Análisis del Punto de Funcionamiento y Polarización en Amplificadores MOS

Punto de Funcionamiento y Polarización en Amplificadores MOS

1. Punto de Funcionamiento en Aplicaciones de Amplificación

La amplificación debe tener lugar en la zona de saturación. Si el punto Q instantáneo alcanza la zona triodo o de corte, la señal v_DS se recorta, pues en triodo v_DS < v_GS - V_TH y en corte v_DSmax = V_DD.

2. Aproximación Circuital a la Característica del MOS

En este apartado, vamos a ver los modelos asociados al transistor en DC (modelos en gran señal) para sus tres zonas o regiones de funcionamiento: Triodo, Saturación y Corte.

2.1. Corte

V_GS < V_TH: condensador de puerta descargado, interruptor abierto.

2.2. Triodo u Óhmica

V_GS > V_TH y 0 < V_DS < V_GS - V_TH: resistencia controlada por la tensión de puerta.

2.3. Saturación o Activa

V_GS > V_TH y 0 < V_DS ≥ V_GS - V_TH. Se comporta:

1. Como una fuente de corriente.
2. Como un amplificador: con una pequeña tensión en la puerta se consigue una gran corriente de drenador.

3. Circuitos de Polarización para Amplificadores

En este apartado, vamos a estudiar dos tipos de circuitos de polarización de transistores MOS:

• Circuito de polarización fija.
• Circuito de polarización automática o de cuatro resistencias.

Aplicaremos los modelos en gran señal del transistor para analizar estos circuitos:

1. Supondremos que el transistor se encuentra en una región concreta de funcionamiento (triodo, saturación o corte).
2. Seleccionaremos el modelo correspondiente a esa zona y lo aplicaremos al circuito que queramos estudiar.
3. Comprobaremos que la suposición hecha es correcta.
4. Si lo es, se ha acabado el estudio. Si no, volvemos al punto 1 con otra región de funcionamiento.

4. Punto Q en la Región Activa

Para que se pueda utilizar este circuito como amplificador, necesitamos un punto Q en la región activa o de saturación, de modo que los cambios en la tensión de puerta que causan que el punto de trabajo instantáneo se desplace hacia arriba y hacia abajo de la recta de carga hagan que siempre esté en la zona de saturación.

5. Circuito de Polarización Automática de Cuatro Resistencias

5.1. Criterios para el Diseño

R1 y R2 muy pequeñas: sobrecalentamiento.

Conviene escoger valores grandes para estas resistencias, para que la corriente extraída de la fuente por el divisor sea pequeña.

Recordar que V_G nos fija el valor de I_D una vez seleccionado el transistor.

R1 y R2 son un divisor de tensión que fija V_G > V_TH ya que I_G = 0A.

Una costumbre habitual es diseñar de forma que:

R_DI_DQ ≅ V_DD/4

V_DSQ ≅ V_DD/2

R_SI_DQ ≅ V_DD/4

Lo que implica que R_S ≅ R_D.

5.2. Ejemplo

Diseñar un circuito de polarización automática para un amplificador NMOS en surtidor común. Nominalmente el transistor tiene los siguientes valores: W=80μm, L=2μm, λ=0, V_TH=2V.

El circuito tiene una alimentación de V_DD= 20V e I_DQ=2mA.

6. Amplificador en Surtidor Común

Para obtener el circuito equivalente en pequeña señal (a frecuencias medias):

1. Los condensadores de acoplo (C1 y C2) y desacoplo CS, se sustituyen por cortocircuitos y el transistor por su equivalente de pequeña señal.
2. La fuente de alimentación DC se remplaza por un cortocircuito.

7. El Transistor MOS en Conmutación

Vamos a aumentar V_in desde V_in < V_TH y a analizar lo que ocurre en el circuito de entrada y en el de salida:

Pasamos de la zona de corte a la zona activa o de saturación.

Empezamos en zona de corte.