O que acontece com um MOSFET em alta frequência?

Passo 1

O enunciado pergunta “o que acontece com um MOSFET em alta frequência?”. Aqui o conteúdo envolve a resposta em frequência e a comutação rápida de um transistor MOSFET, isto é, como as capacitâncias internas, os atrasos de comutação e os efeitos de velocidade de portador alteram seu comportamento quando aplicamos sinais com frequência elevada.

Passo 2

Dentro do MOSFET existem capacitâncias parasitas importantes:
Cgs: capacitância entre gate e source,
Cgd: capacitância entre gate e drain (que gera o efeito Miller),
Cds: capacitância entre drain e source.
Quando a frequência do sinal de comando ou de operação sobe, essas capacitâncias formam filtros passa-baixa, limitando a taxa de variação de tensão no gate e no drain.

Passo 3

O efeito Miller aparece porque qualquer variação de tensão no drain “reflete” no gate através de Cgd, amplificando essa capacitância aparente segundo o ganho em tensão do estágio. Isso faz com que o gate precise carregar uma capacitância muito maior durante as transições, aumentando o tempo de subida ( tr) e descida ( tf) do sinal de porta.

Passo 4

A frequência de transição (ou ganho unitário) do MOSFET é
fT = gm2pi,(Cgs + Cgd),,
onde gm é a transcondutância. Acima de fT o ganho em corrente do dispositivo cai abaixo de 1, ou seja, ele deixa de amplificar eficazmente sinais de corrente.

Passo 5

Em alta frequência aumentam também os tempos de atraso (delay) entre a aplicação de um pulso no gate e a resposta no drain. Esses tempos de atraso totais ( td) consistem em dois componentes principais:
– atraso de carregamento de gate devido a Cgs e Cgd,
– tempo de comutação no canal, ligado à velocidade com que os portadores transitam no canal.

Passo 6

Em tecnologias de canal muito curto, a velocidade de portadores fica limitada (velocity saturation). Isso reduz ainda mais o ganho e aumenta o tempo de subida em frequências elevadas, pois o canal já não consegue responder instantaneamente às variações de tensão.

Passo 7

Além das capacitâncias internas, em alta frequência ganham importância as indutâncias de packaging, trilhas de PCB e resistências parasitas ( Rg, Rd, Rs), que formam circuitos ressonantes, geram overshoot e EMI, e podem tornar o MOSFET instável se não houver layout e terminação adequados.

Resposta

Em alta frequência o MOSFET passa a ter ganho reduzido (abaixo de 1 acima de fT), tempos de subida e descida maiores devido às capacitâncias parasitas (especialmente o efeito Miller em Cgd), atrasos de comutação mais longos, e limitações adicionais por velocidade de portador em canais curtos. Somam-se ainda perdas elevadas por resistência e indutância parasita, o que limita seu uso sem técnicas específicas de projeto de RF ou de layout.

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