- סוגי MOSFETs
- מאפיינים ועקומות של MOSFET
- הטיה DC של MOSFET והגברה מקור משותף
- בניית מגבר מקור משותף בסיסי עם MOSFET יחיד
MOSFET הוא בעצם טרנזיסטור המשתמש באפקט שדה. MOSFET מייצג טרנזיסטור אפקט שדה תחמוצת מתכת, שיש לו שער. מתח השער קובע את מוליכות המכשיר. בהתאם למתח השער הזה אנו יכולים לשנות את המוליכות וכך נוכל להשתמש בו כמתג או כמגבר כמו שאנחנו משתמשים בטרנזיסטור כמתג או כמגבר.
טרנזיסטור צומת דו קוטבי או BJT כולל בסיס, פולט וקולט, ואילו ל- MOSFET יש חיבור שער, ניקוז ומקור. מלבד תצורת הסיכה, BJT זקוק לזרם להפעלה ו- MOSFET זקוק למתח.
MOSFET מספק עכבת קלט גבוהה מאוד וקל מאוד להטות אותו. לכן, עבור מגבר קטן ליניארי, MOSFET הוא בחירה מצוינת. ההגברה הליניארית מתרחשת כאשר אנו משיטים את ה- MOSFET באזור הרוויה המהווה נקודת Q קבועה במרכז.
בתמונה למטה מוצג קונסטרוקציה פנימית בסיסית של MOSFET בערוץ N. ל- MOSFET שלושה חיבורים ניקוז, שער ומקור. אין קשר ישיר בין השער לערוץ. אלקטרודת השער מבודדת חשמלית ומסיבה זו מכונה לעיתים IGFET או טרנזיסטור אפקט שדה שער מבודד.
הנה התמונה של MOSFET IRF530N הפופולרי ביותר.
סוגי MOSFETs
בהתבסס על מצבי ההפעלה, ישנם שני סוגים שונים של MOSFET. לשני הסוגים הללו יש גם שני תת-סוגים
- סוג דלדול MOSFET או MOSFET עם מצב דלדול
- ערוץ N MOSFET או NMOS
- MOSFET או PMOS בערוץ P
- סוג שיפור MOSFET או MOSFET עם מצב שיפור
- ערוץ N MOSFET או NMOS
- MOSFET או PMOS בערוץ P
סוג דלדול MOSFET
סוג הדלדול של MOSFET פועל בדרך כלל במתח שער אפס למקור. אם ה- MOSFET הוא MOSFET מסוג ערוץ N, אז יהיה מתח סף כלשהו, הדרוש בכדי לכבות את המכשיר. לדוגמא, MOSFET דלדול בערוץ N עם מתח סף של -3 וולט או -5 וולט, יש למשוך את השער של ה- MOSFET לשלילי -3 וולט או -5 וולט כדי לכבות את המכשיר. מתח סף זה יהיה שלילי עבור ערוץ N, וחיובי במקרה של ערוץ P. סוג זה של MOSFET משמש בדרך כלל במעגלים לוגיים.
סוג שיפור MOSFET
בסוג Enhancement של MOSFET, המכשיר נשאר כבוי באפס מתח שער. כדי להפעיל את MOSFET, עלינו לספק מתח מינימלי של שער למקור (מתח סף Vgs). עם זאת, זרם הניקוז אמין מאוד במתח שער למקור זה, אם ה- Vgs מוגבר, גם זרם הניקוז גדל באותו אופן. MOSFET מסוג שיפור הם אידיאליים לבניית מעגל מגבר. כמו כן, בדומה לדלדול MOSFET, יש לו גם תת-סוגים NMOS ו- PMOS.
מאפיינים ועקומות של MOSFET
על ידי אספקת המתח היציב לאורך הניקוז למקור אנו יכולים להבין את עקומת ה- IV של MOSFET. כאמור לעיל, זרם הניקוז אמין מאוד ב- Vgs, השער למתח המקור. אם אנו משתנים את ה- Vgs, גם זרם הניקוז ישתנה.
בואו נראה את עקומת ה- IV של MOSFET.
בתמונה שלעיל אנו יכולים לראות את שיפוע ה- IV של MOSFET בערוץ N, זרם הניקוז הוא 0 כאשר מתח ה- Vgs נמצא מתחת למתח הסף, בזמן זה ה- MOSFET נמצא במצב הניתוק. לאחר מכן כאשר מתח שער למקור מתחיל לעלות, גם זרם הניקוז גדל.
בואו נראה דוגמה מעשית של עקומת IV של IRF530 MOSFET,
העקומה המראה שכאשר ה- Vgs הוא 4.5V, זרם הניקוז המרבי של IRF530 הוא 1A ב- 25 מעלות צלזיוס. אך כאשר אנו מגדילים את ה- Vgs ל- 5V, זרם הניקוז הוא כמעט 2A, ולבסוף ב- 6V Vgs, הוא יכול לספק 10A של זרם ניקוז.
הטיה DC של MOSFET והגברה מקור משותף
ובכן, עכשיו הגיע הזמן להשתמש ב- MOSFET כמגבר לינארי. זו לא עבודה קשה אם נקבע כיצד להטות את ה- MOSFET ולהשתמש בו באזור פעולה מושלם.
MOSFET עובד בשלושה מצבי פעולה: אומי, רוויה ונקודת צביטה. אזור הרוויה נקרא גם אזור לינארי. כאן אנו מפעילים את MOSFET באזור הרוויה, הוא מספק נקודת Q מושלמת.
אם אנו מספקים אות קטן (משתנה בזמן) ונחיל את הטיה DC בשער או קלט, אז במצב הנכון MOSFET מספק הגברה לינארית.
בתמונה לעיל, מוחל על שער ה- MOSFET אות סינוסי קטן (V gs), וכתוצאה מכך תנודה של זרם הניקוז הסינכרוני לקלט הסינוסי. עבור האות הקטן V gs, אנו יכולים לצייר קו ישר מנקודת Q עם שיפוע של g m = dI d / dVgs.
את המדרון ניתן לראות בתמונה לעיל. זהו שיפוע ההולכות. זהו פרמטר חשוב לגורם ההגברה. בשלב זה משרעת זרם הניקוז היא
ߡ Id = gm x ߡ Vgs
עכשיו, אם נתבונן סכמטי שניתנה לעיל, ה- R נגד הבריחה ד יכול לשלוט בזרם לטמיון וכן מתח הבריחה באמצעות המשוואה
Vds = Vdd - I d x Rd (כמו V = I x R)
אות הפלט של AC יהיה ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g m x ߡ Vgs x Rd
עכשיו לפי המשוואות, הרווח יהיה
רווח מתח מוגבר = -g m x Rd
לכן, הרווח הכללי של מגבר MOSFET אמין מאוד במוליכות הטרנסיסטית ובנגד הניקוז.
בניית מגבר מקור משותף בסיסי עם MOSFET יחיד
כדי ליצור מגבר מקור נפוץ פשוט המשתמש ב- MOSFET יחיד בערוץ N, הדבר החשוב הוא להשיג מצב הטיה של DC. כדי לשרת את המטרה, מחלק מתח גנרי בנוי באמצעות שני נגדים פשוטים: R1 ו- R2. שני נגדים נוספים נדרשים גם כנגד ניקוז וכנגד מקור.
כדי לקבוע את הערך אנו זקוקים לחישוב שלב אחר שלב.
MOSFET מסופק עם עכבת כניסה גבוהה, ולכן במצב הפעלה, אין זרימת זרם במסוף השער.
כעת, אם נסתכל על המכשיר, נגלה שיש שלושה נגדים הקשורים ל- VDD (ללא הנגדים המוטים). שלושת הנגדים הם Rd, ההתנגדות הפנימית של MOSFET ו- Rs. לכן, אם אנו מיישמים את חוק המתח של קירשוף, המתחים על פני שלושת הנגדים האלה שווים ל- VDD.
עכשיו לפי חוק אוהם, אם נכפיל את הזרם עם נגד נקבל מתח כמו V = אני x ר אז, כאן הנוכחי הוא מסננים נוכחיים או שאני ד. לפיכך, המתח על פני Rd הוא V = I D x Rd, אותו הדבר חל על Rs שכן הזרם הוא אותו I D, כך שהמתח על פני Rs הוא Vs = I D x Rs. עבור ה- MOSFET, המתח הוא V DS או מתח ניקוז למקור.
עכשיו לפי 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
אנו יכולים להעריך את זה כ-
Rd = (V DD - V DS / I D) - R S Rs יכול להיות מחושב כמו Rs = V S / I D
ניתן לקבוע שני ערכי נגדים אחרים על ידי הנוסחה V G = V DD (R2 / R1 + R2)
אם אין לך את הערך, אתה יכול לקבל אותו מהנוסחה V G = V GS + V S
למרבה המזל, ערכים מרביים יכולים להיות זמינים מגליון הנתונים של MOSFET. על פי המפרט נוכל לבנות את המעגל.
שני קבלים צימוד משמשים לפיצוי תדרי הניתוק ולחסימת ה- DC המגיע מהכניסה או להגיע לפלט הסופי. אנו יכולים פשוט להשיג את הערכים על ידי מציאת ההתנגדות המקבילה של מחלק הטיה DC ואז בחירת תדר הניתוק הרצוי. הנוסחה תהיה
C = 1 / 2πf דרישה
לתכנון מגברים בעלי הספק גבוה, בעבר בנינו מגבר הספק של 50 וואט באמצעות שני MOSFET כתצורת Push-pull, עקוב אחר הקישור ליישום מעשי.