¿Por qué el MOSFET de enriquecimiento ha revolucionado la industria de los ordenadores?

• Por su tensión umbral que es ideal para emplearse como dispositivo de conmutación. Cuando la tensión de puerta es mayor que la tensión umbral, el dispositivo conduce. Esta acción de corte-conducción es fundamental en la construcción de circuitos para ordenadores. Un ordenador común utiliza millones de MOSFET de enriquecimiento como conmutadores de conexión-desconexión para procesar datos.

Inversor con carga pasiva

La palabra pasiva se refiere a una resistencia normal, como RD.

En este circuito, Vin puede ser alta o baja. Cuando Vin está en nivel bajo, el MOSFET está en corte y Vout es igual a la tensión de alimentación VDD.

MOSFET de enriquecimiento con

una carga pasiva.

Cuando Vin está en nivel alto, el MOSFET conduce y VDD

cae a un valor pequeño. Para que este circuito trabaje de forma adecuada, la corriente de saturación ID(sat) tiene que ser menor que I(on) cuando la tensión de entrada es igual o mayor que VGS(on). Esto es equivalente a decir que la resistencia en la zona óhmica tiene que ser mucho menor que la resistencia pasiva de drenador. Simbólicamente:

RDS(on) « R D

Este circuito se denomina inversor, ya que la tensión de salida es de nivel opuesto a la de entrada. Cuando la tensión de entrada está en nivel alto, la tensión de salida está en nivel bajo. Los circuitos de conmutación son menos exigentes que los amplificadores. Lo único que se requiere en los circuitos de conmutación es que las tensiones de entrada y de salida se puedan reconocer fácilmente, ya sea en nivel bajo o en nivel alto.

Inversor con carga activa

Los circuitos integrados (CI) constan de miles de transistores de tamaño microscópico, bipolares o MOS. Los primeros circuitos integrados también incluían resistencias de carga pasivas. Pero una resistencia de carga pasiva tiene una gran desventaja: su tamaño es mucho mayor que el de un MOSFET. Por ello, los circuitos integrados con resistencias de carga pasivas eran de mayor tamaño que los que se utilizan actualmente. Alguien encontró una solución al problema al inventar resistencias de carga activas. Éstas redujeron el tamaño de los circuitos integrados, lo que dio lugar a los ordenadores personales que tenemos hoy día.

La idea fundamental fue eliminar las resistencias de carga pasivas. ¿Pero cómo? La Figura muestra el invento. Se denomina inversor con carga activa. El MOSFET inferior aún actúa como un conmutador, pero el MOSFET superior actúa como una resistencia de valor elevado. Observe que el MOSFET superior tiene su puerta conectada a su drenador. Por esta razón, se convierte en un dispositivo de dos terminales con una resistencia activa de valor:

donde VDS(activa) e IDS(activa) son tensiones y corrientes en la zona activa.

Para que el circuito trabaje de forma adecuada, la R del MOSFET superior debe ser grande comparada con la RDs(on) del MOSFET inferior. Por ejemplo, si el MOSFET superior actúa igual que una RD

de 5 kΩ y el inferior igual que una RDS(on) de 667Ω, la tensión de salida será baja.

Al ser VGS =VDS, cada punto de trabajo de este MOSFET tiene que estar en la curva de dos terminales de la figura. Si se comprueba cada punto de la curva de dos terminales, se verá que VGS =VDS.

La curva de dos terminales de la figura significa que el MOSFET superior actúa como una resistencia de valor RD.

Este valor cambia ligeramente para los diferentes puntos. Por ejemplo, en el punto más alto mostrado en la figura, la curva tiene ID =3 mA Y VDS =15 V.

El siguiente punto hacia abajo

Mediante un cálculo similar, el punto más bajo donde ID =0,7 mA y VDS = 5 V, tiene una RD=7,2 kΩ.Si el MOSFET inferior tiene las mismas características de salida que el superior, entonces tiene una RDS(on) de:

CMOS

Con el inversor de carga activa, la corriente de drenador con salida baja es aproximadamente igual para ID(SAT). Esto puede crear un problema en los equipos que funcionan con baterías. Una forma de reducir la corriente de drenador de un circuito digital es con el MOS complementario (CMOS) que combina MOSFET de canal n y de canal p. Q1 es un MOSFET de canal p y Q2 es de canal n. Estos dos dispositivos son complementarios; es decir, tienen valores iguales y opuestos de VGS(th), VGS(on), ID(on), etc. El circuito es similar a un amplificador en clase B porque un MOSFET conduce mientras el otro está en corte.

Funcionamiento básicoCuando un circuito CMOS se emplea en una aplicación de conmutación, la tensión de entrada puede ser alta (+VDD) o baja (OV). Si la tensión de entrada es alta, QI está en corte y Q2 conduce. En este caso, el Q2 cortocircuitado lleva la tensión de salida a masa. Por otro lado, si la tensión de entrada es baja, Q1 conduce y Q2 está en corte. Ahora, el Ql cortocircuitado lleva la tensión de salida hasta +VDD. Como la tensión de salida está invertida, el circuito se denomina inversor CMOS.

Variación de la tensión de salida con la de entrada

Cuando la tensión de entrada es cero, la de salida es alta. Cuando la tensión de entrada es alta, la de salida es baja. Entre estos dos extremos hay un punto de cruce donde la tensión de entrada es igual a +VEn este punto, ambos MOSFET tienen las mismas resistencias y la tensión de salida es igual a +VDD /2.

Consumo de potenciaLa principal ventaja del CMOS es que su consumo de potencia es extremadamente bajo. La corriente de drenador en el punto Q viene determinada por el dispositivo que no conduce. Ya que la resistencia es del orden de MΩs, el consumo de potencia en el punto Q(reposo) se aproxima a cero.El consumo de potencia se incrementa cuando la señal de entrada cambia de baja a alta, y viceversa; a medio camino de la transición entre el nivel bajo y el alto, o viceversa, ambos MOSFET están activos. Esto significa que la corriente de drenador se incrementa temporalmente. Como esta transición es muy rápida, sólo existe un pulso breve de corriente. Un dispositivo CMOS disipa más potencia media cuando está en transición que cuando está en reposo. Como los pulsos de corriente son muy cortos, la potencia media disipada es muy baja en conmutación. De hecho, el consumo medio de potencia es tan pequeño que los circuitos CMOS a menudo se usan para aplicaciones con alimentación por baterías tales como calculadoras, relojes digitales y dispositivos de ayuda a los sordos.

FET DE POTENCIA

El uso principal de los MOSFET de enriquecimiento de baja potencia es en circuitos integrados digitales. No sucede lo mismo para aplicaciones de alta potencia, en cuyo caso elMOSFET de enriquecimiento es un dispositivo discreto ampliamente utilizado en aplicaciones que controlan motores, lámparas, disqueteras, impresoras, fuentes de alimentación, etc. En estas aplicaciones, el MOSFET de enriquecimiento se denomina FET de potencia.

Dispositivos discretosLos fabricantes producen distintos tipos de dispositivos, tales como VMOS, TMOS, hexFET, trench MOSFET y waveFET. Todos estos FET de potencia emplean diferente geometría del canal para aumentar sus limitaciones máximas. Estos dispositivos tienen limitaciones de corriente desde 1 A hasta más de 200 A, y imitaciones de potencia desde 1 W a más de 500 W.Nótese que VGS(on) es 10 V para todos estos dispositivos. Al ser físicamente grandes, requieren valores altos de VGS(on) para asegurar el funcionamiento en la zona óhmica. Como se puede observar, las limitaciones de potencia son considerables, capaces de manejar aplicaciones pesadas como control en automoción, iluminación y calefacción.El análisis de un circuito FET de potencia es igual que para dispositivos de pequeña señal. Cuando se excita con una tensión V05(on) =10 V, un FET de potencia tiene una resistencia pequeña R una ID(sat) menor que ID(on) cuando V0 5 =V D5 (On) en la zona óhmica. Como antes, 0 5 (on) garantiza que el dispositivo está funcionando en la zona óhmica y actúa como una pequeña resistencia.

• El FET de potencia a diferencia de los transistores bipolares no tiene escape térmico, y pueden ser conectados en paralelo.

FET de potencia como interfase

• Los circuitos integrados digitales son dispositivos de baja potencia porque pueden proporcionar sólo pequeñas corrientes de carga. Si se desea usar la salida de un CI para excitar una carga que necesita una gran corriente, se puede emplear un FET de potencia como interfase.

La salida del CI digital excita la puerta del FET de potencia. Cuando la salida digital es alta, el FET de potencia es como un interruptor cerrado. Cuando la salida digital es baja, el FET de potencia es como un interruptor abierto. Una de las aplicaciones más importantes de los FET de potencia consiste en servir de interfase entre CI digitales (MOSFET y CMOS de pequeña señal) y cargas de alta potencia.

• Cuando la salida del CMOS tiene valor alto, el FET de potencia actúa como un interruptor cerrado. En este caso, el arrollamiento del motor tiene una tensión de 12 V a su través y el eje gira. Cuando la salida del CMOS es baja, el FET de potencia está abierto y el motor para de girar.

Convertidores dc-ac

• Cuando hay un fallo repentino de alimentación, los ordenadores dejan de funcionar y se pueden perder datos de gran valor. Una solución consiste en utilizar un sistema de alimentación ininterrumpida (SAl). Un SAl contien euna batería y un convertidor dc-ac. La idea básica es ésta: cuando hay un fallo de alimentación, la tensión de la batería se convierte a una tensión alterna que alimenta el ordenador.

Cuando la alimentación falla, se activan otros circuitos y generan una onda cuadrada para excitar la puerta. Esta onda conmuta el FET de potencia entre corte y activación. Como aparece una onda cuadrada a través de los arrollamientos del transformador, el arrollamiento secundario puede proporcionar la tensión alterna necesaria para mantener el ordenador funcionando.

Convertidores dc-dc

• Es un circuito que convierte una tensión continua de entrada en otra tensión continua de salida de valor mayor o menor. El FET de potencia conmuta produciendo una onda cuadrada a través del arrollamiento secundario. El rectificador de media onda y el filtro con condensador a la entrada producen, entonces, la tensión de salida Vout

Usando diferentes relaciones de espiras podemos obtener tensiones de salida que son inferiores o superiores a Vino Para reducir el rizado se puede usar un rectificador de onda completa o un puente rectificador.

Muestra de FET de Potencia