Čo je mosfet: jeho konštrukcia, typy a fungovanie

MOSFET je v podstate tranzistor, ktorý využíva efekt poľa. MOSFET znamená tranzistor tranzistora poľa s oxidom kovu, ktorý má hradlo. Napätie hradla určuje vodivosť zariadenia. V závislosti na tomto hradlovom napätí môžeme meniť vodivosť, a tak ho môžeme použiť ako prepínač alebo ako zosilňovač, ako napríklad Transistor ako prepínač alebo zosilňovač.

Bipolárny tranzistor alebo BJT má základňu, vysielač a kolektor, zatiaľ čo MOSFET má pripojenie brány, odtoku a zdroja. Okrem konfigurácie pinov potrebuje BJT na prevádzku prúd a MOSFET potrebuje napätie.

MOSFET poskytuje veľmi vysokú vstupnú impedanciu a je veľmi ľahké ho skresliť. Pre lineárny malý zosilňovač je teda MOSFET vynikajúcou voľbou. Lineárne zosilnenie nastane, keď skreslíme MOSFET v oblasti nasýtenia, ktorá je centrálne fixovaným Q bodom.

V obrázku nižšie, je základná N-kanál MOSFET vnútorná konštrukcia je znázornená. MOSFET má tri pripojenia Drain, Gate a Source. Medzi bránou a kanálom nie je priame spojenie. Bránová elektróda je elektricky izolovaná a z tohto dôvodu sa niekedy označuje ako IGFET alebo izolovaný tranzistor s efektom poľa.

Tu je obrázok veľmi populárneho MOSFETu IRF530N.

Typy MOSFETov

Na základe prevádzkových režimov sú k dispozícii dva rôzne typy MOSFETov. Tieto dva typy majú ďalej dva podtypy

1. Typ vyčerpania MOSFET alebo MOSFET s režimom vyčerpania

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

1. Typ vylepšenia MOSFET alebo MOSFET s režimom vylepšenia

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

Typ vyčerpania MOSFET

Typ vyčerpania MOSFET je normálne ZAPNUTÝ pri nulovom napätí Gate to Source. Ak je MOSFET MOSFET typu N-kanálového vyčerpania, bude tu nejaké prahové napätie, ktoré je potrebné na vypnutie zariadenia. Napríklad MOSFET s vyčerpaným kanálom N s prahovým napätím -3V alebo -5V, je potrebné bránu MOSFET vytiahnuť záporne -3V alebo -5V, aby sa zariadenie vyplo. Toto prahové napätie bude pre N kanál záporné a pre P kanál kladné. Tento typ MOSFET sa všeobecne používa v logických obvodoch.

Typ vylepšenia MOSFET

Pri type MOSFET typu Enhancement zostáva zariadenie VYPNUTÉ pri nulovom hradlovom napätí. Ak chcete zapnúť MOSFET, musíme poskytnúť minimálne napätie Gate to Source (Vgs Threshold voltage). Ale odtokový prúd je veľmi spoľahlivý na tomto napätí medzi zdrojom a zdrojom, ak sa zvýši Vgs, odtokový prúd sa tiež zvýši rovnakým spôsobom. MOSFET typu vylepšenia sú ideálne na konštrukciu obvodu zosilňovača. Rovnako ako vyčerpaný MOSFET má tiež podtypy NMOS a PMOS.

Charakteristiky a krivky MOSFET

Poskytnutím stabilného napätia cez odtok k zdroju môžeme pochopiť IV krivku MOSFET. Ako bolo uvedené vyššie, odtokový prúd je vysoko spoľahlivý na napätí Vgs, bráne k zdroju. Ak zmeníme Vgs, bude sa meniť aj odtokový prúd.

Pozrime sa na IV krivku MOSFETu.

Na vyššie uvedenom obrázku vidíme IV sklon N-kanálového MOSFETu, odtokový prúd je 0, keď je napätie Vgs nižšie ako prahové napätie, počas tejto doby je MOSFET v medznom režime. Potom, keď sa začne zvyšovať napätie medzi zdrojom a zdrojom, zvyšuje sa aj odtokový prúd.

Pozrime sa na praktický príklad IV krivky IRF530 MOSFET,

Krivka ukazujúca, že keď je Vgs 4,5 V, maximálny odtokový prúd IRF530 je 1A pri 25 stupňoch C. Ale keď zvýšime Vgs na 5V, odtokový prúd je takmer 2A a nakoniec pri 6V Vgs môže poskytnúť 10A odtokového prúdu.

DC predpätie MOSFET a zosilnenie spoločného zdroja

Teraz je čas použiť MOSFET ako lineárny zosilňovač. Nie je to ťažká práca, ak určíme, ako zaujať MOSFET a použiť ho v dokonalej oblasti prevádzky.

MOSFET pracujú v troch prevádzkových režimoch: Ohmický, Sýtosť a Bod vzplanutia. Oblasť nasýtenia sa tiež nazýva lineárna oblasť. Tu prevádzkujeme MOSFET v oblasti nasýtenia, ktorý poskytuje dokonalý Q-bod.

Ak poskytneme malý signál (časovo sa meniaci) a použijeme predpätie DC na bráne alebo na vstupe, potom za správnej situácie MOSFET poskytuje lineárne zosilnenie.

Na vyššie uvedenom obrázku je na bránu MOSFET privádzaný malý sínusový signál (V _gs), čo má za následok fluktuáciu odtokového prúdu synchrónneho s aplikovaným sínusovým vstupom. Pre malý signál V _gs môžeme z bodu Q nakresliť priamku, ktorá má sklon g _m = dI _d / dVgs.

Sklon je vidieť na obrázku vyššie. Toto je sklon transkonduktancie. Je to dôležitý parameter pre zosilňovací faktor. V tomto okamihu je amplitúda odtokového prúdu

ߡ Id = gm x ߡ Vgs

Teraz, keď sa pozrieme na vyššie uvedenú schému, odtokový odpor R _d môže riadiť odtokový prúd aj odtokové napätie pomocou rovnice

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

Výstupný signál striedavého prúdu bude ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

Teraz podľa rovníc bude zisk

Zosilnený zisk napätia = -g _m x Rd

Takže celkový zisk zosilňovača MOSFET je vysoko závislý od transkonduktancie a odtokového odporu.

Konštrukcia základného zosilňovača spoločného zdroja s jedným MOSFET

Ak chcete vytvoriť jednoduchý zosilňovač spoločného zdroja využívajúci jeden MOSFET s kanálom N, je dôležité dosiahnuť podmienku jednosmerného predpätia. Na tento účel slúži generický delič napätia pomocou dvoch jednoduchých rezistorov: R1 a R2. Ďalej sú potrebné ďalšie dva odpory ako odtokový rezistor a zdrojový rezistor.

Na určenie hodnoty potrebujeme postupný výpočet.

MOSFET je vybavený vysokou vstupnou impedanciou, takže v prevádzkovom stave nie je v termináli brány prítomný žiadny prúd.

Teraz, keď sa pozrieme do zariadenia, zistíme, že s VDD sú spojené tri rezistory (Bez ovplyvňovacích rezistorov). Tri odpory sú Rd, vnútorný odpor MOSFETu a Rs. Ak teda použijeme Kirchoffov zákon o napätí, potom sú napätia na týchto troch rezistoroch rovné VDD.

Teraz podľa zákona ohmov, ak budeme násobiť prúdu s odporom dostaneme napätie as V = I x R. Takže, tu je prúd vypúšťací prúd alebo I _D. Napätie na Rd je teda V = I _D x Rd, to isté platí pre Rs, pretože prúd je rovnaký I _D, takže napätie na Rs je Vs = I _D x Rs. Pre MOSFET je napätie V _DS alebo napätie odtoku k zdroju.

Teraz podľa 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

Môžeme to ďalej hodnotiť ako

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S R sa môžu vypočítať ako Rs = V _S / I _D

Hodnoty ďalších dvoch rezistorov možno určiť vzorcom V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

Ak hodnotu nemáte, môžete ju získať zo vzorca V _G = V _GS + V _S

Maximálne hodnoty sú našťastie dostupné z údajového listu MOSFET. Na základe špecifikácie môžeme zostaviť obvod.

Dva väzobné kondenzátory sa používajú na kompenzáciu medzných frekvencií a na blokovanie jednosmerného prúdu prichádzajúceho zo vstupu alebo na konečný výstup. Hodnoty môžeme jednoducho získať tak, že zistíme ekvivalentný odpor deliča predpätia DC a potom vyberieme požadovanú medznú frekvenciu. Vzorec bude

C = 1 / 2πf Požiadavka

Pri návrhu zosilňovača s vysokým výkonom sme predtým vytvorili výkonový zosilňovač s výkonom 50 W využívajúci dva konfigurácie MOSFET ako konfiguráciu push-pull. Pre praktické použitie postupujte podľa odkazu.