Como funciona o MOSFET (ART977)

Os transistores de efeito de campo não são componentes novos. Na verdade, em teoria foram criados antes mesmo dos transistores comuns bipolares. No entanto, com a possibilidade de se obter este dispositivo na versão de alta potência, o MOSFET se tornou um componente extremamente popular que já começa a ser o preferido em muitas aplicações. Neste artigo falaremos do MOSFET comum, seu princípio de funcionamento e algumas aplicações prática.

Os transistores de efeito de campo diferentemente dos transistores bipolares comuns são típicos amplificadores de tensão e não de corrente. Enquanto a corrente de coletor de um transistor comum é função da corrente de base, num transistor de efeito de campo, a corrente de dreno é função da tensão de comporta, conforme indica a figura 1.

 

O transistor de efeito de campo MOS é um típico amplificador de tensão.
O transistor de efeito de campo MOS é um típico amplificador de tensão.

 

MOSFET é a abreviação de Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor ou Transistor de Efeito de Campo de Óxido de Metal Semicondutor.

Na figura 2 temos uma estrutura simplificada de um MOSFET.

 

A estrutura de um MOSFET.
A estrutura de um MOSFET.

 

Uma fina película de óxido de metal isola a região de comporta da região do canal que liga o dreno à fonte.

Dependendo da polaridade dos materiais semicondutores usados podemos ter MOSFET de canais N ou P, conforme mostram os símbolos da figura 3.

 

Tipos de MOSFET.
Tipos de MOSFET.

 

O eletrodo ligado ao substrato normalmente nas aplicações comuns é unido ao eletrodo de fonte, se bem que existam aplicações que exijam transistores em que este eletrodo seja polarizado de forma independente.

Para usar o transistor de efeito de campo de canal N o circuito básico é o mostrado na figura 4.

 

Configuração básica e característica do MOSFET.
Configuração básica e característica do MOSFET.

 

Com uma tensão nula de comporta a corrente de dreno tem um valor que depende da tensão de alimentação até o ponto de saturação.

Para cortar a corrente de dreno a comporta deve ficar negativa em relação a tensão de fonte. Tanto mais negativa ela fica menor é a corrente que pode fluir entre o dreno e a fonte conforme mostra o gráfico junto à figura.

Observe que estas curvas são bastante semelhantes as obtidas com válvulas (principalmente os tipos pentodo) e que polarizando o componente na sua região linear ele se torna um excelente amplificador de sinais.

 

TIPOS

Além dos tipos de comporta único, os MOSFETs comuns podem ser encontrados nas versões de comporta dupla com o símbolo mostrado na figura 5.

 

MOSFETs de comporta dupla.
MOSFETs de comporta dupla.

 

Como estes componentes podem operar com frequências bastante altas, os tipos de comporta dupla se prestam a operação como misturadores de sinais.

Levando-se em conta que os MOSFETS são bastante sensíveis as descargas estáticas, o manuseio deve ser feito com muito cuidado no sentido de não se tocar na comporta sob pena de danificar de modo irreversível o componente.

O que ocorre é que a descarga "fura" a finíssima camada de óxido que isola a comporta do canal, tornando o componente imprestável.

Os tipos comuns são protegidos contra este problema com a inclusão na própria pastilha de diodos de proteção, conforme mostra a figura 6.

 

MOSFET com diodos de proteção.
MOSFET com diodos de proteção.

 

A característica de elevadíssima impedância de entrada dos MOSFETs os torna ideais para inúmeras aplicações que envolvam a amplificação de pequenos sinais de áudio até frequências relativamente elevadas.

As aplicações que daremos a seguir podem ser elaboradas em função de tipos comuns como os 40673 da RCA ou ainda 3N187 e equivalentes da série 3N.

 


CIRCUITOS PRÁTICOS

 

1. AMPLIFICADOR DE BANDA LARGA

O circuito mostrado na figura 7 pode amplificar sinais que vão desde a faixa de áudio até 10 MHz.

 

Amplificador de 50 Hz até 10 MHz.
Amplificador de 50 Hz até 10 MHz.

 

A faixa muito larga de frequências de operação e sua impedância de entrada da ordem de 1 M ? o torna ideal como etapa de entrada para instrumentos tais como frequencímetros ou mesmo osciloscópio.

A intensidade máxima do sinal de entrada (a partir do qual temos a saturação) é da ordem de 100 mVrms.

A amplitude máxima do sinal de saída é de 1 Vrms.

O indutor que serve de carga para a saída é ajustado para se obter com o trimmer o ganho máximo do circuito na frequência de 10 MHz, mas dependendo da aplicação estes componentes podem ser alterados.

Observe que uma das comportas tem uma polarização fixa dada por R2 e R3 de modo a levar o componente a uma corrente de repouso ideal para a aplicação.

 

2. SEGUIDOR DE FONTE

Um seguidor de fonte é um amplificador que tem um ganho de tensão unitário, porém uma elevadíssima impedância de entrada e uma impedância muito baixa de saída. O circuito da figura 8 mostra uma aplicação deste tipo que pode ser considerada equivalente ao seguidor de tensão normalmente feito com amplificadores operacionais.

 

Seguidor de fonte, onde qualquer MOSFET de comporta upla pode ser usado.
Seguidor de fonte, onde qualquer MOSFET de comporta upla pode ser usado.

 

Neste caso a amplitude máxima do sinal de entrada antes do qual se obtém a saturação é da ordem de 2 volys e a amplitude máxima do sinal de saída é da ordem de 1,5 Vrms.

Dentre as aplicações recomendadas para este circuito podemos citar o casamento de impedância de fontes de sinais de áudio como, por exemplo, microfones.

 

3. PROVADOR DE BOBINAS E CAPACITORES

O circuito da figura 9 é uma ponte que serve tanto para medida de capacitâncias como indutâncias e faz uso de um transistor de efeito de campo MOS de canal duplo alimentado por uma tensão de 9 V.

 

Provador de bobinas e capacitores.
Provador de bobinas e capacitores.

 

O princípio de funcionamento é simples: aplica-se o sinal de um gerador de sinais na entrada (a frequência vai depender da ordem de grandeza da indutância ou da capacitância medida - normalmente ela estará entre 20 Hz e 20 kHz para medidas de capacitância entre 50 nF e 50 000 µF e indutâncias entre 5 mH e 6000 Hz com os valores de capacitância e indutância de referência usados.

O procedimento para uso na medida de capacitância é o seguinte:

 

a) Capacitância

* Ligue o gerador de sinais na entrada do circuito: quanto menor o capacitor mais elevada deve ser a frequência usada.

* Ligue o capacitor aos terminais de prova.

* Coloque a chave S1 na posição C.

* Acione a alimentação e o gerador.

* Vá ajustando a frequência do gerador até obter uma deflexão do ponteiro indicador em determinado instante. Ajuste a sensibilidade caso não seja possível detectar esta deflexão ou tente nova faixa de frequências.

* Leia a frequência no gerador e calcule a capacitância pela fórmula:

C = 1/(0,0395 x f x f)

Esta fórmula é válida para o caso de L1 ser de 1 mH.

 

b) Capacitância

* Ligue o gerador de sinais na entrada. Observe que maior indutância significa a escolha inicial de frequências mais baixas.

* Ligue o indutor nos terminais de prova.

* Coloque a chave S1 na posição L.

* Ligue a alimentação e o gerador de sinais.

* Vá ajustando a frequência até obter uma deflexão do ponteiro do instrumento indicador. Se isso não ocorrer ajuste a sensibilidade e/ou mude a faixa de frequências.

* Anote a frequência em que o salto da agulha ocorrer e aplique a fórmula seguinte para calcular a indutância:

 

L = 1/(0,39 x f x f)

(os valores são para um capacitor C2 de 10 nF e a indutância é obtido em microhenry).

 

4. ELETROSCÓPIO

O circuito mostrado na figura 10 é de um simples eletroscópio eletrônico que pode ser usado com vantagem nas aulas de física substituindo o tradicional eletroscópio de folhas de ouro.

 

Eletroscópio sensível.
Eletroscópio sensível.

 

O circuito é alimentado por uma bateria de 9 V e o eletrodo sensor pode ser uma pequena argola de fio descascado ou ainda uma esfera de metal.

Para testar atrite um pente ou caneta num pedaço de tecido e aproxime-o do sensor. A agulha do instrumento indicador deve oscilar fortemente.

 

Mais Explicações

Canal Manual da Elétrica

 

 

 

CONCLUSÃO

Os circuitos que vimos são apenas exemplos de aplicação dos transistores de efeito de campo MOS de comporta dupla de baixa potência.

Existem muitas possibilidades de uso para este componente com características excepcionais.

Lembramos que existem diversos circuitos integrados de amplificadores operacionais que incorporam nas suas etapas de entrada estes transistores e que, portanto podem ser utilizados em circuitos equivalentes.