Τι είναι το mosfet: η κατασκευή, οι τύποι και η λειτουργία του

Το MOSFET είναι βασικά ένα τρανζίστορ που χρησιμοποιεί εφέ πεδίου. Το MOSFET σημαίνει το Metal Oxide Field Effect Transistor, το οποίο διαθέτει πύλη Η τάση πύλης καθορίζει την αγωγιμότητα της συσκευής. Ανάλογα με αυτήν την τάση πύλης, μπορούμε να αλλάξουμε την αγωγιμότητα και έτσι μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε ως διακόπτη ή ως ενισχυτής όπως χρησιμοποιούμε το Transistor ως διακόπτη ή ως ενισχυτή.

Το διπολικό τρανζίστορ διακλάδωσης ή το BJT έχει βάση, πομπό και συλλέκτη, ενώ ένα MOSFET έχει σύνδεση πύλης, αποστράγγισης και πηγής. Εκτός από τη διαμόρφωση ακίδων, το BJT χρειάζεται ρεύμα για λειτουργία και το MOSFET χρειάζεται τάση.

Το MOSFET παρέχει πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου και είναι πολύ εύκολο να προκαταλάβει. Έτσι, για έναν γραμμικό μικρό ενισχυτή, το MOSFET είναι μια εξαιρετική επιλογή. Η γραμμική ενίσχυση λαμβάνει χώρα όταν προκαλούμε προκατάληψη του MOSFET στην περιοχή κορεσμού που είναι κεντρικά σταθερό σημείο Q.

Στην παρακάτω εικόνα, εμφανίζεται μια βασική εσωτερική κατασκευή N-channel MOSFETs. Το MOSFET έχει τρεις συνδέσεις Drain, Gate και Source. Δεν υπάρχει άμεση σύνδεση μεταξύ της πύλης και του καναλιού. Το ηλεκτρόδιο πύλης είναι ηλεκτρικά μονωμένο και για αυτόν τον λόγο, μερικές φορές αναφέρεται ως IGFET ή Insulated Gate Field Effect Transistor.

Εδώ είναι η εικόνα του ευρέως δημοφιλούς MOSFET IRF530N.

Τύποι MOSFET

Με βάση τους τρόπους λειτουργίας, υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι MOSFET. Αυτοί οι δύο τύποι έχουν επιπλέον δύο υποτύπους

1. Τύπος εξάντλησης MOSFET ή MOSFET με λειτουργία εξάντλησης

• N-Channel MOSFET ή NMOS
• P-Channel MOSFET ή PMOS

1. Τύπος βελτίωσης MOSFET ή το MOSFET με λειτουργία βελτίωσης

• N-Channel MOSFET ή NMOS
• P-Channel MOSFET ή PMOS

Τύπος εξάντλησης MOSFET

Ο τύπος εξάντλησης του MOSFET είναι κανονικά ΟΝ σε μηδενική τάση Πύλης προς Πηγή Εάν το MOSFET είναι MOSFET τύπου N-Channel Depletion, τότε θα υπάρχει κάποια τάση κατωφλίου, η οποία απαιτείται για να απενεργοποιηθεί η συσκευή. Για παράδειγμα, ένα N-Channel Depletion MOSFET με κατώφλι τάσης -3V ή -5V, η πύλη του MOSFET πρέπει να τραβηχτεί αρνητικά -3V ή -5V για να απενεργοποιηθεί η συσκευή. Αυτή η τάση κατωφλίου θα είναι αρνητική για το κανάλι Ν και θετική στην περίπτωση του καναλιού P. Αυτός ο τύπος MOSFET χρησιμοποιείται γενικά σε λογικά κυκλώματα.

Τύπος βελτίωσης MOSFET

Στον τύπο ενίσχυσης των MOSFET, η συσκευή παραμένει απενεργοποιημένη σε μηδενική τάση πύλης. Για να ενεργοποιήσετε το MOSFET, πρέπει να παρέχουμε μια ελάχιστη τάση Πύλης προς Πηγή (Vgs Threshold voltage). Όμως, το ρεύμα αποστράγγισης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από αυτήν την τάση πύλης προς πηγή, εάν αυξηθεί το Vgs, το ρεύμα αποστράγγισης αυξάνεται επίσης με τον ίδιο τρόπο. Οι βελτιωτικοί τύποι MOSFET είναι ιδανικοί για την κατασκευή ενός κυκλώματος ενισχυτή. Επίσης, όπως το MOSFET εξάντλησης, έχει επίσης τους υποτύπους NMOS και PMOS.

Χαρακτηριστικά και καμπύλες του MOSFET

Παρέχοντας τη σταθερή τάση διαρροής στην πηγή, μπορούμε να κατανοήσουμε την καμπύλη IV ενός MOSFET. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το ρεύμα αποστράγγισης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τάση Vgs, από πύλη προς πηγή. Εάν αλλάξουμε τις Vgs, το ρεύμα αποστράγγισης θα διαφέρει επίσης.

Ας δούμε την καμπύλη IV ενός MOSFET.

Στην παραπάνω εικόνα, μπορούμε να δούμε την κλίση IV ενός N-Channel MOSFET, το ρεύμα αποστράγγισης είναι 0 όταν η τάση Vgs είναι κάτω από την τάση κατωφλίου, κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου το MOSFET βρίσκεται σε κατάσταση διακοπής. Μετά από αυτό, όταν η τάση πύλης προς πηγή αρχίζει να αυξάνεται, αυξάνεται επίσης το ρεύμα αποστράγγισης.

Ας δούμε ένα πρακτικό παράδειγμα της καμπύλης IV του IRF530 MOSFET,

Η καμπύλη που δείχνει ότι όταν τα Vgs είναι 4,5V, το μέγιστο ρεύμα αποστράγγισης του IRF530 είναι 1A στους 25 βαθμούς C. Αλλά όταν αυξάνουμε τις Vgs στα 5V, το ρεύμα αποστράγγισης είναι σχεδόν 2A και τέλος στα 6V Vgs, μπορεί να παρέχει 10A του ρεύματος αποστράγγισης.

DC πόλωση του MOSFET και της κοινής πηγής ενίσχυσης

Λοιπόν, τώρα είναι η ώρα να χρησιμοποιήσετε ένα MOSFET ως γραμμικό ενισχυτή. Δεν είναι δύσκολη δουλειά εάν αποφασίσουμε πώς να προκαταλάβουμε το MOSFET και να το χρησιμοποιήσουμε σε μια τέλεια περιοχή λειτουργίας.

Το MOSFET λειτουργεί σε τρεις τρόπους λειτουργίας: Ohmic, Saturation και Pinch off point. Η περιοχή κορεσμού ονομάζεται επίσης Γραμμική Περιοχή. Εδώ λειτουργούμε το MOSFET στην περιοχή κορεσμού, παρέχει τέλειο σημείο Q.

Εάν παρέχουμε ένα μικρό σήμα (διακύμανση του χρόνου) και εφαρμόσουμε την τάση DC στην πύλη ή την είσοδο, τότε κάτω από τη σωστή κατάσταση, το MOSFET παρέχει γραμμική ενίσχυση.

Στην παραπάνω εικόνα, ένα μικρό ημιτονοειδές σήμα (_Vgs) εφαρμόζεται στην πύλη MOSFET, με αποτέλεσμα τη διακύμανση του ρεύματος αποστράγγισης συγχρονισμένο με την εφαρμοζόμενη ημιτονοειδή είσοδο. Για το μικρό σήμα V _gs, μπορούμε να σχεδιάσουμε μια ευθεία γραμμή από το σημείο Q που έχει κλίση g _m = dI _d / dVgs.

Η κλίση φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Αυτή είναι η κλίση αγωγιμότητας. Είναι μια σημαντική παράμετρος για τον παράγοντα ενίσχυσης. Σε αυτό το σημείο είναι το πλάτος του ρεύματος αποστράγγισης

ߡ Id = gm x ߡ Vgs

Τώρα, αν κοιτάξουμε το σχηματικό σχήμα που δίνεται παραπάνω, η αντίσταση αποστράγγισης R _d μπορεί να ελέγξει το ρεύμα αποστράγγισης καθώς και την τάση αποστράγγισης χρησιμοποιώντας την εξίσωση

Vds = Vdd - I _d x Rd (ως V = I x R)

Το σήμα εξόδου AC θα είναι ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

Τώρα από τις εξισώσεις, το κέρδος θα είναι

Ενισχυμένη τάση κέρδους = -g _m x Rd

Έτσι, το συνολικό κέρδος του ενισχυτή MOSFET εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αγωγιμότητα και την αντίσταση αποστράγγισης.

Βασική κατασκευή ενισχυτή κοινής πηγής με ένα μόνο MOSFET

Για να δημιουργήσετε έναν απλό κοινό ενισχυτή πηγής χρησιμοποιώντας ένα κανάλι N MOSFET, το σημαντικό είναι να επιτύχετε την κατάσταση πόλωσης DC. Για την εξυπηρέτηση του σκοπού, κατασκευάζεται ένας γενικός διαχωριστής τάσης χρησιμοποιώντας δύο απλές αντιστάσεις: R1 και R2. Απαιτούνται επίσης δύο επιπλέον αντιστάσεις ως αντίσταση αποστράγγισης και αντίσταση πηγής.

Για να προσδιορίσουμε την τιμή χρειαζόμαστε βήμα προς βήμα υπολογισμό.

Ένα MOSFET διαθέτει υψηλή αντίσταση εισόδου, επομένως σε κατάσταση λειτουργίας, δεν υπάρχει ροή ρεύματος στο τερματικό πύλης.

Τώρα, αν κοιτάξουμε τη συσκευή, θα διαπιστώσουμε ότι υπάρχουν τρεις αντιστάσεις που σχετίζονται με το VDD (Χωρίς τις αντιστάσεις πόλωσης). Οι τρεις αντιστάσεις είναι Rd, εσωτερική αντίσταση του MOSFET και Rs. Έτσι, εάν εφαρμόσουμε τον νόμο περί τάσης του Kirchoff, τότε οι τάσεις στις τρεις αυτές αντιστάσεις είναι ίσες με το VDD.

Τώρα, σύμφωνα με τον νόμο Ω, αν πολλαπλασιάσουμε το σημερινό με την αντίσταση θα έχουμε την τάση ως V = I x R. Έτσι, εδώ το ρεύμα είναι Στραγγίστε τρέχουσες ή Ι _Δ. Έτσι, η τάση σε Rd είναι V = I _D x Rd, το ίδιο ισχύει για το Rs, καθώς το ρεύμα είναι το ίδιο I _D, έτσι η τάση σε Rs είναι Vs = I _D x Rs. Για το MOSFET, η τάση είναι V _DS ή τάση αποστράγγισης προς πηγή.

Τώρα σύμφωνα με το 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 _Δ

Μπορούμε να το αξιολογήσουμε περαιτέρω ως

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S Rs μπορεί να υπολογιστεί ως Rs = V _S / I _D

Άλλες δύο τιμές αντιστάσεων μπορούν να προσδιοριστούν από τον τύπο V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

Εάν δεν έχετε την τιμή, μπορείτε να τη λάβετε από τον τύπο V _G = V _GS + V _S

Ευτυχώς, οι μέγιστες τιμές μπορούν να είναι διαθέσιμες από το φύλλο δεδομένων MOSFET. Με βάση τις προδιαγραφές μπορούμε να χτίσουμε το κύκλωμα.

Δύο πυκνωτές ζεύξης χρησιμοποιούνται για την αντιστάθμιση των συχνοτήτων διακοπής και για τον αποκλεισμό του DC που προέρχεται από την είσοδο ή φτάνοντας στην τελική έξοδο. Μπορούμε απλώς να πάρουμε τις τιμές ανακαλύπτοντας την ισοδύναμη αντίσταση του διαχωριστή μεροληψίας DC και μετά επιλέγοντας την επιθυμητή συχνότητα αποκοπής. Ο τύπος θα είναι

C = 1 / 2πf Απαίτηση

Για σχεδιασμό ενισχυτή υψηλής ισχύος, προηγουμένως δημιουργήσαμε έναν ενισχυτή ισχύος 50 Watt χρησιμοποιώντας το Two MOSFET ως διαμόρφωση Push-pull, ακολουθήστε τον σύνδεσμο για πρακτική εφαρμογή.