MOSFET zosilňovač
MOSFET zosilňovač je založený na technológii Metal-Oxide-Semiconductor. Je to druh tranzistora s izolovanou bránou na báze poľa. Tranzistory s efektom poľa poskytujú nižšiu impedanciu o/p a vyššiu impedanciu i/p, keď sa používajú na zosilňovacie funkcie.
Obvod a prevádzka vylepšeného zosilňovača MOSFET
Obvod pre zosilňovač MOSFET je uvedený nižšie. Písmená „G“, „S“ a „D“ sa v tomto obvode používajú na označenie polohy hradla, zdroja a odtoku, zatiaľ čo vypúšťacie napätie, vypúšťací prúd a napätie zdroja hradla sú vyjadrené V. D , ja D , a V GS .
MOSFETy často pracujú v troch oblastiach, lineárnej/ohmickej, medznej a saturačnej. Keď sa MOSFETy používajú ako zosilňovače, fungujú v ohmickej zóne jednej z týchto troch prevádzkových oblastí, kde sa celkový tok prúdu zariadenia zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím.
V zosilňovači MOSFET, podobne ako v prípade JFET, malá zmena napätia brány spôsobí významnú zmenu jeho odberového prúdu. Výsledkom je, že MOSFET slúži ako zosilňovač posilnením slabého signálu na svorkách brány.
Fungovanie MOSFET zosilňovača
Obvod zosilňovača MOSFET je vytvorený pridaním zdroja, zvodu, záťažového odporu a väzbových kondenzátorov do vyššie uvedeného jednoduchšieho obvodu. Predpínací obvod zosilňovača MOSFET je uvedený nižšie:
Delič napätia je stavebnou súčasťou vyššie uvedeného predpínacieho obvodu a jeho primárnou úlohou je predpätie tranzistora v jednom smere. Preto je to technika predpätia, ktorú tranzistory používajú v najbežnejších obvodoch s predpätím. Aby sa zabezpečilo, že napätie je rozdelené a dodávané do MOSFET na správnych úrovniach, používajú sa dva odpory. Dva paralelné odpory, R 1 a R 2 , sa používajú na dodávanie predpätí. Predpäťový delič jednosmerného napätia vo vyššie uvedenom obvode je tienený pred striedavým signálom, ktorý bude ďalej zosilnený C 1 a C 2 pár spojovacích kondenzátorov. Záťaž ako RL rezistor prijíma výstup. Predpätie je dané:
R 1 a R 2 hodnoty sú v tomto prípade zvyčajne vysoké, aby sa zvýšila vstupná impedancia zosilňovača a obmedzili sa straty ohmického výkonu.
Vstupné a výstupné napätie (Vin & Vout)
Pre zjednodušenie matematických výrazov predpokladáme, že paralelne k odtokovej vetve nie je pripojená žiadna záťaž. Zdrojové hradlové napätie VGS prijíma vstupné napätie (Vin) zo svorky hradla (G). R S x I D poskytne pokles napätia na príslušnom R S odpor. Transkonduktancia (napr m ) je pomer odtokového prúdu (I D ) na napätie hradla (V GS ) po aplikovaní konštantného napätia zvodného zdroja:
Takže ja D = g m ×V GS a vstupné napätie (V v ) možno vypočítať od V GS :
O/p napätie (V von ) vo vyššie uvedenom okruhu je:
Zisk napätia
Zosilnenie napätia (A V ) je pomer vstupného a výstupného napätia. Po tomto znížení bude rovnica vyzerať takto:
Skutočnosť, že zosilňovač MOSFET vykonáva inverziu o/p signálu rovnako ako zosilňovač BJT CE. Symbol „-“ predstavuje inverziu. Fázový posun je teda 180° alebo rad pre výstupy.
Klasifikácia MOSFET zosilňovača
Existujú tri rôzne druhy zosilňovačov MOSFET: spoločná brána (CG), spoločný zdroj (CS) a spoločný odber (CD). Každý typ a jeho konfigurácia sú popísané nižšie.
Zosilnenie pomocou MOSFET so spoločným zdrojom
V bežnom zdrojovom zosilňovači je o/p napätie zosilnené a dosiahne cez odpor pri záťaži vo vývode kolektora (D). V tomto prípade je i/p signál poskytovaný na svorkách brány (G) aj zdroja (S). Zdrojový terminál slúži v tomto usporiadaní ako referenčný terminál medzi i/p a o/p. Vďaka svojmu vysokému zisku a potenciálu pre väčšie zosilnenie signálu je to obzvlášť výhodná konfigurácia ako BJT. Nižšie je schéma obvodu bežného zdroja MOSFET zosilňovača.
Rezistor „RD“ je odpor medzi zvodom (D) a zemou (G). Hybridný model π, ktorý je znázornený na nasledujúcom obrázku, sa používa na znázornenie tohto obvodu malého signálu. Z tohto modelu je vyrobený prúd reprezentovaný i = g m v gs . preto
Hodnoty rôznych parametrov možno odhadnúť na Rin=∞, V i =V sami a V gs =V i
Zosilnenie napätia v otvorenom obvode je teda:
Lineárny obvod napájaný zdrojom je možné vymeniť za ekvivalent Thevenin alebo Norton. Nortonovu ekvivalenciu možno použiť na úpravu výstupnej časti obvodu z obvodu malého signálu. Ekvivalent Norton je v tejto situácii praktickejší. Pri predpokladanej ekvivalencii je napäťové zosilnenie G V možno upraviť ako:
Zosilňovače MOSFET so spoločným zdrojom majú nekonečnú vstupnú/výstupnú impedanciu, vysoký odpor zapnutia/vypnutia a vysokonapäťové zosilnenie.
Common-Gate Amplifier (CG)
Common-gate (CG) zosilňovače sa často používajú ako prúdové alebo napäťové zosilňovače. Zdrojová svorka tranzistora (S) funguje ako vstup v usporiadaní CG, zatiaľ čo svorka odtoku slúži ako výstup a svorka hradla je spojená so zemou (G). Rovnaké usporiadanie hradlového zosilňovača sa často používa na vytvorenie silnej izolácie medzi vstupom a výstupom, aby sa znížila vstupná impedancia alebo sa zabránilo oscilácii. Nižšie sú uvedené modely ekvivalentného obvodu zosilňovača so spoločným hradlom s malým signálom a T. Hradlový prúd v modeli „T“ je vždy nulový.
Ak sa použije napätie „Vgs“ a prúd v zdroji je reprezentovaný „V gs x g m “, potom:
Tu má spoločný hradlový zosilňovač znížený vstupný odpor reprezentovaný ako R v = 1/g m . Hodnota vstupného odporu je zvyčajne niekoľko stoviek ohmov. O/p napätie je uvedené ako:
Kde:
Preto napätie naprázdno môže byť reprezentované ako:
Pretože výstupný odpor obvodu je R O = R D , zisk zosilňovača trpí nízkou i/p impedanciou. Preto pomocou vzorca deliča napätia:
Pretože „R sami je často väčšia ako 1/g m , v i “ je v porovnaní s V sami . Príslušné napäťové zosilnenie sa dosiahne, keď sa k o/p pripojí zaťažovací odpor „RL“. Zosilnenie napätia je teda vyjadrené ako:
Spoločný odtokový zosilňovač
Zosilňovač so spoločným odberom (CD) je zosilňovač, v ktorom zdrojová svorka prijíma výstupný signál a svorka hradla prijíma vstupný signál, zatiaľ čo svorka odvádzania (D) je ponechaná otvorená. Malé o/p záťaže sú často riadené pomocou tohto CD zosilňovača ako napäťového vyrovnávacieho obvodu. Táto konfigurácia ponúka veľmi nízku impedanciu o/p a extrémne vysokú impedanciu i/p.
Ekvivalentný obvod bežného odtokového zosilňovača pre malé signály a model T je zobrazený nižšie. Vstupný zdroj i/p v tomto obvode možno identifikovať podľa ekvivalentného napätia rezistora (R sami ) a Thevenin (V sami ). Záťažový odpor (RL) sa pripája s výstupom medzi svorku zdroja (S) a svorku uzemnenia (G).
Keďže I G je nula, Rin = ∞ Delič napätia pre svorkové napätie možno vyjadriť ako:
Použitím Theveninovho ekvivalentu sa zistí celkový zisk napätia podobný vyššie uvedenému výrazu, ktorý možno vyhodnotiť pri zohľadnení R 0 = 1/g m ako:
Keďže R O = 1/g m je vo všeobecnosti dosť malá hodnota z veľkého zaťažovacieho odporu „RL“, zisk je v tomto prípade menší ako jednota.
Záver
Rozdiel medzi bežným zosilňovačom a zosilňovačom MOSFET je v tom, že bežný zosilňovač používa elektronický obvod na zosilnenie vstupného signálu, aby vytvoril výstupný signál s vysokou amplitúdou. Zosilňovače MOSFET spracovávajú digitálne signály s pomerne nízkou spotrebou energie v porovnaní s BJT.