Što je MOSFET: njegova konstrukcija, vrste i način rada

MOSFET je u osnovi tranzistor koji koristi efekt polja. MOSFET je skraćenica od Tranzistor s efektom metalnog oksida koji ima ulaz. Napon na vratima određuje vodljivost uređaja. Ovisno o ovom naponu na vratima možemo promijeniti vodljivost i tako ga možemo koristiti kao prekidač ili kao pojačalo kao što koristimo tranzistor kao prekidač ili kao pojačalo.

Bipolarni spojni tranzistor ili BJT ima bazu, emiter i kolektor, dok MOSFET ima priključak vrata, odvoda i izvora. Osim konfiguracije pina, BJT treba struju za rad, a MOSFET napon.

MOSFET pruža vrlo visoku ulaznu impedansu i vrlo je lako podložiti ga. Dakle, za linearno malo pojačalo MOSFET je izvrstan izbor. Linearno pojačanje događa se kada preusmjerimo MOSFET u području zasićenja koje je centralno fiksirana Q točka.

Na slici ispod prikazana je osnovna unutarnja konstrukcija MOSFET-ova N-kanala. MOSFET ima tri veze Drain, Gate i Source. Ne postoji izravna veza između ulaza i kanala. Elektroda vrata je električno izolirana i zbog toga se ponekad naziva IGFET ili izolirani tranzistor s efektom polja.

Evo slike široko popularnog MOSFET-a IRF530N.

Vrste MOSFET-ova

Na temelju načina rada dostupne su dvije različite vrste MOSFET-ova. Ova dva tipa nadalje imaju dva podtipa

1. Tip iscrpljenja MOSFET ili MOSFET s načinom iscrpljivanja

• N-kanalni MOSFET ili NMOS
• P-Channel MOSFET ili PMOS

1. Tip poboljšanja MOSFET ili MOSFET s načinom poboljšanja

• N-kanalni MOSFET ili NMOS
• P-Channel MOSFET ili PMOS

Tip iscrpljenja MOSFET

Tip iscrpljenosti MOSFET-a je normalno UKLJUČEN pri nultoj naponu od izvora do izvora. Ako je MOSFET MOSFET tipa N s osiromašenim kanalom, tada će postojati neki pragovi napona koji su potrebni da se uređaj isključi. Na primjer, MOSFET za iscrpljivanje N-kanala s pragom napona od -3V ili -5V, vrata MOSFET-a moraju se povući negativnih -3V ili -5V da bi se uređaj isključio. Ovaj prag napona bit će negativan za N kanal, a pozitivan u slučaju P kanala. Ova vrsta MOSFET-a obično se koristi u logičkim sklopovima.

Tip poboljšanja MOSFET

U MOSFET-ovima s poboljšanjem, uređaj ostaje ISKLJUČEN pri nultom naponu vrata. Da bismo uključili MOSFET, moramo osigurati minimalni napon od izvora do napona (Vgs prag napona). Ali, odvodna struja vrlo je pouzdana o ovom naponu od ulaza do izvora, ako se Vgs poveća, odvodna struja također se povećava na isti način. MOSFET-ovi tipa poboljšanja idealni su za konstrukciju kruga pojačala. Također, slično kao i MOSFET za osiromašenje, ima i podtipove NMOS i PMOS.

Karakteristike i krivulje MOSFET-a

Pružajući stabilni napon preko odvoda do izvora, možemo razumjeti IV krivulju MOSFET-a. Kao što je gore rečeno, odvodna struja je vrlo pouzdana na Vgs, napon od ulaza do izvora. Ako variramo Vgs, odvodna struja također će varirati.

Pogledajmo IV krivulju MOSFET-a.

Na gornjoj slici možemo vidjeti IV nagib N-kanalnog MOSFET-a, odvodna struja je 0 kad je Vgs napon ispod praga napona, a za to vrijeme MOSFET je u načinu prekida. Nakon toga, kada se napon od vrata do izvora počne povećavati, odvodna struja također se povećava.

Pogledajmo praktični primjer IV krivulje IRF530 MOSFET-a,

Krivulja koja pokazuje da je kada je Vgs 4,5 V, maksimalna odvodna struja IRF530 1A na 25 stupnjeva C. Ali kad Vgs povećamo na 5V, odvodna struja je gotovo 2A, i na kraju na 6V Vgs, može pružiti 10A odvodne struje.

DC pristranost MOSFET-a i pojačanje zajedničkog izvora

E, sad je vrijeme da se MOSFET koristi kao linearno pojačalo. Nije težak posao ako utvrdimo kako pristravati MOSFET i koristiti ga u savršenom području rada.

MOSFET-ovi rade u tri načina rada: ohmički, zasićenje i pinch off point. Regija zasićenja koja se naziva i Linearna regija. Ovdje upravljamo MOSFET-om u području zasićenja, on pruža savršenu Q-točku.

Ako pružimo mali signal (koji varira u vremenu) i primijenimo istosmjernu pristranost na ulazu ili ulazu, tada u ispravnoj situaciji MOSFET pruža linearno pojačanje.

Na gornjoj slici, mali se sinusoidni signal (V _gs) primjenjuje na MOSFET ulaz, što rezultira fluktuacijom odvodne struje sinkrono s primijenjenim sinusoidnim ulazom. Za mali signal V _gs, možemo povući ravnu crtu iz Q točke koja ima nagib od g _m = dI _d / dVgs.

Nagib se vidi na gornjoj slici. Ovo je nagib provodljivosti. Važan je parametar za faktor pojačanja. U ovom trenutku amplituda odvodne struje je

ߡ Id = gm x ߡ Vgs

Sada, ako pogledamo shemu datu gore, odvodni otpor R _d može kontrolirati odvodnu struju kao i odvodni napon pomoću jednadžbe

Vds = Vdd - I _d x Rd (kao V = I x R)

Izlazni signal izmjeničnog napona bit će ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

Sada prema jednadžbama dobit će biti

Pojačano pojačanje napona = -g _m x Rd

Dakle, ukupni dobitak MOSFET pojačala vrlo je pouzdan o transkonduktivnosti i odvodnom otporu.

Osnovna konstrukcija pojačala zajedničkog izvora s jednim MOSFET-om

Da bi se stvorilo jednostavno pojačalo s zajedničkim izvorom pomoću N-kanalnog jednostrukog MOSFET-a, važno je postići uvjet pristranosti DC. Kako bi poslužio u svrhu, generirani djelitelj napona konstruiran je pomoću dva jednostavna otpora: R1 i R2. Još dva otpornika su također potrebna kao odvodni otpornik i otpornik izvora.

Da bismo odredili vrijednost trebamo korak po korak izračuna.

MOSFET ima visoku ulaznu impedansu, tako da u radnom stanju nema protoka struje u priključku vrata.

Sada, ako pogledamo uređaj, ustanovit ćemo da postoje tri otpora povezana s VDD (bez otpornih otpora). Tri otpora su Rd, unutarnji otpor MOSFET-a i Rs. Dakle, ako primijenimo Kirchoffov zakon napona, tada su naponi na ta tri otpora jednaki VDD.

Sada po zakonu Ohma, ako pomnožimo tijeku s otpornika ćemo dobiti napon kao V = I x R. Dakle, ovdje je struja Ocijedite trenutni ili sam _D. Dakle, napon na Rd je V = I _D x Rd, isto vrijedi i za Rs jer je struja ista I _D, pa je napon na Rs Vs = I _D x Rs. Za MOSFET, napon je V _DS ili napon odvoda do izvora.

Sada prema KVL-u, 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

Možemo ga dalje procijeniti kao

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S Rs mogu se izračunati kao Rs = V _S / I _D

Vrijednosti druga dva otpora mogu se odrediti formulom V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

Ako nemate vrijednost, možete je dobiti iz formule V _G = V _GS + V _S

Srećom, maksimalne vrijednosti mogu biti dostupne iz MOSFET lista s podacima. Na temelju specifikacije možemo izgraditi sklop.

Dva spojna kondenzatora koriste se za kompenzaciju graničnih frekvencija i za blokiranje istosmjerne struje koja dolazi s ulaza ili dolazi do konačnog izlaza. Vrijednosti možemo jednostavno dobiti pronalaženjem ekvivalentnog otpora istosmjernog djelitelja pristranosti i odabirom željene granične frekvencije. Formula će biti

C = 1 / 2πf Zahtjev

Za dizajn pojačala velike snage prethodno smo izradili pojačalo snage 50 W, koristeći dva MOSFET-a kao Push-pull konfiguraciju, slijedite vezu za praktičnu primjenu.