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
(positiva, para o dreno) e, se necessário, uma fonte de polarização de porta 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
fornece tensão positiva ao dreno através de um resistor . - O source está conectado ao terra (referência).
- O gate recebe uma tensão fixa
(pode ser gerada por uma fonte separada) através de um resistor 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:
──
── D (drain)
G (gate) ← ←
S (source) ── GND
Vias em série do topo para baixo:
G (gate) ←
S (source) ── GND
Explicação didática:
- Como a porta não consome corrente DC significativa, a tensão da porta fica muito próxima de
. Se a fonte for negativa (com respeito ao terra) podemos obter negativo para “janela” de depleção (fechar parcialmente o canal). - Para n-channel depleção, com o source em terra, temos:
- O dreno-source DC é:
- A corrente
é dada pela equação quadrática (modelo simples de região de saturação) quando o transistor opera nessa região: onde eu explico o que é cada termo: -
é a transcondutância do dispositivo (modelo simplificado; em circuito prático ); -
é a tensão de limiar (threshold). Para dispositivo depleção n-channel é negativo, por isso pode ser não nula quando .
-
- Para encontrar o ponto Q (valor de
e ) você fixa , calcula pela equação do transistor e então encontra por . - Comentário prático: polarização fixa é a solução mais simples, mas é muito sensível às tolerâncias do transistor (variação de
, ) e à temperatura, pois não há real feedback para estabilizar .
Passo 3
Autopolarização (self-bias) — esboço do circuito e explicação detalhada.
Esboço (descrição do circuito):
- Fonte
alimenta o dreno através de . - O source não vai diretamente ao terra: há um resistor
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
automaticamente (feedback negativo).
Representação textual do esboço:
──
── D
G ── GND
S ── ── GND
G ── GND
S ──
Explicação didática passo a passo:
- Porque isso se chama autopolarização? Porque o próprio
cria uma tensão no resistor que ajusta para um valor de equilíbrio: é feedback negativo. - Escrevemos as equações básicas:
- tensão no source:
- tensão porta-source:
(usei porque liguei a porta ao terra; se a porta estiver a outro valor de referência, substitua.)
- tensão no source:
- Substituindo na equação do transistor (modelo de saturação simplificado):
Isso é uma equação implícita em (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 até que a equação seja satisfeita. - Tensão dreno-source:
- Vantagens e observações:
- O ponto Q fica mais estável frente a variações de
e porque introduz realimentação negativa. - Desvantagem: ocupa espaço em tensão (queda em
) e reduz ganho se usado em estágio amplificador sem desacoplamento (às vezes usa-se um capacitor de bypass em AC sobre ).
- O ponto Q fica mais estável frente a variações de
Passo 4
Polarização por divisor de tensão — esboço do circuito e explicação detalhada.
Esboço (descrição do circuito):
- Temos a alimentação
. - Dois resistores
(do ao gate) e (da gate ao terra) formam um divisor que fixa a tensão estática do gate em . - O dreno é alimentado por
a partir de . - O source tem um resistor
(opcional, mas normalmente presente) para estabilização, igual ao caso de autopolarização.
Representação textual do esboço:
──
── G (gate) ──
── GND
──
── D
S ── ── GND
S ──
Explicação didática e equações:
- A tensão de gate é fixada pelo divisor (porta praticamente não consome corrente DC), então:
- O source tem a queda de
: - Logo a tensão gate-source é:
- Substituindo na equação do transistor (modelo quadrático):
Novamente é uma equação implícita em — resolve-se por gráfico ou iteração. - A tensão
é: - Por que esse método é usado?
- O divisor estabelece um
relativamente “rígido” (stiff bias); a porta não alterará esse valor por consumo de corrente (já que é desprezível). - Com
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
independentemente e controlar a estabilidade com .
- O divisor estabelece um
Passo 5
Observações práticas e como desenhar rápido na prova (dicas passo-a-passo para você aplicar no exame):
- Ao desenhar cada circuito, indique claramente:
- fonte
; - resistor de dreno
; - resistores de gate (
ou ); - resistor de source
se houver; - ligue o source ao terra se for polarização fixa; ligue a porta ao terra para autopolarização (ou deixe-a com resistor grande).
- fonte
- Ao encontrar o ponto Q:
- calcule
(se aplicável); - escreva
(se existir); - escreva
; - use a equação do transistor para
(modelo quadrático ou curva característica). Será geralmente uma equação implícita — use reta de carga gráfica ou resolva numericamente.
- calcule
- Lembre-se do sentido dos sinais: para n-channel depleção,
é negativo, então com ainda pode haver corrente; para reduzir corrente você aplica negativo. - 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 (
, , , , ) ao lado do desenho.
Resposta
Polarização fixa:
──
── D (drain)
G (gate) ← ←
S (source) ── GND
G (gate) ←
S (source) ── GND
Autopolarização (self-bias):
──
── D
G ── GND
S ── ── GND
G ── GND
S ──
Divisor de tensão:
──
── G (gate) ──
── GND
──
── D
S ── ── GND
S ──