- Arten von MOSFETs
- Eigenschaften und Kurven des MOSFET
- DC-Vorspannung von MOSFET und Common-Source-Verstärkung
- Grundlegender Aufbau eines Common Source-Verstärkers mit einem einzelnen MOSFET
MOSFET ist im Grunde ein Transistor, der Feldeffekt verwendet. MOSFET steht für Metal Oxide Field Effect Transistor, der ein Gate hat. Die Gate-Spannung bestimmt die Leitfähigkeit des Gerätes. Abhängig von dieser Gate-Spannung können wir die Leitfähigkeit ändern und sie somit als Schalter oder als Verstärker verwenden, wie wir den Transistor als Schalter oder als Verstärker verwenden.
Bipolar Junction Transistor oder BJT hat Basis, Emitter und Kollektor, während ein MOSFET eine Gate-, Drain- und Source-Verbindung hat. Abgesehen von der Pin-Konfiguration benötigt BJT Strom für den Betrieb und MOSFET benötigt Spannung.
Der MOSFET bietet eine sehr hohe Eingangsimpedanz und ist sehr leicht vorzuspannen. Für einen linearen kleinen Verstärker ist der MOSFET daher eine ausgezeichnete Wahl. Die lineare Verstärkung tritt auf, wenn wir den MOSFET in dem Sättigungsbereich vorspannen, der ein zentral fester Q-Punkt ist.
In der folgenden Abbildung ist ein grundlegender interner Aufbau von N-Kanal-MOSFETs dargestellt. Der MOSFET hat drei Verbindungen Drain, Gate und Source. Es besteht keine direkte Verbindung zwischen dem Gate und dem Kanal. Die Gateelektrode ist elektrisch isoliert und wird aus diesem Grund manchmal als IGFET oder Insulated Gate Field Effect Transistor bezeichnet.
Hier ist das Bild des weit verbreiteten MOSFET IRF530N.
Arten von MOSFETs
Abhängig von den Betriebsarten stehen zwei verschiedene Arten von MOSFETs zur Verfügung. Diese beiden Typen haben ferner zwei Untertypen
- Verarmungstyp MOSFET oder MOSFET mit Verarmungsmodus
- N-Kanal-MOSFET oder NMOS
- P-Kanal-MOSFET oder PMOS
- Erweiterungstyp MOSFET oder MOSFET mit Erweiterungsmodus
- N-Kanal-MOSFET oder NMOS
- P-Kanal-MOSFET oder PMOS
Verarmungstyp MOSFET
Der Verarmungstyp des MOSFET ist normalerweise bei einer Gate-Source-Spannung von Null eingeschaltet. Wenn der MOSFET ein N-Kanal-Verarmungs-MOSFET ist, gibt es einige Schwellenspannungen, die erforderlich sind, um das Gerät auszuschalten. Beispielsweise muss bei einem N-Kanal-Verarmungs-MOSFET mit einer Schwellenspannung von -3 V oder -5 V das Gate des MOSFET negativ -3 V oder -5 V gezogen werden, um die Vorrichtung auszuschalten. Diese Schwellenspannung ist für den N-Kanal negativ und für den P-Kanal positiv. Diese Art von MOSFET wird im Allgemeinen in Logikschaltungen verwendet.
Verbesserungstyp MOSFET
Bei MOSFETs vom Enhancement-Typ bleibt das Gerät bei einer Gate-Spannung von Null AUS. Um den MOSFET einzuschalten, müssen wir eine minimale Gate-Source-Spannung (Vgs-Schwellenspannung) bereitstellen. Der Drainstrom ist jedoch in hohem Maße von dieser Gate-Source-Spannung abhängig. Wenn die Vgs erhöht werden, steigt auch der Drainstrom auf die gleiche Weise an. MOSFETs vom Anreicherungstyp sind ideal zum Aufbau einer Verstärkerschaltung. Ähnlich wie der Verarmungs-MOSFET weist er auch die NMOS- und PMOS-Subtypen auf.
Eigenschaften und Kurven des MOSFET
Indem wir die stabile Spannung zwischen Drain und Source bereitstellen, können wir die IV-Kurve eines MOSFET verstehen. Wie oben angegeben, ist der Drainstrom in hohem Maße von der Spannung zwischen Gate und Source von Vgs abhängig. Wenn wir die Vgs variieren, variiert auch der Drain-Strom.
Sehen wir uns die IV-Kurve eines MOSFET an.
Im obigen Bild sehen wir die IV-Steigung eines N-Kanal-MOSFET. Der Drainstrom ist 0, wenn die Vgs-Spannung unter der Schwellenspannung liegt. Während dieser Zeit befindet sich der MOSFET im Abschaltmodus. Wenn danach die Gate-Source-Spannung ansteigt, steigt auch der Drainstrom an.
Sehen wir uns ein praktisches Beispiel für die IV-Kurve des IRF530-MOSFET an.
Die Kurve zeigt, dass bei einem Vgs von 4,5 V der maximale Drainstrom von IRF530 1 A bei 25 ° C beträgt. Wenn wir jedoch den Vgs auf 5 V erhöhen, beträgt der Drainstrom fast 2 A, und schließlich kann er bei 6 V Vgs 10 A liefern des Abflussstroms.
DC-Vorspannung von MOSFET und Common-Source-Verstärkung
Nun ist es an der Zeit, einen MOSFET als linearen Verstärker zu verwenden. Es ist keine schwierige Aufgabe, wenn wir bestimmen, wie der MOSFET vorgespannt und in einem perfekten Betriebsbereich verwendet werden soll.
Der MOSFET arbeitet in drei Betriebsarten: Ohmsch, Sättigung und Pinch-Off-Punkt. Der Sättigungsbereich wird auch als linearer Bereich bezeichnet. Hier betreiben wir den MOSFET im Sättigungsbereich, er liefert einen perfekten Q-Punkt.
Wenn wir ein kleines Signal liefern (zeitlich variierend) und die Gleichstromvorspannung am Gate oder Eingang anlegen, liefert der MOSFET unter der richtigen Situation eine lineare Verstärkung.
In dem obigen Bild wird ein kleines sinusförmiges Signal (V gs) an das MOSFET-Gatter angelegt, was zu einer Schwankung des Drainstroms synchron zum angelegten sinusförmigen Eingang führt. Für das Kleinsignal V gs können wir eine gerade Linie vom Q-Punkt ziehen, die eine Steigung von g m = dI d / dVgs hat.
Die Steigung ist im obigen Bild zu sehen. Dies ist die Transkonduktanzsteigung. Es ist ein wichtiger Parameter für den Verstärkungsfaktor. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Drainstromamplitude
ߡ Id = gm x ߡ Vgs
Wenn wir uns nun das oben angegebene Schema ansehen, kann der Drain-Widerstand R d den Drain-Strom sowie die Drain-Spannung unter Verwendung der Gleichung steuern
Vds = Vdd - I d x Rd (als V = I x R)
Das Wechselstromausgangssignal ist ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g m x ߡ Vgs x Rd
Durch die Gleichungen wird nun die Verstärkung sein
Verstärkte Spannungsverstärkung = -g m x Rd
Die Gesamtverstärkung des MOSFET-Verstärkers hängt also stark von der Transkonduktanz und dem Drain-Widerstand ab.
Grundlegender Aufbau eines Common Source-Verstärkers mit einem einzelnen MOSFET
Um einen einfachen Verstärker mit gemeinsamer Quelle unter Verwendung eines N-Kanal-Einzel-MOSFET herzustellen, ist es wichtig, eine Gleichstromvorspannungsbedingung zu erreichen. Zu diesem Zweck wird ein generischer Spannungsteiler mit zwei einfachen Widerständen aufgebaut: R1 und R2. Zwei weitere Widerstände sind ebenfalls als Drain-Widerstand und Source-Widerstand erforderlich.
Um den Wert zu bestimmen, müssen wir Schritt für Schritt rechnen.
Ein MOSFET ist mit einer hohen Eingangsimpedanz versehen, so dass im Betriebszustand kein Stromfluss im Gate-Anschluss vorhanden ist.
Wenn wir uns nun das Gerät ansehen, werden wir feststellen, dass VDD drei Widerstände zugeordnet sind (ohne die Vorspannungswiderstände). Die drei Widerstände sind Rd, der Innenwiderstand des MOSFET und Rs. Wenn wir also das Kirchoffsche Spannungsgesetz anwenden, sind die Spannungen an diesen drei Widerständen gleich dem VDD.
Jetzt nach dem Gesetz Ohm, wenn wir mehrfach den Strom mit dem Widerstand erhalten wir Spannung als V = I R. SOx, hier der Strom Drainstrom oder I D. Somit wird die Spannung über Rd ist V = I D RDx, Gleiches gilt für die Rs wie der Strom der gleiche ist I D, so wird die Spannung über Rs ist Vs = I D Rs x ist. Für den MOSFET ist die Spannung V DS oder Drain-Source-Spannung.
Nun laut 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
Wir können es weiter bewerten als
Rd = (V DD - V DS / I D) - R S Rs können berechnet werden als Rs = V S / I D.
Andere zwei Widerstandswerte können durch die Formel V G = V DD (R2 / R1 + R2) bestimmt werden.
Wenn Sie den Wert nicht haben, können Sie ihn aus der Formel V G = V GS + V S erhalten
Glücklicherweise können Maximalwerte aus dem MOSFET-Datenblatt verfügbar sein. Basierend auf der Spezifikation können wir die Schaltung bauen.
Zwei Koppelkondensatoren werden verwendet, um die Grenzfrequenzen zu kompensieren und den Gleichstrom zu blockieren, der vom Eingang kommt oder zum endgültigen Ausgang gelangt. Wir können die Werte einfach erhalten, indem wir den äquivalenten Widerstand des DC-Vorspannungsteilers herausfinden und dann die gewünschte Grenzfrequenz auswählen. Die Formel wird sein
C = 1 / 2πf Anforderung
Für das Design von Hochleistungsverstärkern haben wir zuvor einen Leistungsverstärker mit 50 Watt unter Verwendung von zwei MOSFETs als Push-Pull-Konfiguration gebaut. Folgen Sie dem Link für die praktische Anwendung.