MOSFET forstærker
En MOSFET-forstærker er baseret på Metal-Oxide-Semiconductor-teknologi. Det er en slags isoleret-gate-baseret felteffekttransistor. Felteffekttransistorer giver lavere o/p-impedans og en højere i/p-impedans, når de bruges til forstærkningsfunktioner.
Kredsløb og betjening af Enhancement MOSFET-forstærker
Kredsløbet for en MOSFET-forstærker er angivet nedenfor. Bogstaverne 'G', 'S' og 'D' bruges i dette kredsløb til at angive positionerne af gate, source og drain, mens drænspændingen, drænstrømmen og gate-source spændingen er repræsenteret af V D , jeg D og V GS .
MOSFET'er fungerer ofte i tre områder, lineær/ohmsk, cut-off og mætning. Når MOSFET'er bruges som forstærkere, fungerer de i den ohmske zone i en af disse tre driftsområder, hvor enhedens samlede strømflow stiger, når den påførte spænding stiger.
I MOSFET-forstærkeren, svarende til en JFET, vil en lille ændring i gate-spændingen resultere i en betydelig ændring i dens drænstrøm. Som et resultat tjener MOSFET som en forstærker ved at forstærke et svagt signal ved gateterminaler.
Virker af MOSFET forstærker
MOSFET forstærkerkredsløb er skabt ved at tilføje en kilde, dræn, belastningsmodstand og koblingskondensatorer til det enklere kredsløb vist ovenfor. MOSFET-forstærkerens forspændingskredsløb er angivet nedenfor:
En spændingsdeler er bygningskomponenten i ovenstående forspændingskredsløb, og dens primære opgave er at forspænde en transistor i én retning. Derfor er dette den forspændingsteknik, som transistorer bruger i de mest almindeligt forspændte kredsløb. For at sikre, at spændingen deles og leveres til MOSFET'en på de rigtige niveauer, bruges to modstande. To parallelle modstande, R 1 og R 2 , bruges til at levere forspændingerne. Den forspændende DC-spændingsdeler i ovenstående kredsløb er afskærmet fra AC-signalet, der vil blive forstærket yderligere af C 1 og C 2 par koblingskondensatorer. Belastningen som en RL-modstand modtager udgangen. Den forspændte spænding er givet af:
R 1 og R 2 værdier er typisk høje i dette tilfælde for at øge forstærkerens indgangsimpedans og for at begrænse ohmske effekttab.
Indgangs- og udgangsspændinger (Vin & Vout)
Vi antager, at der ikke er nogen last forbundet parallelt med afløbsgrenen for at forenkle de matematiske udtryk. Kilde-gate-spændingen VGS, modtager indgangsspændingen (Vin) fra gate-terminalen (G). R S x jeg D skal give spændingsfaldet over den respektive R S modstand. Transkonduktans (f m ) er forholdet mellem drænstrøm (I D ) til gate-source spænding (V GS ) efter en konstant drænkildespænding er blevet påført:
Så jeg D = g m ×V GS & indgangsspændingen (V i ) kan beregnes ud fra V GS :
O/p-spændingen (V ud ) i ovenstående kredsløb er:
Spændingsforstærkning
Spændingsforstærkningen (A I ) er forholdet mellem indgangs- og udgangsspændinger. Efter denne reduktion bliver ligningen:
Det faktum, at MOSFET-forstærkeren udfører inversion af o/p-signalet ligesom BJT CE-forstærkeren. Symbolet '-' står for inversion. Faseforskydningen er således 180° eller rad for udgange.
Klassificering af MOSFET-forstærker
Der er tre forskellige slags MOSFET-forstærkere: common gate (CG), common source (CS) og common drain (CD). Hver type og dens konfiguration er detaljeret nedenfor.
Amplifikation ved hjælp af Common Source MOSFET'er
I en almindelig kildeforstærker forstærkes o/p-spændingen, og den når over modstanden ved belastningen inde i afløbsterminalen (D). i/p-signalet leveres ved både gate (G) og source (S) terminalerne i dette tilfælde. Kildeterminalen tjener som referenceterminal mellem i/p og o/p i dette arrangement. På grund af dens høje forstærkning og potentiale for mere signalforstærkning er dette en særlig foretrukken konfiguration end BJT'er. Nedenfor er et diagram over en almindelig MOSFET-forstærkers kredsløb.
'RD'-modstanden er modstanden mellem afløbet (D) og jorden (G). Hybrid π-modellen, som er vist i næste figur, bruges til at repræsentere dette lille-signal-kredsløb. Fra denne model er den producerede strøm repræsenteret ved i = g m i gs . Derfor,
Værdierne af forskellige parametre kan estimeres til at være Rin=∞, V jeg =V sig og V gs =V jeg
Således er den åbne kredsløbsspændingsforstærkning:
Et lineært kredsløb, der drives af en kilde, kan udskiftes med dets Thevenin eller Nortons ækvivalent. Nortons ækvivalens kan bruges til at ændre kredsløbets outputdel fra det lille signalkredsløb. Norton-ækvivalenten er mere praktisk i denne situation. Med den formodede ækvivalens vil spændingsforstærkningen G I kan ændres som:
Common Source MOSFET-forstærkere har uendelig input/output impedans, høj on/off modstand og høj spændingsforstærkning.
Common-Gate-forstærker (CG)
Common-gate (CG) forstærkere bruges ofte som strøm- eller spændingsforstærkere. Transistorens kildeterminal (S) fungerer som input i CG-arrangementet, mens drænterminalen fungerer som udgang og gateterminalen er forbundet med jord (G). Det samme gate-forstærkerarrangement bruges ofte til at skabe stærk isolation mellem input og output for at reducere indgangsimpedansen eller undgå oscillation. Common-gate-forstærkerens ækvivalente kredsløbs small-signal og T-modeller er vist nedenfor. Portstrømmen i 'T'-modellen er altid nul.
Hvis 'Vgs' er påført spænding, og strømmen ved kilden er repræsenteret af 'V gs x g m ', derefter:
Her har den fælles gate-forstærker reduceret indgangsmodstand repræsenteret som R i = 1/g m . Værdien af input modstand er generelt et par hundrede ohm. O/p-spændingen er angivet som:
Hvor:
Derfor kan åben kredsløbsspændingen repræsenteres som:
Da kredsløbets udgangsmodstand er R O = R D , lider forstærkerens forstærkning af den lave i/p-impedans. Brug derfor spændingsdelerens formel:
Fordi 'R sig ' er ofte større end 1/g m , 'V jeg ' er dæmpet i forhold til V sig . Den passende spændingsforstærkning opnås, når en belastningsmodstand 'RL' er forbundet til o/p,. Spændingsforstærkningen er således repræsenteret som:
Fælles afløbsforstærker
En common-drain (CD) forstærker er en, hvor kildeterminalen modtager udgangssignalet, og gateterminalen modtager inputsignalet, mens drain (D) terminalen er åben. Små o/p-belastninger drives ofte ved at bruge denne CD-forstærker som et spændingsbufferkredsløb. Denne konfiguration tilbyder meget lav o/p-impedans og ekstrem høj i/p-impedans.
Den fælles drain-forstærkers ækvivalente kredsløb for små signaler og T-modellen vises nedenfor. i/p-indgangskilden i dette kredsløb kan identificeres ved den ækvivalente spænding af en modstand (R sig ) og en Thevenin (V sig ). En belastningsmodstand (RL) forbindes med output mellem kilde (S) terminal og jord (G) terminal.
Siden I G er nul, Rin = ∞ Spændingsdeleren for terminalspænding kan udtrykkes som:
Ved at bruge Thevenins ækvivalent findes den samlede spændingsforstærkning svarende til ovenstående udtryk, som kan evalueres under hensyntagen til R 0 = 1/g m som:
Siden R O = 1/g m er generelt en ret lille værdi fra stor belastningsmodstand 'RL', forstærkningen er mindre end enheden i dette tilfælde.
Konklusion
Forskellen mellem en almindelig forstærker og en MOSFET-forstærker er, at en almindelig forstærker bruger et elektronisk kredsløb til at forstærke indgangssignalet for at producere et udgangssignal med en høj amplitude. MOSFET-forstærkere behandler digitale signaler med et relativt lille strømforbrug sammenlignet med BJT'er.