Amplificador Fonte Comum (IGFET): Projeto, Polarização e Desempenho

Amplificador Fonte Comum (IGFET)

O estágio fonte comum (CS) é o cavalo de batalha do projeto de amplificadores MOSFET (IGFET). Ele entrega o maior ganho de tensão entre as três topologias básicas MOSFET, tornando-o ideal para aplicações de áudio, RF e mixed-signal.

Características Principais

• Ganho de Tensão (Av) ≈ –g_m·R_out (tipicamente 20–50 V/V)
• Impedância de Entrada – muito alta (megaohms a gigaohms)
• Impedância de Saída – baixa (centenas de ohms a poucos kilohms)
• Largura de Banda – limitada pelo efeito Miller e capacitâncias parasitas

Polarização & Ponto de Operação DC

Polarização adequada garante operação na região de saturação, onde MOSFET comporta-se como fonte de corrente controlada por tensão. Esquemas de bias comuns incluem:

• Divisor resistivo com resistor de degeneração de fonte para linearidade e estabilidade de bias.
• Auto-bias usando MOSFET diodo-conectado para definir V_GS automaticamente.
• Bias modo tensão com tensão de referência e carga espelho de corrente para precisão.

Escolhas de Carga

Três configurações típicas de carga são usadas para trocar ganho, swing de saída e linearidade:

• Carga resistiva – simples, mas limitada por dissipação de potência.
• Carga espelho de corrente – dobra resistência de carga efetiva, aumentando ganho.
• Carga CMOS (p-MOS + n-MOS) – proporciona alto swing de saída e baixa distorção.

Resposta em Frequência

Capacitância Miller (C_gs·(1 – Av)) reduz dramaticamente largura de banda alta frequência. Técnicas para mitigar incluem:

• Usar transistor baixa capacitância (ex: JFET ou CMOS baixo C_gs).
• Adicionar resistor de realimentação entre dreno e fonte.
• Empregar estágio cascode para isolar C_gs da saída.

Exemplo Prático de Projeto

 # Parâmetros VDD = 5.0 V Rsource = 1 kΩ Rd = 10 kΩ M1 = N-channel MOSFET (Vth = 1.5 V) # Cálculo de bias VGS = VDD – ID·(Rd + Rsource) # Escolha ID = 2 mA → VGS ≈ 3.0 V # Ganho gm = 2·ID / (VGS – Vth) ≈ 1.33 mS Av ≈ –gm·(Rd || ro) ≈ –12 V/V 

Aplicações

• Pré-amplificadores de áudio – alto ganho, largura de banda moderada.
• Misturadores RF – linearidade e baixo ruído.
• Deslocamento de nível lógica digital – alta impedância de entrada.

Dominando polarização, seleção de carga e mitigação do efeito Miller, projetistas podem aproveitar todo potencial do amplificador fonte comum para ampla gama de circuitos eletrônicos.