Какво е MOSFET: неговата конструкция, видове и работа

MOSFET е основно транзистор, който използва полеви ефект. MOSFET означава метален оксиден полеви транзистор, който има портал. Напрежението на портата определя проводимостта на устройството. В зависимост от това напрежение на портата можем да променим проводимостта и по този начин можем да го използваме като превключвател или като усилвател, както използваме транзистора като превключвател или като усилвател.

Биполярният транзистор за свързване или BJT има база, излъчвател и колектор, докато MOSFET има връзка, източване и източник. Освен конфигурацията на щифтовете, BJT се нуждае от ток за работа, а MOSFET се нуждае от напрежение.

MOSFET осигурява много висок входен импеданс и е много лесно да се пристрастия. Така че, за линеен малък усилвател, MOSFET е отличен избор. Линейното усилване се появява, когато сместим MOSFET в областта на насищане, която е централно фиксирана Q точка.

На изображението по-долу е показана основна вътрешна конструкция на N-канални MOSFET-и. MOSFET има три връзки Drain, Gate и Source. Не съществува пряка връзка между портата и канала. Електродът на портата е електрически изолиран и поради тази причина понякога се нарича IGFET или Изолиран транзистор с полеви ефект.

Ето изображението на широко популярния MOSFET IRF530N.

Видове MOSFET

Въз основа на режимите на работа се предлагат два различни типа MOSFET. Освен това тези два типа имат два подтипа

1. Тип изчерпване MOSFET или MOSFET с режим на изчерпване

• N-канален MOSFET или NMOS
• P-Channel MOSFET или PMOS

1. Тип подобрение MOSFET или MOSFET с режим на подобрение

• N-канален MOSFET или NMOS
• P-Channel MOSFET или PMOS

Тип изчерпване MOSFET

Типът на изчерпване на MOSFET обикновено е включен при нулево напрежение на порта към източника. Ако MOSFET е N-Channel MOSFET тип изчерпване, тогава ще има някои прагови напрежения, които са необходими, за да се изключи устройството. Например, MOSFET с изчерпване на N-канал с прагово напрежение -3V или -5V, портата на MOSFET трябва да бъде изтеглена отрицателно -3V или -5V, за да изключи устройството. Това прагово напрежение ще бъде отрицателно за N канала и положително в случай на P канал. Този тип MOSFET обикновено се използва в логически схеми.

Тип подобрение MOSFET

При подобрения тип MOSFET, устройството остава изключено при нулево напрежение на портата. За да включим MOSFET, трябва да осигурим минимално напрежение от вход към източник (Vgs Threshold voltage). Но източният ток е силно зависим от това напрежение от порта към източника, ако Vgs се увеличи, токът на източване също се увеличава по същия начин. MOSFET-овете за подобряване са идеални за изграждане на схема на усилвател. Също така, подобно на изчерпването на MOSFET, той също има подвидовете NMOS и PMOS.

Характеристики и криви на MOSFET

Предоставяйки стабилно напрежение през изтичането към източника, можем да разберем IV кривата на MOSFET. Както беше посочено по-горе, източният ток е силно зависим от Vgs, напрежение от порта към източника. Ако варираме Vgs, токът на източване също ще варира.

Нека видим IV кривата на MOSFET.

На горното изображение можем да видим IV наклон на N-канален MOSFET, токът на източване е 0, когато Vgs напрежението е под праговото напрежение, през това време MOSFET е в режим на изключване. След това, когато напрежението от порта към източника започне да нараства, токът на източване също се увеличава.

Нека видим практически пример за IV кривата на IRF530 MOSFET,

Кривата, показваща, че когато Vgs е 4.5V, максималният източен ток на IRF530 е 1A при 25 градуса C. Но когато увеличим Vgs до 5V, източният ток е почти 2A и накрая при 6V Vgs, той може да осигури 10A на дренажния ток.

DC отклонение на MOSFET и усилване с общ източник

Е, сега е моментът да използваме MOSFET като линеен усилвател. Не е трудна работа, ако решим как да пристрастим MOSFET и да го използваме в перфектна операционна област.

MOSFET работят в три режима на работа: Ohmic, Saturation и Pinch off point. Областта на насищане, наричана още Линейна област. Тук ние използваме MOSFET в зоната на насищане, той осигурява перфектна Q-точка.

Ако осигурим малък сигнал (вариращ във времето) и приложим DC пристрастия към порта или входа, тогава при правилната ситуация MOSFET осигурява линейно усилване.

В горното изображение на MOSFET порта се прилага малък синусоидален сигнал (V _gs), което води до колебание на източващия ток, синхронен на приложения синусоидален вход. За малкия сигнал V _gs, можем да начертаем права линия от точката Q, която има наклон g _m = dI _d / dVgs.

Наклонът може да се види на горното изображение. Това е наклонът на свръхпроводимостта. Това е важен параметър за коефициента на усилване. В този момент амплитудата на изтичащия ток е

ߡ Id = gm x ߡ Vgs

Сега, ако разгледаме схемата, дадена по-горе, източващият резистор R _d може да контролира източващия ток, както и източващото напрежение, използвайки уравнението

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

AC изходният сигнал ще бъде ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

Сега по уравненията печалбата ще бъде

Усилено усилване на напрежението = -g _m x Rd

И така, общата печалба на MOSFET усилвателя е силно зависима от свръхпроводимостта и изтичащия резистор.

Основна конструкция на усилвател с общ източник с единичен MOSFET

За да се направи обикновен усилвател с общ източник, използващ N-канален единичен MOSFET, важното е да се постигне условие за отклонение от постоянен ток. За да служи на целта, е създаден общ делител на напрежението, използващ два прости резистора: R1 и R2. Още два резистора също са необходими като резистор за източване и резистор източник.

За да определим стойността, се нуждаем от изчисление стъпка по стъпка.

MOSFET е снабден с висок входен импеданс, поради което в работно състояние няма токов поток в терминала на портата.

Сега, ако разгледаме устройството, ще открием, че има три резистора, свързани с VDD (без отклоняващите резистори). Трите резистора са Rd, вътрешното съпротивление на MOSFET и Rs. Така че, ако приложим закона за напрежението на Kirchoff, тогава напреженията в тези три резистора са равни на VDD.

Сега според закона ома, ако умножим ток с резистор ние ще се напрежение, V = I х Р. Така че, тук напрежението е Отцедете ток или аз _D. По този начин напрежението на Rd е V = I _D x Rd, същото важи и за Rs, тъй като токът е същият I _D, така че напрежението на Rs е Vs = I _D x Rs. За MOSFET напрежението е V _DS или напрежение източване към източник.

Сега според 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

По-нататък можем да го оценим като

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S Rs може да се изчисли като Rs = V _S / I _D

Другите две стойности на резистори могат да бъдат определени по формулата V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

Ако нямате стойността, можете да я получите от формулата V _G = V _GS + V _S

За щастие максималните стойности могат да бъдат достъпни от таблицата с данни на MOSFET. Въз основа на спецификацията можем да изградим веригата.

Два свързващи кондензатора се използват за компенсиране на граничните честоти и за блокиране на постояннотока, идващ от входа или достигащ до крайния изход. Можем просто да получим стойностите, като открием еквивалентното съпротивление на делителя на DC пристрастия и след това изберете желаната честота на прекъсване. Формулата ще бъде

C = 1 / 2πf Изискване

За дизайн на усилвател с висока мощност, ние преди това изграждаме усилвател на мощност от 50 вата, използвайки два MOSFET като конфигурация с натискане, следвайте връзката за практическо приложение.