- Tipi di MOSFET
- Caratteristiche e curve dei MOSFET
- Polarizzazione DC di MOSFET e amplificazione Common-Source
- Costruzione di base dell'amplificatore Common Source con singolo MOSFET
MOSFET è fondamentalmente un transistor che utilizza l'effetto di campo. MOSFET è l'acronimo di Metal Oxide Field Effect Transistor, che ha un gate. La tensione di gate determina la conduttività del dispositivo. A seconda di questa tensione di gate possiamo cambiare la conduttività e quindi possiamo usarla come interruttore o come amplificatore come usiamo Transistor come interruttore o come amplificatore.
Il transistor a giunzione bipolare o BJT ha base, emettitore e collettore, mentre un MOSFET ha una connessione gate, drain e source. Oltre alla configurazione dei pin, BJT necessita di corrente per il funzionamento e MOSFET necessita di tensione.
Il MOSFET fornisce un'impedenza di ingresso molto elevata ed è molto facile da polarizzare. Quindi, per un piccolo amplificatore lineare, MOSFET è una scelta eccellente. L'amplificazione lineare si verifica quando polarizziamo il MOSFET nella regione di saturazione che è un punto Q fissato centralmente.
Nell'immagine sottostante, viene mostrata una struttura interna di MOSFET a canale N di base. Il MOSFET ha tre connessioni Drain, Gate e Source. Non è presente alcun collegamento diretto tra il gate e il canale. L'elettrodo di gate è isolato elettricamente e per questo motivo a volte viene indicato come IGFET o transistor a effetto di campo con gate isolato.
Ecco l'immagine del popolare MOSFET IRF530N.
Tipi di MOSFET
In base alle modalità operative, sono disponibili due diversi tipi di MOSFET. Questi due tipi hanno inoltre due sottotipi
- Tipo di esaurimento MOSFET o MOSFET con modalità di esaurimento
- MOSFET a canale N o NMOS
- MOSFET a canale P o PMOS
- MOSFET di tipo Enhancement o MOSFET con modalità Enhancement
- MOSFET a canale N o NMOS
- MOSFET a canale P o PMOS
MOSFET di tipo a esaurimento
Il tipo di esaurimento del MOSFET è normalmente ON a tensione Gate to Source zero. Se il MOSFET è un MOSFET di tipo a svuotamento del canale N, ci saranno alcune soglie di tensione, necessarie per spegnere il dispositivo. Ad esempio, un MOSFET a svuotamento del canale N con una tensione di soglia di -3V o -5V, il gate del MOSFET deve essere abbassato a -3V o -5V per spegnere il dispositivo. Questa tensione di soglia sarà negativa per il canale N e positiva nel caso del canale P. Questo tipo di MOSFET viene generalmente utilizzato nei circuiti logici.
Tipo di potenziamento MOSFET
In MOSFET di tipo Enhancement, il dispositivo rimane spento a tensione di gate zero. Per accendere il MOSFET, dobbiamo fornire una tensione Gate to Source minima (tensione Vgs Threshold). Tuttavia, la corrente di drain è altamente affidabile su questa tensione gate-to-source, se il Vgs viene aumentato, anche la corrente di drain aumenta nello stesso modo. I MOSFET di tipo Enhancement sono ideali per costruire un circuito amplificatore. Inoltre, analogamente al MOSFET a svuotamento, ha anche i sottotipi NMOS e PMOS.
Caratteristiche e curve dei MOSFET
Fornendo la tensione stabile tra drain e source, possiamo comprendere la curva IV di un MOSFET. Come detto sopra, la corrente di drain è altamente affidabile sulla tensione Vgs, gate to source. Se si varia il Vgs varierà anche la corrente di Drain.
Vediamo la curva IV di un MOSFET.
Nell'immagine sopra, possiamo vedere la pendenza IV di un MOSFET a canale N, la corrente di drain è 0 quando la tensione Vgs è inferiore alla tensione di soglia, durante questo periodo il MOSFET è in modalità cut-off. Dopodiché, quando la tensione gate-to-source inizia ad aumentare, aumenta anche la corrente di drain.
Vediamo un esempio pratico della curva IV del MOSFET IRF530,
La curva che mostra che quando il Vgs è 4,5 V, la corrente di drenaggio massima di IRF530 è 1 A a 25 gradi C.Ma quando aumentiamo il Vgs a 5 V, la corrente di drenaggio è quasi 2 A e infine a 6 V Vgs, può fornire 10 di corrente di drenaggio.
Polarizzazione DC di MOSFET e amplificazione Common-Source
Bene, ora è il momento di utilizzare un MOSFET come amplificatore lineare. Non è un lavoro difficile se determiniamo come polarizzare il MOSFET e utilizzarlo in una regione operativa perfetta.
MOSFET funziona in tre modalità operative: Ohmic, Saturazione e Pinch off point. La regione di saturazione chiamata anche regione lineare. Qui operiamo il MOSFET nella regione di saturazione, fornisce un punto Q perfetto.
Se forniamo un piccolo segnale (variabile nel tempo) e applichiamo il bias DC al gate o all'ingresso, allora nella giusta situazione il MOSFET fornisce un'amplificazione lineare.
Nell'immagine sopra, un piccolo segnale sinusoidale (V gs) viene applicato al gate MOSFET, risultando in una fluttuazione della corrente di drain sincrona all'ingresso sinusoidale applicato. Per il segnale piccolo V gs, possiamo disegnare una retta dal punto Q che ha una pendenza di g m = dI d / dVgs.
La pendenza può essere vista nell'immagine sopra. Questa è la pendenza della transconduttanza. È un parametro importante per il fattore di amplificazione. A questo punto l'ampiezza della corrente di drain è
ߡ Id = gm x ߡ Vgs
Ora, se guardiamo lo schema sopra riportato, il resistore di drenaggio R d può controllare la corrente di drenaggio e la tensione di drenaggio usando l'equazione
Vds = Vdd - I d x Rd (come V = I x R)
Il segnale di uscita AC sarà ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g m x ߡ Vgs x Rd
Ora secondo le equazioni, il guadagno sarà
Guadagno di tensione amplificato = -g m x Rd
Quindi, il guadagno complessivo dell'amplificatore MOSFET è altamente affidabile sulla transconduttanza e sul resistore di Drain.
Costruzione di base dell'amplificatore Common Source con singolo MOSFET
Per realizzare un semplice amplificatore a sorgente comune utilizzando MOSFET a canale N singolo, l'importante è ottenere la condizione di polarizzazione CC. Per servire allo scopo, un partitore di tensione generico viene costruito utilizzando due semplici resistori: R1 e R2. Sono necessari anche altri due resistori come resistenza di drenaggio e resistenza di sorgente.
Per determinare il valore abbiamo bisogno di un calcolo passo passo.
Un MOSFET è dotato di un'elevata impedenza di ingresso, quindi in condizioni di funzionamento non è presente flusso di corrente nel terminale di gate.
Ora, se esaminiamo il dispositivo, scopriremo che ci sono tre resistori associati a VDD (senza i resistori di polarizzazione). I tre resistori sono Rd, la resistenza interna del MOSFET e Rs. Quindi, se applichiamo la legge della tensione di Kirchoff, le tensioni attraverso questi tre resistori sono uguali al VDD.
Ora ai sensi di legge Ohm, se moltiplichiamo la corrente con resistenza avremo tensione in V = I x R. Quindi, ecco la corrente è in corso o che Drain D. Pertanto, la tensione attraverso Rd è V = I D x Rd, lo stesso vale per Rs poiché la corrente è la stessa I D, quindi la tensione attraverso Rs è Vs = I D x Rs. Per il MOSFET, la tensione è V DS o tensione Drain-to-source.
Ora come da 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
Possiamo valutarlo ulteriormente come
Rd = (V DD - V DS / I D) - R S Rs può essere calcolato come Rs = V S / I D
Altri due valori di resistenze possono essere determinati dalla formula V G = V DD (R2 / R1 + R2)
Se non hai il valore, puoi ottenerlo dalla formula V G = V GS + V S
Fortunatamente, i valori massimi possono essere disponibili dalla scheda tecnica del MOSFET. Sulla base delle specifiche possiamo costruire il circuito.
Due condensatori di accoppiamento vengono utilizzati per compensare le frequenze di taglio e per bloccare la DC proveniente dall'ingresso o per arrivare all'uscita finale. Possiamo semplicemente ottenere i valori scoprendo la resistenza equivalente del divisore di polarizzazione CC e quindi selezionando la frequenza di taglio desiderata. La formula sarà
C = 1 / 2πf Requisito
Per il design dell'amplificatore ad alta potenza, in precedenza abbiamo costruito un amplificatore di potenza da 50 Watt utilizzando due MOSFET come configurazione Push-pull, segui il link per l'applicazione pratica.