Esboce os diagramas de polarização fixa, autopolarização e por divisor de tensão de um MOSFET tipo depleção.

Passo 1

O que o enunciado pede: esboçar (mostrar) os diagramas de polarização (bias) para um MOSFET do tipo depleção, nos três esquemas solicitados:
  • polarização fixa;
  • autopolarização (self-bias);
  • polarização por divisor de tensão.
Informações e hipóteses que vou usar (assumidas porque o enunciado não detalhou):
  • vou assumir um MOSFET do tipo depleção n-channel (o mais comum para esse tipo de exercício). Se fosse p-channel, os sinais de tensão se invertem.
  • o terminal do MOSFET é D (drain), G (gate) e S (source).
  • as fontes de alimentação são V_{DD} (positiva, para o dreno) e, se necessário, uma fonte de polarização de porta V_{GG} que pode ser negativa para um dispositivo depleção n-channel.
  • corrente de porta é desprezível (porta tem corrente praticamente zero), então toda divisão de tensão para o gate não sofre carga significativa do gate.
  • não vou desenhar valores numéricos, vou mostrar a topologia e as equações que definem o ponto de operação (ponto Q).
Nada será resolvido aqui ainda; nos próximos passos eu desenho cada circuito, explico o porquê de cada componente e dou as fórmulas para determinar o ponto de operação e discutir vantagens/desvantagens.

Passo 2

Polarização fixa — esboço do circuito e explicação detalhada.
Esboço (descrição do circuito):
  • Fonte V_{DD} fornece tensão positiva ao dreno através de um resistor R_D.
  • O source está conectado ao terra (referência).
  • O gate recebe uma tensão fixa V_{GG} (pode ser gerada por uma fonte separada) através de um resistor R_G ou diretamente (porta tem corrente nula, então resistores de gate não alteram a tensão DC significativamente).
Representação textual do esboço:
Vias em série do topo para baixo:
V_{DD} ── R_D ── D (drain)
G (gate) ← R_G V_{GG}
S (source) ── GND
Explicação didática:
  • Como a porta não consome corrente DC significativa, a tensão da porta fica muito próxima de V_{GG}. Se a fonte V_{GG} for negativa (com respeito ao terra) podemos obter V_{GS} negativo para “janela” de depleção (fechar parcialmente o canal).
  • Para n-channel depleção, com o source em terra, temos: V_{GS} = V_{G} - V_{S} = V_{GG} - 0 = V_{GG}.
  • O dreno-source DC é: V_{DS} = V_{DD} - I_D R_D - V_S = V_{DD} - I_D R_D.
  • A corrente I_D é dada pela equação quadrática (modelo simples de região de saturação) quando o transistor opera nessa região: I_D = \frac{1}{2}k (V_{GS}-V_T)^2,onde eu explico o que é cada termo:
    • k é a transcondutância do dispositivo (modelo simplificado; em circuito prático k=\mu C_{ox}\dfrac{W}{L});
    • V_T é a tensão de limiar (threshold). Para dispositivo depleção n-channel V_T é negativo, por isso I_D pode ser não nula quando V_{GS}=0.
  • Para encontrar o ponto Q (valor de I_D e V_{DS}) você fixa V_{GS}=V_{GG}, calcula I_D pela equação do transistor e então encontra V_{DS} por V_{DS}=V_{DD}-I_D R_D.
  • Comentário prático: polarização fixa é a solução mais simples, mas é muito sensível às tolerâncias do transistor (variação de k, V_T) e à temperatura, pois não há real feedback para estabilizar I_D.

Passo 3

Autopolarização (self-bias) — esboço do circuito e explicação detalhada.
Esboço (descrição do circuito):
  • Fonte V_{DD} alimenta o dreno através de R_D.
  • O source não vai diretamente ao terra: há um resistor R_S entre source e terra.
  • A porta é conectada a terra (ou a um potencial de referência fixo, frequentemente o terra) — como a porta não consome corrente, pode ser ligada diretamente ao terra (ou através de um resistor grande).
  • Portanto o aumento da corrente faz o source subir, reduzindo V_{GS} automaticamente (feedback negativo).
Representação textual do esboço:
V_{DD} ── R_D ── D
G ── GND
S ── R_S ── GND
Explicação didática passo a passo:
  • Porque isso se chama autopolarização? Porque o próprio I_D cria uma tensão no resistor R_S que ajusta V_{GS} para um valor de equilíbrio: é feedback negativo.
  • Escrevemos as equações básicas:
    • tensão no source: V_S = I_D R_S.
    • tensão porta-source: V_{GS} = V_G - V_S = 0 - I_D R_S = -I_D R_S.(usei V_G=0 porque liguei a porta ao terra; se a porta estiver a outro valor de referência, substitua.)
  • Substituindo na equação do transistor (modelo de saturação simplificado): I_D = \frac{1}{2}k\bigl(V_{GS}-V_T\bigr)^2 = \frac{1}{2}k\bigl(-I_D R_S - V_T\bigr)^2.Isso é uma equação implícita em I_D (aparece dos dois lados). Em prática resolve-se por gráfico (reta de carga) ou por método numérico; o importante para a prova é entender a forma: a corrente que flui ajusta V_S até que a equação seja satisfeita.
  • Tensão dreno-source: V_{DS} = V_{DD} - I_D R_D - V_S = V_{DD} - I_D R_D - I_D R_S = V_{DD} - I_D (R_D + R_S).
  • Vantagens e observações:
    • O ponto Q fica mais estável frente a variações de k e V_T porque R_S introduz realimentação negativa.
    • Desvantagem: ocupa espaço em tensão (queda em R_S) e reduz ganho se usado em estágio amplificador sem desacoplamento (às vezes usa-se um capacitor de bypass em AC sobre R_S).

Passo 4

Polarização por divisor de tensão — esboço do circuito e explicação detalhada.
Esboço (descrição do circuito):
  • Temos a alimentação V_{DD}.
  • Dois resistores R_1 (do V_{DD} ao gate) e R_2 (da gate ao terra) formam um divisor que fixa a tensão estática do gate em V_G.
  • O dreno é alimentado por R_D a partir de V_{DD}.
  • O source tem um resistor R_S (opcional, mas normalmente presente) para estabilização, igual ao caso de autopolarização.
Representação textual do esboço:
V_{DD} ── R_1 ── G (gate) ── R_2 ── GND
V_{DD} ── R_D ── D
S ── R_S ── GND
Explicação didática e equações:
  • A tensão de gate é fixada pelo divisor (porta praticamente não consome corrente DC), então: V_G = V_{DD}\frac{R_2}{R_1+R_2}.
  • O source tem a queda de R_S: V_S = I_D R_S.
  • Logo a tensão gate-source é: V_{GS} = V_G - V_S = V_G - I_D R_S.
  • Substituindo na equação do transistor (modelo quadrático): I_D = \frac{1}{2}k\bigl(V_{GS}-V_T\bigr)^2 = \frac{1}{2}k\bigl(V_G - I_D R_S - V_T\bigr)^2.Novamente é uma equação implícita em I_D — resolve-se por gráfico ou iteração.
  • A tensão V_{DS} é: V_{DS} = V_{DD} - I_D R_D - V_S = V_{DD} - I_D R_D - I_D R_S.
  • Por que esse método é usado?
    • O divisor estabelece um V_G relativamente “rígido” (stiff bias); a porta não alterará esse valor por consumo de corrente (já que é desprezível).
    • Com R_S presente, há uma combinação de tensão fixa no gate e feedback pelo source, resultando em alta estabilidade do ponto Q.
    • Em circuitos de amplificação é o esquema preferido porque permite ajustar V_G independentemente e controlar a estabilidade com R_S.

Passo 5

Observações práticas e como desenhar rápido na prova (dicas passo-a-passo para você aplicar no exame):
  1. Ao desenhar cada circuito, indique claramente:
    • fonte V_{DD};
    • resistor de dreno R_D;
    • resistores de gate ( R_G ou R_1,R_2);
    • resistor de source R_S se houver;
    • ligue o source ao terra se for polarização fixa; ligue a porta ao terra para autopolarização (ou deixe-a com resistor grande).
  2. Ao encontrar o ponto Q:
    • calcule V_G (se aplicável);
    • escreva V_S = I_D R_S (se R_S existir);
    • escreva V_{GS} = V_G - V_S;
    • use a equação do transistor para I_D (modelo quadrático ou curva característica). Será geralmente uma equação implícita — use reta de carga gráfica ou resolva numericamente.
  3. Lembre-se do sentido dos sinais: para n-channel depleção, V_T é negativo, então com V_{GS}=0 ainda pode haver corrente; para reduzir corrente você aplica V_{GS} negativo.
  4. Se o professor pedir só o esboço do circuito (não os cálculos), desenhe os elementos como fiz nos esboços textuais e escreva as principais relações ( V_G, V_S, V_{GS}, V_{DS}, I_D) ao lado do desenho.

Resposta

Polarização fixa:
V_{DD} ── R_D ── D (drain)
G (gate) ← R_G V_{GG}
S (source) ── GND
Autopolarização (self-bias):
V_{DD} ── R_D ── D
G ── GND
S ── R_S ── GND
Divisor de tensão:
V_{DD} ── R_1 ── G (gate) ── R_2 ── GND
V_{DD} ── R_D ── D
S ── R_S ── GND

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