Co je mosfet: jeho konstrukce, typy a fungování

MOSFET je v podstatě tranzistor, který využívá efekt pole. MOSFET znamená tranzistor tranzistoru pole s oxidem kovu, který má hradlo. Napětí hradla určuje vodivost zařízení. V závislosti na tomto hradlovém napětí můžeme měnit vodivost, a tedy ji můžeme použít jako spínač nebo jako zesilovač, jako bychom použili Transistor jako spínač nebo jako zesilovač.

Bipolární spojovací tranzistor nebo BJT má základnu, emitor a kolektor, zatímco MOSFET má připojení brány, odtoku a zdroje. Kromě konfigurace kolíků potřebuje BJT pro provoz proud a MOSFET potřebuje napětí.

MOSFET poskytuje velmi vysokou vstupní impedanci a je velmi snadné jej zkreslit. Pro lineární malý zesilovač je tedy MOSFET vynikající volbou. Lineární zesílení nastane, když zkreslíme MOSFET v saturační oblasti, což je centrálně fixovaný Q bod.

Na následujícím obrázku je ukázána základní vnitřní konstrukce M-kanálu MOSFETů s N-kanály. MOSFET má tři připojení Drain, Gate a Source. Mezi bránou a kanálem není přímé spojení. Bránová elektroda je elektricky izolovaná a z tohoto důvodu se někdy označuje jako IGFET nebo izolovaný tranzistor s polním efektem brány.

Zde je obrázek velmi populární MOSFET IRF530N.

Typy MOSFETů

Na základě provozních režimů jsou k dispozici dva různé typy MOSFET. Tyto dva typy dále mají dva podtypy

1. Typ vyčerpání MOSFET nebo MOSFET s režimem vyčerpání

• N-kanálový MOSFET nebo NMOS
• P-kanál MOSFET nebo PMOS

1. Typ vylepšení MOSFET nebo MOSFET s režimem Vylepšení

• N-kanálový MOSFET nebo NMOS
• P-kanál MOSFET nebo PMOS

Typ vyčerpání MOSFET

Typ vyčerpání MOSFET je normálně zapnutý při nulovém napětí Gate to Source. Pokud je MOSFET MOSFET typu N-Channel Depletion, pak bude existovat určité prahové napětí, které je potřebné k vypnutí zařízení. Například MOSFET vyčerpání N-kanálu s prahovým napětím -3V nebo -5V, brána MOSFET musí být vytažena záporně -3V nebo -5V, aby se zařízení vyplo. Toto prahové napětí bude záporné pro N kanál a kladné v případě P kanálu. Tento typ MOSFET se obecně používá v logických obvodech.

Typ vylepšení MOSFET

U typu MOSFET typu Enhancement zůstává zařízení vypnuto při nulovém napětí brány. Chcete-li zapnout MOSFET, musíme poskytnout minimální napětí Gate to Source (Vgs Threshold voltage). Ale odtokový proud je vysoce spolehlivý na tomto napětí brána-zdroj, pokud se zvýší Vgs, odběrový proud se také zvýší stejným způsobem. MOSFET typu vylepšení jsou ideální pro konstrukci obvodu zesilovače. Podobně jako vyčerpání MOSFET má také podtypy NMOS a PMOS.

Charakteristiky a křivky MOSFET

Poskytnutím stabilního napětí napříč odtokem ke zdroji můžeme porozumět IV křivce MOSFET. Jak je uvedeno výše, odtokový proud je vysoce závislý na napětí Vgs, bráně ke zdroji. Pokud změníme Vgs, bude se měnit i odtokový proud.

Podívejme se na IV křivku MOSFETu.

Na výše uvedeném obrázku vidíme IV sklon N-kanálového MOSFETu, odtokový proud je 0, když je napětí Vgs pod prahovým napětím, během této doby je MOSFET v režimu cut-off. Poté, když se začne zvyšovat napětí brány ke zdroji, zvyšuje se také odtokový proud.

Podívejme se na praktický příklad IV křivky IRF530 MOSFET,

Křivka ukazující, že když je Vgs 4,5 V, maximální odtokový proud IRF530 je 1A při 25 stupních C. Ale když zvýšíme Vgs na 5V, odtokový proud je téměř 2A a nakonec při 6V Vgs může poskytnout 10A odtokového proudu.

DC předpětí MOSFET a zesílení společného zdroje

Nyní je čas použít MOSFET jako lineární zesilovač. Není to těžká práce, pokud určíme, jak zkreslit MOSFET a použít jej v dokonalé oblasti provozu.

MOSFET pracuje ve třech provozních režimech: Ohmic, Saturation a Pinch off point. Oblast nasycení se také nazývá lineární oblast. Zde provozujeme MOSFET v oblasti nasycení, poskytuje dokonalý Q-bod.

Pokud poskytneme malý signál (časově proměnný) a použijeme stejnosměrné zkreslení na bráně nebo vstupu, pak za správné situace MOSFET poskytuje lineární zesílení.

Na výše uvedeném obrázku je na bránu MOSFET aplikován malý sinusový signál (V _gs), což má za následek kolísání odtokového proudu synchronně s aplikovaným sinusovým vstupem. Pro malý signál V _gs můžeme nakreslit přímku z bodu Q, který má sklon g _m = dI _d / dVgs.

Sklon je vidět na obrázku výše. Toto je sklon transkonduktance. Je to důležitý parametr pro faktor zesílení. V tomto bodě je amplituda odtokového proudu

ߡ Id = gm x ߡ Vgs

Nyní, když se podíváme na výše uvedené schéma, může odtokový odpor R _d ovládat odtokový proud i odtokové napětí pomocí rovnice

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

AC výstupní signál bude ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

Nyní podle rovnic bude zisk

Zesílený zisk napětí = -g _m x Rd

Celkový zisk zesilovače MOSFET je tedy vysoce závislý na transkonduktanci a odtokovém odporu.

Základní konstrukce zesilovače společného zdroje s jediným MOSFET

Chcete-li vytvořit jednoduchý zesilovač se společným zdrojem pomocí jediného MOSFETu s N kanálem, je důležité dosáhnout podmínky stejnosměrného předpětí. K tomuto účelu je generický dělič napětí konstruován pomocí dvou jednoduchých rezistorů: R1 a R2. Jako vypouštěcí rezistor a zdrojový rezistor jsou rovněž zapotřebí další dva odpory.

K určení hodnoty potřebujeme postupný výpočet.

MOSFET je vybaven vysokou vstupní impedancí, takže v provozním stavu není v terminálu brány přítomen žádný proud.

Nyní, když se podíváme do zařízení, zjistíme, že s VDD jsou spojeny tři odpory (Bez předpěťových odporů). Tři odpory jsou Rd, vnitřní odpor MOSFETu a Rs. Pokud tedy použijeme Kirchoffův zákon napětí, napětí na těchto třech rezistorech se rovnají VDD.

Nyní podle zákona ohmů, pokud budeme násobit proudu s odporem dostaneme napětí as V = I x R. Takže, tady je proud vypouštěcí proud nebo I _D. Napětí napříč Rd je tedy V = I _D x Rd, to samé platí pro Rs, protože proud je stejný I _D, takže napětí na Rs je Vs = I _D x Rs. Pro MOSFET je napětí V _DS nebo napětí Drain-to-source.

Nyní podle 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

Můžeme to dále hodnotit jako

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S R lze vypočítat jako Rs = V _S / I _D

Hodnoty dalších dvou rezistorů lze určit podle vzorce V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

Pokud hodnotu nemáte, můžete ji získat ze vzorce V _G = V _GS + V _S

Naštěstí maximální hodnoty lze získat z datového listu MOSFET. Na základě specifikace můžeme sestavit obvod.

Dva vazební kondenzátory se používají ke kompenzaci mezních frekvencí a k blokování stejnosměrného proudu přicházejícího ze vstupu nebo na konečný výstup. Hodnoty můžeme jednoduše získat tak, že zjistíme ekvivalentní odpor děliče stejnosměrného zkreslení a poté vybereme požadovanou mezní frekvenci. Vzorec bude

C = požadavek 1 / 2πf

Pro návrh zesilovače s vysokým výkonem jsme dříve sestavili výkonový zesilovač 50 W pomocí dvou MOSFETů jako konfigurace Push-Pull, pro praktické použití postupujte podle odkazu.