Wzmacniacz MOSFET
Wzmacniacz MOSFET oparty jest na technologii Metal-Oxide-Semiconductor. Jest to rodzaj tranzystora polowego z izolowaną bramką. Tranzystory polowe zapewniają niższą impedancję o/p i wyższą impedancję i/p, gdy są wykorzystywane do funkcji wzmacniających.
Obwód i działanie wzmacniającego wzmacniacza MOSFET
Poniżej podano obwód wzmacniacza MOSFET. Litery „G”, „S” i „D” są używane w tym obwodzie do wskazania położenia bramki, źródła i drenu, podczas gdy napięcie drenu, prąd drenu i napięcie bramka-źródło są reprezentowane przez V D , I D i V GS .
Tranzystory MOSFET często działają w trzech obszarach: liniowym/omowym, odcięcia i nasycenia. Kiedy tranzystory MOSFET są używane jako wzmacniacze, działają w strefie omowej jednego z tych trzech obszarów roboczych, gdzie całkowity przepływ prądu przez urządzenie wzrasta wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia.
We wzmacniaczu MOSFET, podobnym do JFET, niewielka zmiana napięcia bramki spowoduje znaczną zmianę prądu drenu. W rezultacie MOSFET służy jako wzmacniacz, wzmacniając słaby sygnał na zaciskach bramki.
Działanie wzmacniacza MOSFET
Obwód wzmacniacza MOSFET jest tworzony poprzez dodanie źródła, drenu, rezystora obciążającego i kondensatorów sprzęgających do prostszego obwodu pokazanego powyżej. Poniżej przedstawiono obwód polaryzujący wzmacniacza MOSFET:
Dzielnik napięcia jest elementem konstrukcyjnym powyższego obwodu polaryzującego, a jego głównym zadaniem jest polaryzowanie tranzystora w jednym kierunku. Dlatego jest to technika polaryzacji stosowana w tranzystorach w najczęściej spolaryzowanych obwodach. Aby zapewnić podział napięcia i dostarczenie go do MOSFET-u na odpowiednim poziomie, zastosowano dwa rezystory. Dwa równoległe rezystory R 1 i R 2 , służą do dostarczania napięć polaryzacji. Polaryzujący dzielnik napięcia stałego w powyższym obwodzie jest ekranowany przed sygnałem prądu przemiennego, który zostanie dodatkowo wzmocniony przez kondensator C 1 i C 2 para kondensatorów sprzęgających. Obciążenie jako rezystor RL odbiera sygnał wyjściowy. Napięcie spolaryzowane jest dane przez:
R 1 i R 2 wartości są w tym przypadku zazwyczaj wysokie, aby zwiększyć impedancję wejściową wzmacniacza i ograniczyć omowe straty mocy.
Napięcia wejściowe i wyjściowe (Vin i Vout)
W celu uproszczenia wyrażeń matematycznych zakładamy, że do gałęzi drenu nie jest podłączone równolegle żadne obciążenie. Źródło-napięcie bramki VGS odbiera napięcie wejściowe (Vin) z zacisku bramki (G). R S x I D zapewni spadek napięcia na odpowiednim R S rezystor. Transkonduktancja (np M ) jest stosunkiem prądu drenu ( I D ) do napięcia źródła bramki ( V GS ) po przyłożeniu stałego napięcia dren-źródło:
Więc ja D = gł M ×V GS i napięcie wejściowe (V W ) można obliczyć z V GS :
Napięcie wyjściowe (V na zewnątrz ) w powyższym obwodzie wynosi:
Wzmocnienie napięcia
Wzmocnienie napięcia (A W ) to stosunek napięć wejściowych i wyjściowych. Po tej redukcji równanie będzie wyglądało następująco:
Fakt, że wzmacniacz MOSFET dokonuje inwersji sygnału o/p, podobnie jak wzmacniacz BJT CE. Symbol „-” oznacza inwersję. Przesunięcie fazowe wynosi zatem 180° lub rad dla wyjść.
Klasyfikacja wzmacniaczy MOSFET
Istnieją trzy różne rodzaje wzmacniaczy MOSFET: wspólna bramka (CG), wspólne źródło (CS) i wspólny dren (CD). Poniżej szczegółowo opisano każdy typ i jego konfigurację.
Wzmocnienie przy użyciu tranzystorów MOSFET wspólnego źródła
We wzmacniaczu ze wspólnym źródłem napięcie o/p jest wzmacniane i dociera do rezystora przy obciążeniu wewnątrz zacisku drenu (D). W tym przypadku sygnał i/p jest dostarczany zarówno na zaciski bramki (G), jak i źródła (S). W tym układzie terminal źródłowy służy jako terminal odniesienia pomiędzy i/p i o/p. Ze względu na duże wzmocnienie i potencjał większego wzmocnienia sygnału, jest to szczególnie korzystna konfiguracja niż BJT. Poniżej znajduje się schemat obwodu wzmacniacza MOSFET ze wspólnym źródłem.
Rezystor „RD” to rezystancja pomiędzy drenem (D) a masą (G). Do przedstawienia tego obwodu małosygnałowego wykorzystano hybrydowy model π, który pokazano na następnym rysunku. Z tego modelu wytwarzany prąd jest reprezentowany przez i = g M W gs . Dlatego,
Wartości różnych parametrów można oszacować na Rin=∞, V I =V sobie i V gs =V I
Zatem wzmocnienie napięcia w obwodzie otwartym wynosi:
Obwód liniowy zasilany ze źródła można wymienić na jego odpowiednik Thevenina lub Nortona. Równoważność Nortona może zostać wykorzystana do modyfikacji części wyjściowej obwodu z obwodu małosygnałowego. Odpowiednik Nortona jest w tej sytuacji bardziej praktyczny. Przy przyjętej równoważności wzmocnienie napięciowe G W można modyfikować jako:
Wzmacniacze MOSFET ze wspólnym źródłem mają nieskończoną impedancję wejściową/wyjściową, wysoką rezystancję włączania/wyłączania i wysokie wzmocnienie napięcia.
Wzmacniacz ze wspólną bramką (CG)
Wzmacniacze ze wspólną bramką (CG) są często używane jako wzmacniacze prądu lub napięcia. Zacisk źródłowy tranzystora (S) pełni funkcję wejścia w układzie CG, zacisk drenu służy jako wyjście, a zacisk bramki jest połączony z masą (G). Ten sam układ wzmacniacza bramkowego jest często używany do zapewnienia silnej izolacji pomiędzy wejściem i wyjściem, aby zmniejszyć impedancję wejściową lub uniknąć oscylacji. Poniżej pokazano modele równoważnego obwodu wzmacniacza ze wspólną bramką oraz modele T. Prąd bramki w modelu „T” wynosi zawsze zero.
Jeżeli „Vgs” oznacza przyłożone napięcie, a prąd u źródła jest reprezentowany przez „V gs x gł M ', Następnie:
W tym przypadku wzmacniacz wspólnej bramki ma zmniejszoną rezystancję wejściową reprezentowaną jako R W = 1/g M . Wartość rezystancji wejściowej wynosi zazwyczaj kilkaset omów. Napięcie o/p podaje się jako:
Gdzie:
Dlatego napięcie w obwodzie otwartym można przedstawić jako:
Ponieważ rezystancja wyjściowa obwodu wynosi R O = R D , wzmocnienie wzmacniacza cierpi z powodu niskiej impedancji i/p. Dlatego korzystając ze wzoru na dzielnik napięcia:
Ponieważ „R sobie ’ jest często większa niż 1/g M , „V I ’ jest osłabiony w porównaniu do V sobie . Odpowiednie wzmocnienie napięcia osiąga się, gdy do wyjścia o/p podłączony jest rezystor obciążający „RL”. Wzmocnienie napięcia jest zatem przedstawiane jako:
Wzmacniacz wspólnego drenażu
Wzmacniacz ze wspólnym drenem (CD) to taki, w którym końcówka źródłowa odbiera sygnał wyjściowy, a końcówka bramki odbiera sygnał wejściowy, podczas gdy końcówka drenu (D) pozostaje otwarta. Małe obciążenia O/P są często sterowane przy użyciu tego wzmacniacza CD jako obwodu buforującego napięcie. Ta konfiguracja zapewnia bardzo niską impedancję wyjściową i wyjątkowo wysoką impedancję i/p.
Poniżej przedstawiono równoważny obwód wzmacniacza ze wspólnym drenem dla małych sygnałów i model T. Źródło wejściowe i/p w tym obwodzie można zidentyfikować na podstawie napięcia równoważnego rezystora (R sobie ) i Thevenina (V sobie ). Rezystor obciążenia (RL) łączy się z wyjściem pomiędzy zaciskiem źródła (S) i zaciskiem uziemienia (G).
Ponieważ I G wynosi zero, Rin = ∞ Dzielnik napięcia dla napięcia na zaciskach można wyrazić jako:
Korzystając z odpowiednika Thevenina, całkowite wzmocnienie napięcia jest podobne do powyższego wyrażenia, które można ocenić, biorąc pod uwagę R 0 =1/g M Jak:
Ponieważ R O = 1/g M jest na ogół dość małą wartością w przypadku dużego rezystora obciążenia „RL”, wzmocnienie jest w tym przypadku mniejsze niż jedność.
Wniosek
Różnica między zwykłym wzmacniaczem a wzmacniaczem MOSFET polega na tym, że zwykły wzmacniacz wykorzystuje obwód elektroniczny do wzmacniania sygnału wejściowego w celu wytworzenia sygnału wyjściowego o dużej amplitudzie. Wzmacniacze MOSFET przetwarzają sygnały cyfrowe przy stosunkowo niewielkim zużyciu energii w porównaniu do wzmacniaczy BJT.