador É um parâmetro que relaciona a corrente de dreno CC I D à tensão CC na porta do MOSFET V G sendo essencial para determinar dentre outros o ganho de tensão do amplificador Em geral a formula para o g m em um amplificador MOS é g m 2 I D V GS V T 2 I D V OV onde V OV V GS V T é a tensão de overdrive A transcondutância pode ser calculada a partir d as seguintes expressões equivalentes g m k n WL V GS V T 2 k n WL I D onde k n μ n C ox é a constante de transcondutância do NMOS μ n a mobilidade dos portadores de carga elétrons no canal do transistor NMOS e C ox a c apacitância por unidade de área da camada de óxido que separa o eletrodo de porta do canal A seguir são apresentadas as três configurações amplificadoras Amplificador FonteComum FC Ganho de Tensão em Aberto A v g m R D Impedância de Entrada R in R G onde R G é a resistência de polarização conectada à porta Impedância de Saída R out R D onde R D é a resistência de polarização conectada ao dreno U m valor mais preciso para A v e R out deve considerar o efeito Early Neste caso A v g m R D r o e R out R D r o onde r o 1 V A e V A é a tensão Early do MOS Note que se empregarmos uma resistência de fonte R S então A v R D 1 g m R S Em outras palavras o ganho é reduzido por um fator 1 g m R S A inclusão de r o dificulta a análise mas é fundamental para CIs e pode ser realizada via simulação O amplificador FC é amplamente utilizado devido ao seu alto ganho de tensão mas apresenta uma impedância de entrada relativamente baixa e uma impedância de saída relativamente alta Amplificador PortaComum PC Ganho de Tensão em Aberto A v g m R D nãoinversor Impedância de Entrada R in 1 g m Impedância de Saída R out R D Assim como na configuração FC um valor mais preciso para A v e R out deve considerar o efeito Early No entanto neste caso r o se posiciona entre entrada e saída dificultando a análise Como veremos adiante nestas situações podese aplicar o Teorema de Miller As maiores alterações são no ganho A v g m R D r o e na impedância de saída R out R D r o O impacto é menor na resistência de entrada pois R in 1 g m R D r o 1 g m A configuração portacomum é frequentemente utilizada em aplicações de RF devido à sua baixa impedância de entrada o que facilita o acoplamento com outras etapas do circuito Amplificador DrenoComum DC ou Seguidor de Fonte Ganho de Tensão em Aberto A v R S 1 g m R S 1 Impedância de Entrada R in R G Impedância de Saída R out 1 g m Uma resistência na fonte é obrigatória para polarização em um seguidor de fonte A inclusão do efeito Early na análise implica em A v R S r o 1 g m R S r o 1 O drenocomum é conhecido por fornecer um ganho de tensão unitário ou ligeiramente inferior mas com alta impedância de entrada e baixa impedância de saída tornandoo ideal para buffer de sinais Ganho e Impedância em Amplificadores de RF No contexto de amplificadores de RF o ganho deve ser cuidadosamente ajustado para evitar distorções e garantir a integridade do sinal A análise da impedância de entrada e saída é fundamental para garantir que o amplificador seja adequadamente acoplado com os circuitos anteriores e posteriores As impedância s de entrada e de saída podem ser ajustadas pela escolha apropriada das resistências de polarização R G R S e R D em placas de circuito impresso PCBs ou de W L dimensionamento dos transistores em CIs especialmente em amplificadores de RF onde o acoplamento com antenas e filtros de frequência é crucial Impedância de Entrada D eve ser baixa para minimizar a reflexão de sinal e garantir que a maior parte da potência do sinal seja transferida para o amplificador Impedância de Saída Da mesma forma a impedância de saída baixa é importante para garantir que a potência amplificada seja transferida eficientemente para a carga como uma antena ou outro estágio com baixa impedância de entrada Uma baixa impedância de saída minimiza a reflexão de sinal e perdas associadas permitindo uma melhor correspondência de impedância com a carga Valores Típicos O valor padrão para a impedância de entrada e saída é frequentemente 50 Ω Este é um padrão industrial que facilita a compatibilidade e a integração entre diferentes componentes e sistemas de RF Além disso é suficientemente baixo para minimizar a reflexão e perda de sinal mas ainda proporciona uma carga adequada para muitos dispositivos e antenas Em alguns casos específicos a impedância de entrada e saída pode variar entre 10 Ω a 500 Ω dependendo dos requisitos do projeto e das características dos circuitos com os quais o amplificador está interagindo Capacitores de Acoplamento e Desvio Os capacitores de acoplamento são usados para permitir a passagem de sinais CA enquanto bloqueiam componentes CC assegurando maior estabilidade à polarização CC dos estágios amplificadores A escolha do valor do capacitor de acoplamento C c é crítica pois determina a frequência de corte inferior f L do circuito que é dada por f L 1 2π R eq C c onde R eq é a resistência equivalente vista pelo capacitor ou seja entre seus terminais Os capacitores de desvio de fonte C s por outro lado são usados para estabilizar o ponto de operação do transistor e aumentar o ganho ao fornecer um caminho de baixa impedância para sinais CA em altas frequências O valor de C s deve ser suficientemente grande para garantir que o desvio funcione efetivamente em todas as frequências de operação Um critério razoável de projeto é adotar uma frequência de corte correspondente a C s menor que f L Os polos de baixa frequência em um amplificador surgem principalmente devido aos capacitores de acoplamento e desvio Esses polos determinam as frequências abaixo das quais o ganho do amplificador começa a cair Em outras palavras determinam a atenuação d o sinal nas bordas inferiores da banda de passagem Como será visto mais adiante no curso a frequência de corte superior f H depende das capacitâncias parasitas e da resposta em alta frequência do MOSFET Teorema de Miller O teorema de Miller é uma ferramenta essencial para simplificar a análise de circuitos eletrônicos que envolvem realimentação ou amplificação Ele é particularmente útil para calcular a capacitância efetiva entre dois nós de um circuito quando uma capacitância está conectada entre a entrada e a saída de um amplificador Para um amplificador com ganho de tensão A v uma capacitância C f conectada entre a entrada e a saída do mesmo pode ser substituída por duas capacitâncias C in C f 1 A v conectada entre a entrada e o terra C in C f 11 A v conectada entre a saída e o terra Essas capacitâncias equivalentes permitem a análise mais simples das frequências de corte e da resposta em frequência dos circuitos amplificadores especialmente em configurações fontecomum onde a capacitância entre porta e dreno C gd pode impactar significativamente o desempenho em alta frequência E sses conceitos s er ão explorados na análise teórica na prática de simulação e no projeto d est a prova permitindo uma avaliação abrangente do entendimento e da capacidade de aplicação dos alunos em situações complexas de engenharia eletrônica PARTE 1 QUESTÕES TEÓRICAS 1 5 ponto Questão teórica 1 No estágio FC ilustrado na Figura 2 a corrente de dreno de M 1 é estabelecida pela fonte de corrente ideal I 1 e permanece independente de R 1 e R 2 Suponha que μ n C ox 200 mAV 2 V Tn 04 V I 1 1 mA R D 500 Ω λ 0 e C 1 elevado Determin e o valor de W L se o ganho de tensão for 10 Determine possíveis valores para R 1 e R 2 caso o transistor esteja 200 mV fora da região de triodo e R 1 R 2 não demande mais que 01 mA da fonte de alimentação Discuta as possíveis frequências dos polos correspondentes aos capacitores C 1 de acordo com os valores obtidos em a e b Figura 2 Diagrama esquemático do a mplificador FC para a q uestão t eórica 1 da Prova 15 ponto Questão teórica 2 O estágio PC ilustrado na Figura 3 deve prover uma impedância de entrada de 50 Ω e uma impedância de saída de 500 Ω Suponha que μ n C ox 200 mAV 2 V Tn 04 V e λ 0 Qual é o máximo valor permitido para I D Com o valor calculado em a determine o valor de W L Encontre o ganho de tensão deste amplificador Figura 3 Diagrama esquemático do a mplificador PC para a q uestão t eórica 2 da Prova PARTE 2 SIMULAÇÃO 30 ponto s Exercício de simulação No circuito da Figura 4 I 1 é uma fonte de corrente ideal igual a 1 mA Assuma que os substratos dos dispositivos NMOS sejam conectados à terra μ n C ox 200 mAV 2 e V Tn 04 V e λ 0 Calcule o valor de W L 1 de modo que g m1 5 0 Ω 1 O valor obtido deve ser usado nas simulações Simule a resposta em frequência de 01 Hz a 100 MHz e identifique a frequência de corte inferior f L o ganho máximo na banda passante e a frequência de corte superior f H ac dec 1000 100m 100Mega Dica O ganho global em dB pode ser obtido plotando Vsaida 001 ou seja dividindo pela amplitude do sinal senoidal de entrada Calcule a frequência f L associada à C 2 e compare com a obtida via simulação Calcule a frequência f H associada à C 1 e compare com a obtida via simulação Aplique o teorema de Miller Calcule o ganho A v na banda passante e compare com o obtid o via simulação Refaça a simulação da resposta em frequência e discuta a alteração no ganho ao considerar λ 0 1 Dica Caso deseje realize uma simulação do transiente de 0 a 04 ms para verificar o ganho tran 0 04m 0 100u Use o s parâmetros do modelo Spice MOS a seguir MODEL NMOSFET NMOS KP200m VT004 LAMBDA0001 Note que não estamos modelando parâmetros do transistor que limitariam a resposta em frequência deste amplificador em altas frequências Figura 4 Diagrama esquemático do amplificador PC para o exercício de simulação da Prova PARTE 3 PROJETO 4 0 ponto s Prática de projetos Contexto do Projeto S ua equipe foi contratad a por uma empresa que está desenvolvendo um sistema de comunicação de alta frequência para transmitir dados de sensores em uma área rural Esses dados são essenciais para monitorar condições ambientais e ajudar na preservação da flora local Seu papel é projetar um dos blocos da PCB isto é um amplificador de pelo menos dois estágios que possa operar eficientemente a essas altas frequências e garantir que os sinais cheguem com clareza ao receptor Vocês descobriram que o almoxarifado da empresa possui uma quantidade significativa d e um MOSFET de canal N em estoque Sua missão é usar esse componente para projetar um amplificador que atenda às especificações necessárias detalhadas a seguir Especificacoes d e Projeto Configuração do Circuito Projete um amplificador de pelo menos dois estágios usando transistores NMOS Cada estágio deverá incluir capacitores de acoplamento para permitir a passagem dos sinais CA entre os estágios mantendo as características de polarização CC independentes de cada um Caso necessário capacitores de desvio podem ser empregados Ponto de Polarização CC Biasing Determine o ponto de polarização ideal para os transistores NMOS com μ n C ox 200 mAV 2 V Tn 04 V λ 0 I D 1 mA CC valores extraídos ou estimados do datasheet do componente garantindo que eles operem na região de saturação Empregue apenas uma fonte de alimentação de 1 8 V e fontes de corrente de 1 mA Impedância de Entrada e Saída Calcule as resistências de entrada e saída para cada estágio do amplificador O amplificador deverá ser acoplado a uma antena de transmissão entrada de 50 W e o próximo estágio do circuito saída de 50 W Ganho de Tensão Desenvolva a equação para o ganho de tensão do amplificador na faixa de operação de cerca de 100 kHz O amplificador deve ter ganho global entre 5 VV e 10 VV Frequências de Corte Determine a frequência de corte inferior do circuito que define a faixa de operação do amplificador em baixas frequências Justifique sua escolha de capacitores para garantir que o amplificador atenda ao requisito de uma frequência de corte f L 1 0 kHz permitindo que ele amplifique sinais de baixa frequência sem perda significativa Relatório de projeto A present e Cálculos Detalhados Inclua todos os cálculos realizados para determinar o ponto de polarização impedâncias ganho de tensão e frequências de corte Esquema do Circuito Desenhe o esquema do amplificador de dois estágios indicando os pontos de polarização valores de resistências capacitores e o componente NMOS Análise do Desempenho Forneça uma análise do desempenho do amplificador discutindo como ele atenderá às necessidades do sistema de comunicação em termos de amplificação e fidelidade do sinal AUTOAVALIAÇÃO Apresente o percentual de participação de cada membro da equipe na realização desta atividade Unicamp EE610 2 Eletrônica Digital I