Wat is mosfet: de constructie, typen en werking

MOSFET is in feite een transistor die veldeffect gebruikt. MOSFET staat voor Metal Oxide Field Effect Transistor, wat een poort heeft. De poortspanning bepaalt de geleidbaarheid van het apparaat. Afhankelijk van deze poortspanning kunnen we de geleidbaarheid veranderen en dus gebruiken als schakelaar of als versterker zoals we Transistor als schakelaar of als versterker gebruiken.

Bipolaire junctie-transistor of BJT heeft een basis, emitter en collector, terwijl een MOSFET een poort-, afvoer- en bronaansluiting heeft. Behalve de pinconfiguratie heeft BJT stroom nodig voor werking en heeft MOSFET spanning nodig.

MOSFET biedt een zeer hoge ingangsimpedantie en is zeer gemakkelijk te vertekenen. Dus voor een lineaire kleine versterker is MOSFET een uitstekende keuze. De lineaire versterking vindt plaats wanneer we de MOSFET vertekenen in het verzadigingsgebied dat een centraal vast Q-punt is.

In de onderstaande afbeelding wordt een eenvoudige interne constructie van N-kanaal MOSFET's getoond. De MOSFET heeft drie aansluitingen Drain, Gate en Source. Er is geen directe verbinding tussen de poort en het kanaal. De poortelektrode is elektrisch geïsoleerd en wordt daarom ook wel IGFET of Insulated Gate Field Effect Transistor genoemd.

Hier is de afbeelding van de zeer populaire MOSFET IRF530N.

Soorten MOSFET's

Op basis van de bedieningsmodi zijn er twee verschillende soorten MOSFET's beschikbaar. Deze twee typen hebben verder twee subtypen

1. Uitputtingstype MOSFET of MOSFET met uitputtingsmodus

• N-kanaal MOSFET of NMOS
• P-kanaal MOSFET of PMOS

1. Verbeteringstype MOSFET of de MOSFET met Enhancement-modus

• N-kanaal MOSFET of NMOS
• P-kanaal MOSFET of PMOS

Uitputtingstype MOSFET

Uitputtingstype MOSFET is normaal gesproken AAN bij nul Gate to Source-spanning. Als de MOSFET een MOSFET van het N-Channel Depletion-type is, is er een drempelspanning die nodig is om het apparaat uit te schakelen. Bijvoorbeeld, een N-Channel Depletion MOSFET met een drempelspanning van -3V of -5V, de gate van de MOSFET moet negatief -3V of -5V worden getrokken om het apparaat uit te schakelen. Deze drempelspanning is negatief voor het N-kanaal en positief in het geval van het P-kanaal. Dit type MOSFET wordt over het algemeen gebruikt in logische circuits.

Verbeteringstype MOSFET

In Enhancement-type MOSFET's blijft het apparaat UIT bij nul Gate-spanning. Om de MOSFET in te schakelen, moeten we een minimum Gate to Source-spanning (Vgs Threshold-spanning) voorzien. Maar de afvoerstroom is in hoge mate afhankelijk van deze gate-to-source-spanning, als de Vgs wordt verhoogd, neemt de afvoerstroom ook op dezelfde manier toe. MOSFET's van het verbeteringstype zijn ideaal voor het construeren van een versterkercircuit. Evenals de uitputting-MOSFET, heeft het ook de subtypen NMOS en PMOS.

Kenmerken en curven van MOSFET

Door de stabiele spanning over afvoer naar bron te leveren, kunnen we de IV-curve van een MOSFET begrijpen. Zoals hierboven vermeld, is de afvoerstroom in hoge mate afhankelijk van de Vgs, gate to source-spanning. Als we de Vgs variëren, zal de afvoerstroom ook variëren.

Laten we de IV-curve van een MOSFET bekijken.

In de bovenstaande afbeelding kunnen we de IV-helling van een N-kanaal MOSFET zien, de afvoerstroom is 0 wanneer de Vgs-spanning onder de drempelspanning ligt, gedurende deze tijd bevindt de MOSFET zich in de afsnijmodus. Daarna, wanneer de gate-to-source-spanning begint te stijgen, neemt ook de afvoerstroom toe.

Laten we eens kijken naar een praktisch voorbeeld van IRF530 MOSFET's IV Curve,

De curve laat zien dat wanneer de Vgs 4,5 V is, de maximale afvoerstroom van IRF530 1 A is bij 25 graden C. Maar als we de Vgs verhogen naar 5 V, is de afvoerstroom bijna 2 A, en tenslotte bij 6 V Vgs, kan deze 10 A leveren van afvoerstroom.

DC Biasing van MOSFET en Common-Source Amplification

Welnu, nu is het tijd om een MOSFET te gebruiken als een lineaire versterker. Het is geen zware klus als we bepalen hoe we de MOSFET moeten vertekenen en gebruiken in een perfect operatiegebied.

MOSFET werkt in drie bedieningsmodi: Ohms, Verzadiging en Afknijppunt. Het verzadigingsgebied wordt ook wel Lineair gebied genoemd. Hier bedienen we de MOSFET in het verzadigingsgebied, het biedt een perfect Q-punt.

Als we een klein signaal geven (in de tijd variërend) en de DC-bias toepassen op poort of ingang, dan biedt de MOSFET in de juiste situatie lineaire versterking.

In de bovenstaande afbeelding wordt een klein sinusvormig signaal (_Vgs) toegevoerd aan de MOSFET-poort, wat resulteert in een fluctuatie van de afvoerstroom die synchroon loopt met de aangelegde sinusvormige ingang. Voor het kleine signaal V _gs kunnen we een rechte lijn trekken vanuit het Q-punt met een helling van g _m = dI _d / dVgs.

De helling is te zien in de bovenstaande afbeelding. Dit is de transconductantiehelling. Het is een belangrijke parameter voor de versterkingsfactor. Op dit punt is de afvoerstroomamplitude

ߡ Id = gm x ߡ Vgs

Als we nu naar het bovenstaande schema kijken, kan de afvoerweerstand R _d zowel de afvoerstroom als de afvoerspanning regelen met behulp van de vergelijking

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

Het AC-uitgangssignaal is ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

Nu door de vergelijkingen, zal de winst zijn

Versterkte spanningsversterking = -g _m x Rd

De algehele versterking van de MOSFET-versterker is dus in hoge mate afhankelijk van de transconductantie en de afvoerweerstand.

Basis gemeenschappelijke bronversterkerconstructie met enkele MOSFET

Om een eenvoudige gemeenschappelijke bronversterker te maken met N-kanaals enkele MOSFET, is het belangrijk om een ​​DC-voorspanningstoestand te bereiken. Om dit doel te dienen, is een generieke spanningsdeler geconstrueerd met behulp van twee eenvoudige weerstanden: R1 en R2. Twee extra weerstanden zijn ook nodig als afvoerweerstand en bronweerstand.

Om de waarde te bepalen, hebben we een stapsgewijze berekening nodig.

Een MOSFET is voorzien van een hoge ingangsimpedantie, dus in bedrijfstoestand is er geen stroom in de poortaansluiting.

Als we nu in het apparaat kijken, zullen we zien dat er drie weerstanden zijn die zijn gekoppeld aan VDD (zonder de voorspanningsweerstanden). De drie weerstanden zijn Rd, de interne weerstand van MOSFET en Rs. Dus als we de spanningswet van Kirchoff toepassen, zijn de spanningen over die drie weerstanden gelijk aan de VDD.

Volgens de wet van Ohms, als we de stroom met weerstand vermenigvuldigen, krijgen we een spanning als V = I x R. Dus hier is de stroom afvoerstroom of _ID. De spanning over Rd is dus V = _ID x Rd, hetzelfde geldt voor de Rs aangezien de stroom dezelfde _{ID is}, dus de spanning over Rs is Vs = _ID x Rs. Voor de MOSFET is de spanning V _DS of Drain-to-source-spanning.

Nu volgens de 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

We kunnen het verder evalueren als

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S Rs kan worden berekend als Rs = V _S / I _D

Andere twee weerstandswaarden kunnen worden bepaald door de formule V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

Als u de waarde niet heeft, kunt u deze halen uit de formule V _G = V _GS + V _S

Gelukkig kunnen maximale waarden worden gevonden in de MOSFET-datasheet. Op basis van de specificatie kunnen we het circuit bouwen.

Twee koppelcondensatoren worden gebruikt om de afsnijfrequenties te compenseren en om de DC te blokkeren die van de ingang komt of naar de uiteindelijke uitgang gaat. We kunnen eenvoudig de waarden krijgen door de equivalente weerstand van de DC-biasdeler te achterhalen en vervolgens de gewenste afsnijfrequentie te selecteren. De formule zal zijn

C = 1 / 2πf vereiste

Voor het ontwerp van een krachtige versterker hebben we eerder een vermogensversterker van 50 watt gebouwd met behulp van twee MOSFET als push-pull-configuratie, volg de link voor praktische toepassing.