MOSFET vahvistin
MOSFET-vahvistin perustuu Metal-Oxide-Semiconductor-tekniikkaan. Se on eräänlainen eristetty hilapohjainen kenttätransistori. Kenttätransistorit tarjoavat alhaisemman o/p-impedanssin ja suuremman i/p-impedanssin, kun niitä käytetään vahvistustoimintoihin.
MOSFET-vahvistimen piiri ja toiminta
MOSFET-vahvistimen piiri on annettu alla. Kirjaimia 'G', 'S' ja 'D' käytetään tässä piirissä osoittamaan hilan, lähteen ja nielun sijaintia, kun taas nielujännite, nieluvirta ja hilalähteen jännite on esitetty V:llä. D , minä D , ja V GS .
MOSFETit toimivat usein kolmella alueella: lineaarinen/ohminen, katkaisu ja saturaatio. Kun MOSFETejä käytetään vahvistimina, ne toimivat ohmisella vyöhykkeellä jollakin näistä kolmesta toiminta-alueesta, jossa laitteen kokonaisvirta kasvaa syötetyn jännitteen noustessa.
MOSFET-vahvistimessa, kuten JFET:ssä, pieni muutos hilajännitteessä johtaa merkittävään muutokseen sen nieluvirrassa. Tämän seurauksena MOSFET toimii vahvistimena vahvistamalla heikkoa signaalia hilaliittimissä.
MOSFET-vahvistimen toiminta
MOSFET-vahvistinpiiri luodaan lisäämällä lähde, nielu, kuormitusvastus ja kytkentäkondensaattorit yllä esitettyyn yksinkertaisempaan piiriin. MOSFET-vahvistimen esijännitepiiri on alla:
Jännitteenjakaja on edellä mainitun biasointipiirin rakennuskomponentti, ja sen ensisijainen tehtävä on esijännite transistori yhteen suuntaan. Siksi tämä on biasointitekniikka, jota transistorit käyttävät yleisimmin esijännitetyissä piireissä. Sen varmistamiseksi, että jännite jaetaan ja syötetään MOSFETiin oikeilla tasoilla, käytetään kahta vastusta. Kaksi rinnakkaista vastusta, R 1 ja R 2 , käytetään esijännitteiden välittämiseen. Esijännittävä DC-jännitteen jakaja yllä olevassa piirissä on suojattu AC-signaalilta, jota C vahvistaa edelleen. 1 ja C 2 kytkentäkondensaattoripari. Kuorma RL-vastuksena vastaanottaa lähdön. Biasoitu jännite saadaan kaavalla:
R 1 ja R 2 arvot ovat tässä tapauksessa tyypillisesti korkeat vahvistimen tuloimpedanssin lisäämiseksi ja ohmisen tehohäviöiden rajoittamiseksi.
Tulo- ja lähtöjännitteet (Vin & Vout)
Oletetaan, että nieluhaaran rinnalle ei ole kytketty kuormaa matemaattisten lausekkeiden yksinkertaistamiseksi. Lähde-hilajännite VGS vastaanottaa tulojännitteen (Vin) hilan (G) liittimestä. R S x I D tuottaa jännitehäviön vastaavan R:n yli S vastus. Transkonduktanssi (g m ) on tyhjennysvirran suhde ( I D ) hilalähteen jännitteeseen ( V GS ) sen jälkeen, kun jatkuva nielulähdejännite on kytketty:
Niin minä D = g m ×V GS & tulojännite (V sisään ) voidaan laskea V:stä GS :
O/p-jännite (V ulos ) yllä olevassa piirissä on:
Jännitteen vahvistus
Jännitteen vahvistus (A SISÄÄN ) on tulo- ja lähtöjännitteiden suhde. Tämän vähennyksen jälkeen yhtälöstä tulee:
Se tosiasia, että MOSFET-vahvistin suorittaa o/p-signaalin inversion aivan kuten BJT CE -vahvistin. Symboli '-' tarkoittaa käänteistä. Vaihesiirto on siis 180° tai rad lähdöille.
MOSFET-vahvistimen luokitus
MOSFET-vahvistimia on kolmea eri tyyppiä: yhteinen portti (CG), yhteinen lähde (CS) ja yhteinen nielu (CD). Jokainen tyyppi ja sen kokoonpano on kuvattu alla.
Vahvistus käyttämällä yhteisen lähteen MOSFETejä
Yleisessä lähdevahvistimessa o/p-jännite vahvistetaan, ja se ulottuu vastuksen poikki kuormituksella nieluliittimen (D) sisällä. Tässä tapauksessa i/p-signaali tarjotaan sekä portin (G) että lähteen (S) liittimiin. Lähdeliitin toimii tässä järjestelyssä referenssiliittimenä i/p:n ja o/p:n välillä. Suuren vahvistuksensa ja signaalin vahvistusmahdollisuuksiensa vuoksi tämä on erityisen edullinen konfiguraatio BJT:ille. Alla on kaavio yleisen lähteen MOSFET-vahvistimen piiristä.
'RD' vastus on nielun (D) ja maan (G) välinen vastus. Hybridi-π-mallia, joka on esitetty seuraavassa kuvassa, käytetään edustamaan tätä piensignaalipiiriä. Tästä mallista tuotettua virtaa edustaa i = g m sisään gs . Siksi,
Eri parametrien arvoiksi voidaan arvioida Rin=∞, V i =V itse ja V gs =V i
Näin ollen avoimen piirin jännitteen vahvistus on:
Lineaarinen piiri, joka saa virtaa lähteestä, voidaan vaihtaa sen Thevenin- tai Norton-vastaavaan. Nortonin ekvivalenssia voidaan käyttää muuttamaan piirin lähtöosaa piensignaalipiiristä. Norton-vastine on tässä tilanteessa käytännöllisempi. Oletetulla ekvivalenssilla jännitteen vahvistus G SISÄÄN voidaan muokata seuraavasti:
Yhteisen lähteen MOSFET-vahvistimissa on ääretön tulo-/lähtöimpedanssi, korkea päälle/pois-vastus ja korkea jännitevahvistus.
Common-Gate Amplifier (CG)
Common-gate (CG) -vahvistimia käytetään usein virta- tai jännitevahvistimina. Transistorin lähdeliitin (S) toimii tulona CG-järjestelyssä, nieluliitin toimii lähtönä ja hilaliitin on kytketty maahan (G). Samaa hilavahvistinjärjestelyä käytetään usein luomaan vahva eristys tulon ja lähdön välille tuloimpedanssin vähentämiseksi tai värähtelyn välttämiseksi. Yhteisporttivahvistimen vastaavan piirin piensignaali- ja T-mallit on esitetty alla. T-mallin hilavirta on aina nolla.
Jos 'Vgs' syötetään jännitettä ja virtaa lähteessä edustaa 'V gs x g m ', sitten:
Tässä yhteisellä hilavahvistimella on pienentynyt tuloresistanssi, joka on esitetty muodossa R sisään = 1/g m . Tuloresistanssin arvo on yleensä muutama sata ohmia. O/p-jännite annetaan seuraavasti:
Missä:
Siksi avoimen piirin jännite voidaan esittää seuraavasti:
Koska piirin lähtövastus on R O = R D , vahvistimen vahvistus kärsii alhaisesta i/p-impedanssista. Siksi käyttämällä jännitteenjakajan kaavaa:
Koska 'R itse ' on usein suurempi kuin 1/g m , 'V i ' on heikentynyt verrattuna V itse . Sopiva jännitteen vahvistus saavutetaan, kun kuormitusvastus 'RL' on kytketty o/p:iin. Jännitteen vahvistus esitetään siis seuraavasti:
Common Drain -vahvistin
Yhteinen tyhjennys (CD) on vahvistin, jossa lähdeliitin vastaanottaa lähtösignaalin ja hilaliitin vastaanottaa tulosignaalin, kun taas nieluliitin (D) jätetään auki. Pieniä o/p-kuormia ohjataan usein käyttämällä tätä CD-vahvistinta jännitepuskuripiirinä. Tämä kokoonpano tarjoaa erittäin alhaisen o/p-impedanssin ja erittäin korkean i/p-impedanssin.
Yleisen nieluvahvistimen vastaava piiri pienille signaaleille ja T-malli näkyy alla. Tämän piirin i/p-tulolähde voidaan tunnistaa vastuksen vastaavasta jännitteestä (R itse ) ja Thevenin (V itse ). Kuormitusvastus (RL) liitetään lähtöliittimen (S) ja maadoituksen (G) väliin.
Siitä lähtien, kun I G on nolla, Rin = ∞ Liitäntäjännitteen jännitteenjakaja voidaan ilmaista seuraavasti:
Käyttämällä Theveninin ekvivalenttia kokonaisjännitevahvistus havaitaan samanlaiseksi kuin yllä oleva lauseke, joka voidaan arvioida ottaen huomioon R 0 = 1/g m kuten:
Koska R O = 1/g m on yleensä melko pieni arvo suurelta kuormitusvastukselta 'RL', vahvistus on tässä tapauksessa pienempi kuin yksikkö.
Johtopäätös
Ero tavallisen vahvistimen ja MOSFET-vahvistimen välillä on, että tavallinen vahvistin käyttää elektronista piiriä vahvistamaan tulosignaalia suuren amplitudin lähtösignaalin tuottamiseksi. MOSFET-vahvistimet käsittelevät digitaalisia signaaleja suhteellisen pienellä virrankulutuksella verrattuna BJT-vahvistimiin.