- Типы полевых МОП-транзисторов
- Характеристики и кривые MOSFET
- Постоянное смещение полевого МОП-транзистора и усиление с общим источником
- Базовая конструкция усилителя с общим источником и одним полевым МОП-транзистором
MOSFET - это, по сути, транзистор, использующий полевой эффект. MOSFET расшифровывается как Metal Oxide Field Effect Transistor, который имеет затвор. Напряжение затвора определяет проводимость устройства. В зависимости от этого напряжения затвора мы можем изменять проводимость и, таким образом, можем использовать его как переключатель или как усилитель, как мы используем транзистор как переключатель или как усилитель.
Биполярный переходный транзистор или BJT имеет базу, эмиттер и коллектор, тогда как MOSFET имеет затвор, сток и исток. Помимо конфигурации контактов, BJT нуждается в токе для работы, а MOSFET - в напряжении.
МОП-транзистор обеспечивает очень высокое входное сопротивление и его очень легко смещать. Итак, для небольшого линейного усилителя MOSFET - отличный выбор. Линейное усиление происходит, когда мы смещаем полевой МОП-транзистор в области насыщения, которая является центрально фиксированной точкой Q.
На изображении ниже показана базовая внутренняя конструкция N-канального MOSFET. Полевой МОП-транзистор имеет три подключения: сток, затвор и источник. Между воротами и каналом нет прямой связи. Электрод затвора электрически изолирован, и по этой причине его иногда называют IGFET или полевым транзистором с изолированным затвором.
Вот изображение широко популярного полевого МОП-транзистора IRF530N.
Типы полевых МОП-транзисторов
В зависимости от режимов работы доступны два разных типа полевых МОП-транзисторов. Эти два типа также имеют два подтипа
- MOSFET или MOSFET типа истощения с режимом истощения
- N-канальный MOSFET или NMOS
- P-канальный MOSFET или PMOS
- Тип расширения MOSFET или MOSFET с режимом улучшения
- N-канальный MOSFET или NMOS
- P-канальный MOSFET или PMOS
Тип истощения MOSFET
Тип истощения MOSFET обычно включен при нулевом напряжении между затвором и источником. Если MOSFET представляет собой MOSFET с N-канальным истощением, тогда будет некоторое пороговое напряжение, необходимое для выключения устройства. Например, N-канальный MOSFET с истощением с пороговым напряжением -3 В или -5 В, затвор полевого МОП-транзистора необходимо подтянуть к отрицательному значению -3 В или -5 В, чтобы выключить устройство. Это пороговое напряжение будет отрицательным для канала N и положительным для канала P. Этот тип MOSFET обычно используется в логических схемах.
Тип расширения MOSFET
В расширенном типе полевых МОП-транзисторов устройство остается выключенным при нулевом напряжении затвора. Чтобы включить полевой МОП-транзистор, мы должны обеспечить минимальное напряжение затвор-источник (пороговое напряжение Vgs). Но ток стока сильно зависит от этого напряжения затвор-исток, если Vgs увеличивается, ток стока также увеличивается таким же образом. Полевые МОП-транзисторы улучшенного типа идеально подходят для построения схемы усилителя. Также, как и истощающий MOSFET, он также имеет подтипы NMOS и PMOS.
Характеристики и кривые MOSFET
Обеспечивая стабильное напряжение между стоком и истоком, мы можем понять ВАХ полевого МОП-транзистора. Как указано выше, ток стока сильно зависит от напряжения затвор-исток Vgs. Если мы изменим Vgs, ток стока также будет изменяться.
Давайте посмотрим на ВАХ полевого МОП-транзистора.
На изображении выше мы видим наклон ВАХ N-канального MOSFET, ток стока равен 0, когда напряжение Vgs ниже порогового напряжения, в это время MOSFET находится в режиме отсечки. После этого, когда напряжение затвор-исток начинает увеличиваться, ток стока также увеличивается.
Давайте посмотрим на практический пример ВАХ IRF530 MOSFET,
Кривая показывает, что когда Vgs составляет 4,5 В, максимальный ток стока IRF530 составляет 1 А при 25 ° C. Но когда мы увеличиваем Vgs до 5 В, ток стока составляет почти 2 А, и, наконец, при напряжении питания 6 В он может обеспечить 10 А. тока стока.
Постоянное смещение полевого МОП-транзистора и усиление с общим источником
Что ж, теперь пришло время использовать полевой МОП-транзистор в качестве линейного усилителя. Это не сложная работа, если мы определим, как смещать полевой МОП-транзистор и использовать его в идеальной рабочей области.
MOSFET работает в трех режимах работы: омический, насыщение и точка отсечки. Область насыщения также называется линейной областью. Здесь мы используем полевой МОП-транзистор в области насыщения, он обеспечивает идеальную Q-точку.
Если мы подаем слабый сигнал (изменяющийся во времени) и применяем смещение постоянного тока на затворе или входе, то в правильной ситуации MOSFET обеспечивает линейное усиление.
На изображении выше небольшой синусоидальный сигнал (V gs) подается на затвор полевого МОП-транзистора, что приводит к колебаниям тока стока, синхронному с приложенным синусоидальным входом. Для слабого сигнала V gs мы можем провести прямую линию от точки Q с наклоном g m = dI d / dVgs.
Наклон можно увидеть на изображении выше. Это крутизна крутизны. Это важный параметр для коэффициента усиления. В этот момент амплитуда тока стока равна
ߡ Id = gm x ߡ Vgs
Теперь, если мы посмотрим на схему, приведенную выше, резистор стока R d может управлять током стока, а также напряжением стока, используя уравнение
Vds = Vdd - I d x Rd (как V = I x R)
Выходной сигнал переменного тока будет Vds = -ߡ Id x Rd = -g m x ߡ Vgs x Rd
Теперь по уравнениям выигрыш будет
Усиленное усиление напряжения = -g m x Rd
Таким образом, общее усиление усилителя MOSFET в значительной степени зависит от крутизны и резистора стока.
Базовая конструкция усилителя с общим источником и одним полевым МОП-транзистором
Чтобы сделать простой усилитель с общим источником с использованием одиночного N-канального МОП-транзистора, важно обеспечить условие смещения постоянного тока. Для этой цели общий делитель напряжения построен с использованием двух простых резисторов: R1 и R2. Также требуются еще два резистора в качестве резистора стока и резистора истока.
Для определения стоимости нам понадобится пошаговый расчет.
МОП-транзистор имеет высокий входной импеданс, поэтому в рабочем состоянии ток на выводе затвора отсутствует.
Теперь, если мы посмотрим на устройство, мы обнаружим, что есть три резистора, связанных с VDD (без резисторов смещения). Три резистора - это Rd, внутреннее сопротивление MOSFET и Rs. Итак, если мы применим закон Кирхгофа о напряжении, то напряжения на этих трех резисторах будут равны VDD.
Теперь, согласно закону Ома, если умножить тока с резистором мы получим напряжение, как V = I х R. Таким образом, здесь ток Ток стока или I D. Таким образом, напряжение на Rd равно V = I D x Rd, то же самое применимо к Rs, поскольку ток такой же, как I D, поэтому напряжение на Rs равно Vs = I D x Rs. Напряжение для полевого МОП-транзистора равно V DS или напряжение сток-исток.
Теперь по КВЛ, VDD = I D x Rd + V DS + I D x Rs VDD = I D (Rd + Rs) + V DS (Rd + Rs) = V DD - V DS / I D
В дальнейшем мы можем оценить это как
Rd = (V DD - V DS / I D) - R S Rs можно рассчитать как Rs = V S / I D
Значения двух других резисторов можно определить по формуле V G = V DD (R2 / R1 + R2)
Если у вас нет значения, вы можете получить его по формуле V G = V GS + V S
К счастью, максимальные значения можно найти в таблице данных MOSFET. Исходя из спецификации, мы можем построить схему.
Два конденсатора связи используются для компенсации частот среза и блокировки постоянного тока, поступающего от входа или до конечного выхода. Мы можем просто получить значения, определив эквивалентное сопротивление делителя смещения постоянного тока, а затем выбрав желаемую частоту среза. Формула будет
C = 1 / 2πf Требование
Для конструкции усилителя высокой мощности мы ранее создали усилитель мощности на 50 Вт с использованием двух полевых МОП-транзисторов в двухтактной конфигурации, перейдите по ссылке для практического применения.