Os circuitos integrados (CI), também conhecidos como chips, são componentes eletrônicos compostos por um grande número de dispositivos eletrônicos, como transistores, resistores, capacitores, entre outros, que foram miniaturizados e integrados em um único chip de silício. Eles são amplamente utilizados em uma ampla gama de dispositivos eletrônicos, incluindo computadores, telefones celulares, aparelhos de televisão, sistemas de controle de automação e muitos outros.
As características dos circuitos integrados incluem sua capacidade de processamento de informações, sua eficiência energética, tamanho compacto, baixo custo de produção em massa, alta confiabilidade e longa vida útil (SEDRA; SMITH, 2014). Os CIs também são altamente flexíveis, pois podem ser projetados para atender a uma ampla variedade de requisitos e especificações, desde os mais simples até os mais complexos. Eles são essenciais para o funcionamento da maioria dos dispositivos eletrônicos modernos e continuam a desempenhar um papel fundamental no avanço da tecnologia em várias áreas.
Durante este módulo, iremos aprofundar nossos conhecimentos em eletrônica ao estudar o funcionamento dos dispositivos MOSFET, CMOS e TTL. Esses componentes são amplamente utilizados em circuitos eletrônicos modernos e compreender seu funcionamento é essencial para entender como esses circuitos operam.
O MOSFET, sigla em inglês para Transistor de Efeito de Campo de Metal-Oxido-Semicondutor, é um tipo de transistor que tem sido amplamente utilizado na eletrônica moderna (KANG; LEBLEBICI, 2014). Ele é essencial para o funcionamento de muitos dispositivos eletrônicos, como amplificadores de áudio, fontes de alimentação, controladores de motor, entre outros.
O MOSFET é um dispositivo eletrônico que opera de acordo com a variação do campo elétrico em uma região de semicondutor. Ele é composto por uma camada de óxido que separa o metal e o semicondutor. O MOSFET pode ser encontrado em diversas configurações, como canal N ou canal P, sendo que a polarização adequada é essencial para seu correto funcionamento. A Figura a seguir mostra mais detalhes desse dispositivo.
A polarização adequada é essencial para o correto funcionamento de um MOSFET. Existem dois tipos de polarização para um MOSFET: polarização de fonte comum (common source) e polarização de dreno comum (common drain).
Na polarização de fonte comum, a fonte (source) do MOSFET é conectada ao terra e a tensão de entrada é aplicada ao terminal de entrada (gate) do dispositivo. A tensão aplicada na porta do MOSFET controla a corrente que flui entre o dreno e a fonte. A polarização de fonte comum é a configuração mais comum para o uso de MOSFETs em amplificadores e em outras aplicações de comutação (RABAEY; CHANDRAKASAN; NIKOLIC, 2002). Criando uma espécie de switch com entrada e saída como na Figura abaixo.
Na polarização de dreno comum, o dreno do MOSFET é conectado ao terra e a tensão de entrada é aplicada ao terminal de entrada (gate) do dispositivo. Nessa configuração, a tensão aplicada na porta do MOSFET também controla a corrente que flui entre o dreno e a fonte, mas a tensão de saída é medida entre o terminal do dreno e a fonte. A polarização de dreno comum é mais adequada para aplicações em que é necessário obter um alto ganho de tensão, como em amplificadores de transcondutância.
Além disso, é importante lembrar que o MOSFET é um dispositivo de três terminais, composto por fonte, dreno e porta (gate). O MOSFET opera em quatro modos: corte, saturação, triodo e zona ativa. O modo de operação depende da tensão aplicada na porta e na polarização da fonte e do dreno. O modo de operação afeta o valor da resistência do MOSFET, o que, por sua vez, afeta a corrente que flui através do dispositivo (RAZAVI, 2016).
O CMOS, sigla em inglês para Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, é uma tecnologia de circuito integrado que utiliza transistores MOSFET tipo P e tipo N para criar portas lógicas. O CMOS é amplamente utilizado em circuitos digitais devido à sua baixa dissipação de energia e alta capacidade de integração.
O CMOS é uma das tecnologias de circuito integrado mais utilizadas na indústria de semicondutores. O uso combinado de transistores MOSFET tipo P e tipo N permite que o CMOS utilize baixas tensões de alimentação e reduza significativamente a dissipação de energia, tornando-o ideal para aplicações em dispositivos móveis e portáteis que operam com bateria (RAZAVI, 2016).
Outra vantagem do CMOS é a alta densidade de integração, o que significa que ele é capaz de incorporar uma grande quantidade de circuitos em um único chip, resultando em componentes eletrônicos mais compactos e leves. Isso torna o CMOS ideal para aplicações em eletrônica de consumo, onde o tamanho e o peso são fatores importantes.
O CMOS também oferece alta imunidade ao ruído, o que significa que ele é menos suscetível a interferências eletromagnéticas externas. Isso o torna ideal para aplicações em ambientes ruidosos, como em sistemas de comunicação sem fio.
Os circuitos CMOS podem ser projetados para operar em uma ampla gama de frequências, desde baixas frequências até várias centenas de megahertz. Isso significa que eles são capazes de realizar tarefas complexas, como processamento de sinais digitais e comunicação de dados, com alta eficiência e velocidade.