Circuito con NMOS: quale polarizzazione?

[Bernheart]

Buonasera a tutti.
Stavo studiando questo circuito elettronico, composto da due NMOS.
Non mi torna il discorso che l'autore muove sulla polarizzazione dei due transistor.

Trovo scritto:

per V_b = 3V, anche V_GSM2 > V_Th e quindi M2 è acceso.

Mi sono dato la seguente spiegazione: se M1 è On, esso si comporta come cortocircuito, pertanto la tensione di Source di M2 è 0V (collegata cioè a massa). Da ciò scaturisce che

V_GSM2 = V_b - V_SM2 = 3 V - 0 V e quindi M2 è ON.

Questo ragionamento è corretto?

Dopodiché leggo che M1 è in saturazione.
Ma come?
Affinché M1 sia in saturazione occorre che

V_DS1 > V_GS1 - V_Th.

Ma se M1 è ON allora si comporta come un cortocircuito e pertanto

V_S1 = V_D1 = 0 V.

Ciò significa che

V_DS1=0V => V_DS1 è MINORE di V_GS1 - V_Th e pertanto il transistor M1 non è in saturazione.

Su queste dispense si legge invece che sia M1 che M2 sono in saturazione.

Mi potete aiutare a comprendere questo circuito?
Grazie per la vostra partecipazione

[slashino]

Ma se M1 è ON allora si comporta come un cortocircuito...

Questo è vero (più o meno) se è in zona lineare, ma non è questo il caso.
Semplicemente col tuo ragionamento hai verificato che se un mosfet è in zona lineare allora non può essere in saturazione

Calcola tutti i potenziali del circuito supponendo che siano entrambi in saturazione e poi verifica l'ipotesi, senza guardare alla soluzione!

[Bernheart]

Grazie slashino,
Scusami, una domanda: se in saturazione M1 non si comporta come un cortocircuito, come fa l'autore a concludere immediatamente che anche M2 è on?

[slashino]

I due mosfet sono in serie, se scorre corrente in uno deve scorrere anche nell'altro

[Bernheart]

Grazie ancora ;) Da questa curva però non si evince il comportemto da cortocircuito in zona lineare.. Come mai?

[slashino]

Il concetto di cortocircuito è un'idealizzazione, in natura non troverai mai nessun componente che esibisce ai suoi capi perfettamente 0 V per ogni corrente che lo attraversa.

I mosfet possono essere usati come buone approssimazioni di cortocircuiti quando sono in zona lineare per Vds molto piccole, cioè quando il loro punto di lavoro è, per Vgs fissata, molto prossimo all'inizio della caratteristica.
Mi rendo conto che detto così sembra un cane che si morde la coda, ma ti faccio notare, ripetendomi, che affinchè si comporti da corto è necessario che il punto di lavoro dell'intero circuito sia tale da avere il mosfet zona lineare. Questo significa che, a seconda del resto del circuito, devi scegliere un mosfet con caratteristiche tali da lavorare con una Vds prossima allo zero quando esso è on.

Se vuoi capire per bene questo concetto, perché mi rendo conto che forse non è bastata la spiegazione sopra, ti consiglio di studiare questo semplice circuito:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Calcola il punto di lavoro del mosfet per R che varia su un range molto ampio di valori. Rappresenta anche il punto di lavoro come intersezione tra la retta di carico e la caratteristica del mosfet.
Poi ripeti lo stesso procedimento tenendo R fissata e facendo variare la k del mosfet.
E' un esercizio abbastanza comune, quindi magari l'hai già fatto; in tal caso va a rivederlo

[Bernheart]

Ciao Slashino,
ti ringrazio, ho svolto l'esercizio (in effetti è un esercizio classico). Non capisco tuttavia a cosa possa servirmi!!

[BrunoValente]

Trovo scritto:

per V_b = 3V, anche V_GSM2 > V_Th e quindi M2 è acceso.

Mi sono dato la seguente spiegazione: se M1 è On, esso si comporta come cortocircuito, pertanto la tensione di Source di M2 è 0V (collegata cioè a massa).

Con acceso non intende e non significa affatto che si comporta come cortocircuito ma solo che la tensione tra gate e source ha superato il valore di inizio conduzione V_Th.

Quindi il dispositivo comincia ad essere considerato acceso quando non è più spento, cioè appena la ID assume un valore maggiore di zero e inoltre, indipendentemente dal valore di ID, può essere saturo oppure no, dipende dal valore della tensione VDS.

Il valore della tensione VDS (mi riferisco a M1 del tuo esercizio) dipende sì dal valore di ID ma anche e soprattutto da cosa c'è attaccato al drain: se ad esempio il drain fosse collegato direttamente a VDD allora il mosfet sarebbe saturo per qualsiasi valore di ID, osservando il tuo grafico è evidente.

[Bernheart]

Ciao Bruno e grazie per il tuo aiuto.
Dunque quando il transistor è acceso, sappiamo che tra Drain e Source scorre una determinata corrente I_D che assumerà valori diversi a seconda che il transistor sia in zona lineare o in saturazione. Questo è tutto ciò che possiamo dire.
La mia domanda è: come fa l'autore delle dispense a dedurre immediatamente che
V_GSM2 > V_Th
senza compiere calcoli?

Sembrerebbe quasi scontato e invece per me non lo è, infatti dovremmo dapprima calcolare la corrente che scorre in M2, calcolare così V_D2, dopodiché supporre M2 in saturazione e verificare che la tensionse di source V_S2 sia tale da verificare la nostra ipotesi.
Giusto?

[BrunoValente]

La tensione tra gate e source di M1 è di 1.5V, quindi più alta di Vth di 0.5V, perciò, se la tensione del drain di M1 è maggiore di 0V, sappiamo che scorre una certa corrente nel drain di M1, cioè sappiamo che è acceso ma ancora non sappiamo se in zona di saturazione o se in zona linearità, possiamo solo ipotizzare che sia acceso in zona di saturazione e verificare successivamente se l'ipotesi è corretta, come mi pare sia stato fatto nel testo.

Dal ragionamento fatto possiamo dire che se nel drain di M1 non circolasse alcuna corrente, condizione che come abbiamo visto si verificherebbe solo se la tensione tra drain e source di M1 fosse nulla (e viceversa) perché il gate di M1 è polarizzato rispetto al source di M1 ad una tensione superiore a Vth, avremmo allora una tensione tra gate e source di M2 pari a 3V, cioè M2 risulterebbe ampiamente polarizzato oltre il valore di inizio conduzione e sicuramente una corrente rilevante circolerebbe attraverso RL nel drain di M2 quindi anche nel Drain di M1..che è in netta contraddizione con l'ipotesi fatta di VDS(M1)=0V.

Abbiamo allora capito che la tensione tra drain e source di M1 non può essere pari 0V ma che può essere solo positiva e di un certo valore che non conosciamo ancora.

Se però la tensione tra drain e source di M1 è maggiore di 0V, vuol dire che la tensione tra gate e source di M2 non può essere pari a 3V come avevamo ipotizzato prima ma che può essere solo inferiore a 3V, cioè pari alla differenza tra 3V e la tensione tra drain e source di M1 che ancora non sappiamo quanto vale.

Ci viene ora il sospetto che la tensione tra gate e source di M2, che abbiamo visto essere sicuramente inferiore a 3V ma che non sappiamo di quanto, possa essere addirittura anche inferiore a 1V, che significherebbe che M2, contrariamente a quanto detto sopra sarebbe spento, cioè che la corrente in M2 e in M1 sarebbe nulla...e qui mi fermo perché dovresti aver capito che questo non può essere e che M2 non può che essere anche lui acceso.