- Rodzaje tranzystorów MOSFET
- Charakterystyka i krzywe MOSFET
- Odchylenie prądu stałego MOSFET i wzmocnienie wspólnego źródła
- Podstawowa konstrukcja wzmacniacza wspólnego źródła z pojedynczym tranzystorem MOSFET
MOSFET to w zasadzie tranzystor wykorzystujący efekt polowy. MOSFET to skrót od Metal Oxide Field Effect Transistor, który ma bramkę. Napięcie bramki określa przewodność urządzenia. W zależności od tego napięcia bramki możemy zmienić przewodność, dzięki czemu możemy używać go jako przełącznika lub wzmacniacza, tak jak używamy tranzystora jako przełącznika lub wzmacniacza.
Bipolarny tranzystor złączowy lub BJT ma podstawę, emiter i kolektor, podczas gdy tranzystor MOSFET ma bramkę, dren i połączenie ze źródłem. Poza konfiguracją pinów, BJT potrzebuje prądu do pracy, a MOSFET potrzebuje napięcia.
MOSFET zapewnia bardzo wysoką impedancję wejściową i jest bardzo łatwy do polaryzacji. Tak więc w przypadku liniowego małego wzmacniacza MOSFET jest doskonałym wyborem. Wzmocnienie liniowe występuje, gdy polaryzujemy MOSFET w obszarze nasycenia, który jest centralnie ustalonym punktem Q.
Na poniższym obrazku pokazano podstawową wewnętrzną konstrukcję N-kanałowych tranzystorów MOSFET. MOSFET ma trzy połączenia Drain, Gate i Source. Nie ma bezpośredniego połączenia między bramą a kanałem. Elektroda bramki jest izolowana elektrycznie iz tego powodu jest czasami nazywana IGFET lub tranzystorem polowym z izolowaną bramką.
Oto obraz bardzo popularnego MOSFET-a IRF530N.
Rodzaje tranzystorów MOSFET
W zależności od trybów pracy dostępne są dwa różne typy tranzystorów MOSFET. Te dwa typy mają ponadto dwa podtypy
- MOSFET lub MOSFET typu zubożonego z trybem zubożenia
- MOSFET z kanałem N lub NMOS
- P-Channel MOSFET lub PMOS
- Wzmocnienie typu MOSFET lub MOSFET z trybem wzmocnienia
- MOSFET z kanałem N lub NMOS
- P-Channel MOSFET lub PMOS
MOSFET typu zubożenia
Typ zubożenia tranzystora MOSFET jest normalnie włączony przy zerowym napięciu bramki do źródła. Jeśli tranzystor MOSFET jest tranzystorem MOSFET typu N-Channel zubożonym, wystąpią pewne progi napięcia, które są potrzebne do wyłączenia urządzenia. Na przykład w tranzystorze MOSFET zubożonym w kanale N z napięciem progowym -3 V lub -5 V, bramka tranzystora MOSFET musi zostać pociągnięta ujemnie na -3 V lub -5 V, aby wyłączyć urządzenie. To napięcie progowe będzie ujemne dla kanału N i dodatnie w przypadku kanału P. Ten typ MOSFET jest zwykle używany w obwodach logicznych.
Wzmocnienie typu MOSFET
W tranzystorach MOSFET typu Enhancement urządzenie pozostaje wyłączone przy zerowym napięciu bramki. Aby włączyć MOSFET, musimy zapewnić minimalne napięcie bramki do źródła (napięcie progowe Vgs). Ale prąd drenu jest wysoce zależny od tego napięcia bramki do źródła, jeśli Vgs zostanie zwiększone, prąd drenu również wzrośnie w ten sam sposób. Wzmocnione tranzystory MOSFET są idealne do budowy obwodu wzmacniacza. Ponadto, podobnie jak zubożony MOSFET, ma również podtypy NMOS i PMOS.
Charakterystyka i krzywe MOSFET
Zapewniając stabilne napięcie w poprzek drenu do źródła, możemy zrozumieć krzywą IV tranzystora MOSFET. Jak wspomniano powyżej, prąd drenu jest wysoce zależny od Vgs, bramki do napięcia źródła. Jeśli zmienimy Vgs, prąd drenu również się zmieni.
Zobaczmy krzywą IV tranzystora MOSFET.
Na powyższym obrazku widzimy nachylenie IV tranzystora MOSFET z kanałem N, prąd drenu wynosi 0, gdy napięcie Vgs jest poniżej napięcia progowego, w tym czasie MOSFET jest w trybie odcięcia. Następnie, gdy napięcie między bramką a źródłem zaczyna rosnąć, wzrasta również prąd drenu.
Zobaczmy praktyczny przykład krzywej IV IRF530 MOSFET,
Krzywa pokazująca, że gdy Vgs wynosi 4,5 V, maksymalny prąd drenu IRF530 wynosi 1 A przy 25 stopniach C.Ale kiedy zwiększamy Vgs do 5 V, prąd drenu wynosi prawie 2 A, a ostatecznie przy 6 V Vgs, może zapewnić 10 A prądu spustowego.
Odchylenie prądu stałego MOSFET i wzmocnienie wspólnego źródła
Cóż, teraz nadszedł czas, aby użyć MOSFET-a jako wzmacniacza liniowego. Nie jest to trudne zadanie, jeśli określimy, jak polaryzować MOSFET i używać go w idealnym regionie operacyjnym.
MOSFET pracuje w trzech trybach pracy: omowy, nasycenie i punkt odcięcia. Region nasycenia nazywany również regionem liniowym. Tutaj działamy MOSFET w regionie nasycenia, zapewnia doskonały punkt Q.
Jeśli dostarczymy mały sygnał (zmienny w czasie) i zastosujemy odchylenie DC na bramce lub wejściu, to w odpowiedniej sytuacji MOSFET zapewnia liniowe wzmocnienie.
Na powyższym obrazku do bramki MOSFET podawany jest mały sygnał sinusoidalny (V gs), co powoduje wahania prądu drenu synchroniczne z zastosowanym wejściem sinusoidalnym. Dla małego sygnału V gs możemy narysować linię prostą z punktu Q o nachyleniu g m = dI d / dVgs.
Zbocze widać na powyższym obrazku. To jest nachylenie transkonduktancji. Jest to ważny parametr dla współczynnika wzmocnienia. W tym momencie amplituda prądu drenu wynosi
ߡ Id = gm x ߡ Vgs
Teraz, jeśli spojrzymy na schemat podany powyżej, rezystor drenu R d może kontrolować prąd drenu, jak również napięcie drenu za pomocą równania
Vds = Vdd - I d x Rd (jako V = I x R)
Sygnał wyjściowy AC będzie wynosił ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g m x ߡ Vgs x Rd
Teraz według równań zysk będzie
Wzmocniony wzrost napięcia = -g m x Rd
Zatem całkowite wzmocnienie wzmacniacza MOSFET jest wysoce zależne od transkonduktancji i rezystora drenującego.
Podstawowa konstrukcja wzmacniacza wspólnego źródła z pojedynczym tranzystorem MOSFET
Aby stworzyć prosty wzmacniacz ze wspólnym źródłem wykorzystujący pojedynczy N-kanałowy tranzystor MOSFET, ważne jest osiągnięcie warunku polaryzacji DC. W tym celu skonstruowano ogólny dzielnik napięcia przy użyciu dwóch prostych rezystorów: R1 i R2. Wymagane są również dwa dodatkowe rezystory jako rezystor drenujący i rezystor źródłowy.
Aby określić wartość, potrzebujemy obliczeń krok po kroku.
Tranzystor MOSFET ma wysoką impedancję wejściową, więc w stanie roboczym nie ma przepływu prądu w zacisku bramki.
Teraz, jeśli spojrzymy do urządzenia, zobaczymy, że są trzy rezystory powiązane z VDD (bez rezystorów polaryzujących). Trzy rezystory to Rd, wewnętrzna rezystancja MOSFET i Rs. Tak więc, jeśli zastosujemy prawo napięcia Kirchoffa, wtedy napięcia na tych trzech rezystorach są równe VDD.
Teraz zgodnie z prawem Ohm, jeśli pomnożyć prąd z rezystora otrzymamy napięcie jako V = I x R. Więc tutaj obecny jest pobór prądu albo ja D. Zatem napięcie na Rd wynosi V = I D x Rd, to samo dotyczy Rs, ponieważ prąd jest taki sam I D, więc napięcie na Rs wynosi Vs = I D x Rs. W przypadku tranzystora MOSFET napięcie to V DS lub napięcie drenu do źródła.
Teraz, zgodnie z KVL, 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
Możemy to dalej ocenić jako
Rd = (V DD - V DS / I D) - R S Rs można obliczyć jako Rs = V S / I D
Pozostałe dwa wartości rezystorów można określić wzorem V G = V DD (R2 / R1 + R2)
Jeśli nie masz wartości, możesz ją uzyskać ze wzoru V G = V GS + V S
Na szczęście maksymalne wartości można znaleźć w arkuszu danych MOSFET. Na podstawie specyfikacji możemy zbudować obwód.
Dwa kondensatory sprzęgające służą do kompensacji częstotliwości odcięcia i blokowania prądu stałego przychodzącego z wejścia lub docierającego do wyjścia końcowego. Możemy po prostu uzyskać wartości, znajdując równoważną rezystancję dzielnika polaryzacji prądu stałego, a następnie wybierając żądaną częstotliwość odcięcia. Formuła będzie
C = 1 / 2πf Wymaganie
W przypadku projektu wzmacniacza dużej mocy wcześniej budowaliśmy wzmacniacz mocy o mocy 50 W przy użyciu dwóch tranzystorów MOSFET w konfiguracji Push-pull, kliknij łącze do praktycznego zastosowania.