Ganho Tensão Amplificador FET: Fórmula, Fatores e Considerações Práticas Projeto

Ganho tensão amplificador transistor efeito campo (FET) — seja JFET, MOSFET, ou GaN HEMT — fundamentalmente definido por transcondutância e impedância carga. Aqui teoria essencial e o que muda circuitos reais.

Equação Ganho Principal

Para estágio common-source (CS) com carga resistiva $R_L$ em midband (capacitores curto, parasitas aberto):

$A_v \approx -g_m \cdot (R_D \parallel R_L \parallel r_o)$

• $g_m$ = transcondutância (S) — $\Delta I_D/\Delta V_{GS}$ no ponto polarização
• $R_D$ = resistor dreno
• $R_L$ = resistência carga externa
• $r_o$ = resistência saída FET ($1/\lambda I_D$), frequentemente $\gg R_D\parallel R_L$
• Sinal negativo = inversão fase 180° (estágio CS)

O Que Controla $g_m$?

• MOSFET (saturação): $g_m = \sqrt{2\mu C_{ox}(W/L)I_D} = 2I_D/(V_{GS}-V_{th})$
• JFET: $g_m = g_{m0}[1 - V_{GS}/V_p]$
• GaN/SiC HEMT: similar MOSFET mas $g_m$ maior por mm largura gate

$\rightarrow$ Maior $I_D$ (dentro limites dissipação) $\rightarrow$ maior $g_m$ $\rightarrow$ maior ganho.

Fatores Práticos Limitando Ganho

Resposta Frequência

• Entrada: $C_{iss}$ ($C_{gs}+C_{gd}$) + $R_{sig}$ formam polo passa-baixa.
• Saída: $C_{oss}$ + $R_D\parallel R_L$ formam outro polo.
• Efeito Miller: $C_{gd}$ multiplicado por $(1+|A_v|)$ na entrada — frequentemente limitador largura banda dominante.

Estabilidade Ponto Polarização

Ganho $\propto \sqrt{I_D}$ (MOSFET). Deriva polarização por temperatura, variação dispositivo, ou ruído alimentação modula ganho diretamente. Use polarização fonte corrente ou realimentação para estabilidade.

Impedância Carga

Ganho colapsa se $R_L \ll R_D$. Buffer com source follower ou adicione transformador para cargas baixa-Z (alto-falantes, linhas 50 $\Omega$).

Não-Idealdades

• Efeito corpo (MOSFET) reduz $g_m$ efetivo se fonte não ligada corpo.
• Saturação velocidade canais curtos faz $g_m \propto I_D$ (não $\sqrt{I_D}$).
• Auto-aquecimento $\rightarrow T_j \uparrow \rightarrow$ mobilidade $\downarrow \rightarrow g_m \downarrow$.

Exemplo Trabalhado

MOSFET: $g_m = 2$ mS, $R_D = 10$ k$\Omega$, $R_L = 10$ k$\Omega$, $r_o = 100$ k$\Omega$.

$R_{eq} = 10k \parallel 10k \parallel 100k \approx 4,76$ k$\Omega$

$A_v \approx -2$ mS $\times 4,76$ k$\Omega = -9,5$ V/V ($\approx 19,6$ dB)

Variações Configuração

Topologia	Ganho Tensão	Fase	$Z_{in}$	$Z_{out}$
Common-Source	$-g_m R_L'$	Inversor	Muito Alto	$R_D\parallel r_o$
Common-Gate	$+g_m R_L'$	Não-inversor	Baixo ($\approx 1/g_m$)	Alto
Source Follower	$\approx 1$ (ligeiramente <1)	Não-inversor	Muito Alto	Baixo ($\approx 1/g_m$)

Checklist Projeto

1. Defina $I_D$ para $g_m$ alvo dentro SOA.
2. Escolha $R_D$ para trade-off ganho vs headroom.
3. Verifique largura banda: $f_{-3dB} >$ BW sinal requerido.
4. Cheque distorção: grande sinal swing vs ponto polarização.
5. Simule com parasitas, temperatura, cantos processo.

Ponto chave: $A_v \approx g_m R_L'$ é ponto partida — ganho real precisa simulação ciente parasitas e verificação breadboard.

• Por Que Saturação Núcleo Deve Ser Evitada em Transformadores Casamento Impedância
• Distorção Cruzamento Amplificadores Potência Classe-B/AB: Causas, Efeitos e Soluções