Hvad er mosfet: dets konstruktion, typer og arbejde

MOSFET er dybest set en transistor, der bruger felteffekt. MOSFET står for Metal Oxide Field Effect Transistor, som har en port. Portens spænding bestemmer enhedens ledningsevne. Afhængig af denne gate spænding kan vi ændre ledningsevnen, og dermed kan vi bruge den som en switch eller som en forstærker som vi bruger Transistor som en switch eller som en forstærker.

Bipolar Junction Transistor eller BJT har base, emitter og collector, hvorimod en MOSFET har gate-, drain- og source-forbindelse. Bortset fra pin-konfigurationen har BJT brug for strøm til drift, og MOSFET har brug for spænding.

MOSFET giver meget høj inputimpedans, og det er meget let at forspænde. Så for en lineær lille forstærker er MOSFET et fremragende valg. Den lineære forstærkning opstår, når vi forspænder MOSFET i mætningsområdet, som er et centralt fast Q-punkt.

I nedenstående billede vises en grundlæggende N-kanal MOSFETs intern konstruktion. MOSFET har tre forbindelser Drain, Gate og Source. Der er ingen direkte forbindelse mellem porten og kanalen. Portelektroden er elektrisk isoleret, og af denne grund kaldes den undertiden IGFET eller Isoleret Gate Field Effect Transistor.

Her er billedet af den meget populære MOSFET IRF530N.

Typer af MOSFET'er

Baseret på driftsformerne er der to forskellige typer MOSFET'er tilgængelige. Disse to typer har yderligere to undertyper

1. Udtømningstype MOSFET eller MOSFET med udtømningstilstand

• N-kanal MOSFET eller NMOS
• P-kanal MOSFET eller PMOS

1. Forbedringstype MOSFET eller MOSFET med Enhancement-tilstand

• N-kanal MOSFET eller NMOS
• P-kanal MOSFET eller PMOS

Udtømningstype MOSFET

Udtømningstype af MOSFET er normalt ON ved nul Gate til Source-spænding. Hvis MOSFET er N-Channel Depletion-type MOSFET, vil der være nogle tærskelspændinger, som er nødvendige for at få enheden til at slukke. For eksempel skal en N-Channel Depletion MOSFET med en tærskelspænding på -3V eller -5V, porten til MOSFET trækkes negativ -3V eller -5V for at slukke for enheden. Denne tærskelspænding vil være negativ for N-kanalen og positiv i tilfælde af P-kanal. Denne type MOSFET bruges generelt i logiske kredsløb.

Forbedringstype MOSFET

I Enhancement-typen af ​​MOSFET'er forbliver enheden OFF ved nul gate-spænding. For at tænde MOSFET skal vi give et minimum Gate to Source spænding (Vgs Threshold voltage). Men afløbsstrømmen er meget pålidelig på denne gate-til-kildespænding, hvis Vgs øges, øges afløbsstrømmen også på samme måde. Forbedringstype MOSFET'er er ideelle til at konstruere et forstærkerkredsløb. På samme måde som udtømning af MOSFET har den også NMOS- og PMOS-undertyper.

Karakteristika og kurver for MOSFET

Ved at levere den stabile spænding over afløb til kilde kan vi forstå IV-kurven for en MOSFET. Som nævnt ovenfor er afløbsstrømmen meget pålidelig på Vgs, gate til kildespænding. Hvis vi varierer Vgs, vil afløbsstrømmen også variere.

Lad os se IV-kurven for en MOSFET.

I ovenstående billede kan vi se IV-hældningen af ​​en N-kanal MOSFET, afløbsstrømmen er 0, når Vgs-spændingen er under tærskelspændingen, i løbet af denne tid er MOSFET i afskæringstilstand. Derefter, når gate-til-kildespænding begynder at stige, øges afløbsstrømmen.

Lad os se et praktisk eksempel på IRF530 MOSFETs IV-kurve,

Kurven, der viser, at når Vgs er 4,5V, er den maksimale afløbsstrøm for IRF530 1A ved 25 grader C. Men når vi øger Vgs til 5V, er afløbsstrømmen næsten 2A, og endelig ved 6V Vgs, kan den give 10A af afløbsstrøm.

DC-forspænding af MOSFET og Common-Source Amplification

Nå, nu er det tid til at bruge en MOSFET som en lineær forstærker. Det er ikke et hårdt job, hvis vi bestemmer, hvordan vi kan forspænde MOSFET og bruge den i et perfekt funktionsområde.

MOSFET fungerer i tre driftsformer: ohmisk, mætning og pinch off point. Mætningsområdet kaldes også Linear Region. Her betjener vi MOSFET i mætningsregion, det giver perfekt Q-punkt.

Hvis vi leverer et lille signal (tidsvarierende) og anvender DC-bias ved gate eller input, så giver MOSFET under den rigtige situation lineær forstærkning.

I ovenstående billede påføres et lille sinusformet signal (_Vgs) til MOSFET-porten, hvilket resulterer i en udsving i afløbsstrømmen synkron med den anvendte sinusformede indgang. For det lille signal _Vgs kan vi tegne en lige linje fra Q-punktet, der har en hældning på g _m = dI _d / dVgs.

Hældningen kan ses på ovenstående billede. Dette er transkonduktanshældningen. Det er en vigtig parameter for forstærkningsfaktoren. På dette tidspunkt er afløbsstrømamplituden

ߡ Id = gm x ߡ Vgs

Nu, hvis vi ser på den skematiske givet ovenfor, afløbet modstanden R _d kan styre drain nuværende såvel som drain spænding ved anvendelse af ligningen

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

AC-udgangssignal vil være ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

Nu ved ligningerne vil gevinsten være

Forstærket spændingsforstærkning = -g _m x Rd

Så den samlede gevinst for MOSFET forstærkeren er meget pålidelig på transkonduktansen og afløbsmodstanden.

Grundlæggende Common Source-forstærkerkonstruktion med enkelt MOSFET

For at lave en simpel fælles kilde forstærker ved hjælp af N-kanal enkelt MOSFET, er det vigtige at opnå DC-forspændingstilstand. For at tjene formålet konstrueres en generisk spændingsdeler ved hjælp af to enkle modstande: R1 og R2. Der kræves yderligere to modstande som afløbsmodstand og kilemodstand.

For at bestemme værdien har vi brug for trin for trin beregning.

En MOSFET er forsynet med høj indgangsimpedans, og i driftstilstand er der derfor ingen strømflow i portterminalen.

Hvis vi ser på enheden, finder vi ud af, at der er tre modstande forbundet med VDD (uden de forspændte modstande). De tre modstande er Rd, MOSFETs interne modstand og Rs. Så hvis vi anvender Kirchoffs spændingslov, så er spændingerne over disse tre modstande lig med VDD.

Nu som pr Ohms lov, hvis vi formere strømmen med modstanden vi får spænding som V = I x R. Så her er strømmen Dræn aktuel eller jeg _D. Således er spændingen over Rd V = I _D x Rd, det samme gælder for R'erne, da strømmen er den samme I _D, så spændingen over Rs er Vs = I _D x Rs. For MOSFET er spændingen V _DS eller Drain-to-source spænding.

Nu ifølge 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

Vi kan yderligere evaluere det som

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S Rs kan beregnes som Rs = V _S / I _D

Andre to modstandsværdier kan bestemmes med formlen V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

Hvis du ikke har værdien, kan du hente den fra formlen V _G = V _GS + V _S

Heldigvis kan maksimale værdier være tilgængelige fra MOSFET-databladet. Baseret på specifikationen kan vi bygge kredsløbet.

To koblingskondensatorer bruges til at kompensere afskæringsfrekvenserne og til at blokere jævnstrømmen, der kommer fra indgangen eller kommer til det endelige output. Vi kan simpelthen få værdierne ved at finde ud af den tilsvarende modstand af DC-skævdeleren og derefter vælge den ønskede afskæringsfrekvens. Formlen vil være

C = 1 / 2πf Krav

Til design af højeffektforstærker har vi tidligere bygget en effektforstærker på 50 watt ved hjælp af to MOSFET som Push-pull-konfiguration. Følg linket til praktisk anvendelse.