MOSFET zesilovač
MOSFET zesilovač je založen na technologii Metal-Oxide-Semiconductor. Je to druh tranzistoru s izolovaným hradlem na bázi pole. Tranzistory s efektem pole poskytují nižší o/p impedanci a vyšší i/p impedanci, když jsou použity pro zesilovací funkce.
Obvod a provoz vylepšovacího zesilovače MOSFET
Obvod pro zesilovač MOSFET je uveden níže. Písmena „G“, „S“ a „D“ se v tomto obvodu používají k označení polohy hradla, zdroje a kolektoru, zatímco napětí kolektoru, proud kolektoru a napětí zdroje hradla jsou reprezentovány V. D , já D a V GS .
MOSFETy často pracují ve třech oblastech, lineární/ohmické, cut-off a saturaci. Když jsou MOSFETy použity jako zesilovače, fungují v ohmické zóně jedné z těchto tří provozních oblastí, kde se celkový tok proudu zařízením zvyšuje s rostoucím napětím.
V zesilovači MOSFET, podobně jako u JFET, malá změna napětí hradla způsobí významnou změnu jeho odběrového proudu. Výsledkem je, že MOSFET slouží jako zesilovač zesílením slabého signálu na svorkách brány.
Práce MOSFET zesilovače
Obvod zesilovače MOSFET je vytvořen přidáním zdroje, kolektoru, zatěžovacího odporu a vazebních kondenzátorů k jednoduššímu obvodu znázorněnému výše. Předpínací obvod zesilovače MOSFET je uveden níže:
Dělič napětí je stavební součástí výše uvedeného předpínacího obvodu a jeho primárním úkolem je předpětí tranzistoru v jednom směru. Proto se jedná o techniku předpětí, kterou tranzistory používají v nejběžněji předpjatých obvodech. Aby bylo zajištěno, že napětí je rozděleno a dodáváno do MOSFET na správných úrovních, jsou použity dva odpory. Dva paralelní rezistory, R 1 a R 2 , se používají k dodání předpětí. Předpínací stejnosměrný dělič napětí ve výše uvedeném obvodu je stíněný před střídavým signálem, který bude dále zesílen C 1 a C 2 pár vazebních kondenzátorů. Zátěž jako RL rezistor přijímá výstup. Předpětí je dáno vztahem:
R 1 a R 2 hodnoty jsou v tomto případě typicky vysoké, aby se zvýšila vstupní impedance zesilovače a omezily se ztráty ohmického výkonu.
Vstupní a výstupní napětí (Vin & Vout)
Pro zjednodušení matematických výrazů předpokládáme, že paralelně k odtokové větvi není připojena žádná zátěž. Zdrojové hradlové napětí VGS přijímá vstupní napětí (Vin) ze svorky hradla (G). R S x I D poskytne úbytek napětí na příslušném R S odpor. Transkonduktance (např m ) je poměr odtokového proudu (I D ) na napětí hradla (V GS ) po přivedení konstantního napětí zdroje kolektoru:
Takže já D = g m ×V GS a vstupní napětí (V v ) lze vypočítat od V GS :
O/p napětí (V ven ) ve výše uvedeném okruhu je:
Zisk napětí
Napěťový zisk (A V ) je poměr vstupního a výstupního napětí. Po této redukci bude rovnice vypadat takto:
Skutečnost, že zesilovač MOSFET provádí inverzi o/p signálu stejně jako zesilovač BJT CE. Symbol „-“ představuje inverzi. Fázový posun je tedy 180° nebo rad pro výstupy.
Klasifikace MOSFET zesilovače
Existují tři různé druhy zesilovačů MOSFET: Common Gate (CG), Common Source (CS) a Common drain (CD). Každý typ a jeho konfigurace jsou podrobně popsány níže.
Zesílení pomocí MOSFETů se společným zdrojem
V běžném zdrojovém zesilovači je o/p napětí zesíleno a dosáhne přes odpor na zátěži uvnitř kolektoru (D). Signál i/p je v tomto případě poskytován na svorkách brány (G) i zdroje (S). Zdrojová svorka slouží v tomto uspořádání jako referenční svorka mezi i/p a o/p. Vzhledem k vysokému zisku a potenciálu pro větší zesílení signálu je tato konfigurace obzvláště výhodná než BJT. Níže je schéma obvodu běžného zdroje MOSFET zesilovače.
Rezistor „RD“ je odpor mezi kolektorem (D) a zemí (G). Pro znázornění tohoto obvodu s malým signálem je použit hybridní model π, který je znázorněn na následujícím obrázku. Z tohoto modelu je produkovaný proud reprezentován i = g m v gs . Proto,
Hodnoty různých parametrů lze odhadnout na Rin=∞, V i =V oni sami a V gs =V i
Zisk napětí naprázdno je tedy:
Lineární obvod napájený zdrojem lze vyměnit za ekvivalent Thevenin nebo Norton. Nortonovu ekvivalenci lze použít k úpravě výstupní části obvodu z obvodu malého signálu. Ekvivalent Norton je v této situaci praktičtější. Při předpokládané ekvivalenci je napěťové zesílení G V lze upravit jako:
Common Source MOSFET zesilovače mají nekonečnou vstupní/výstupní impedanci, vysoký odpor zapnutí/vypnutí a vysoké napěťové zesílení.
Common-Gate Amplifier (CG)
Common-gate (CG) zesilovače se často používají jako proudové nebo napěťové zesilovače. Zdrojová svorka tranzistoru (S) funguje jako vstup v uspořádání CG, zatímco svorka kolektoru slouží jako výstup a svorka hradla je spojena se zemí (G). Stejné uspořádání hradlového zesilovače se často používá k vytvoření silné izolace mezi vstupem a výstupem, aby se snížila vstupní impedance nebo se zabránilo oscilacím. Níže jsou uvedeny modely ekvivalentního obvodu zesilovače se společným hradlem s malým signálem a modely T. Hradlový proud v modelu „T“ je vždy nulový.
Pokud se použije napětí „Vgs“ a proud ve zdroji je reprezentován „V gs x g m ', pak:
Zde má společný hradlový zesilovač snížený vstupní odpor reprezentovaný jako R v = 1/g m . Hodnota vstupního odporu je obecně několik set ohmů. O/p napětí je dáno jako:
Kde:
Proto může být napětí naprázdno reprezentováno jako:
Protože výstupní odpor obvodu je R Ó = R D , zisk zesilovače trpí nízkou i/p impedancí. Proto pomocí vzorce děliče napětí:
Protože ‚R oni sami je často větší než 1/g m , v i “ je zeslabený ve srovnání s V oni sami . Příslušného napěťového zesílení je dosaženo, když je k o/p připojen zatěžovací rezistor „RL“. Napěťový zisk je tedy reprezentován jako:
Společný odtokový zesilovač
Common-drain (CD) zesilovač je takový, ve kterém zdrojová svorka přijímá výstupní signál a hradlová svorka přijímá vstupní signál, zatímco svorka svodu (D) je ponechána otevřená. Pomocí tohoto CD zesilovače jako napěťového vyrovnávacího obvodu jsou často buzeny malé o/p zátěže. Tato konfigurace nabízí velmi nízkou impedanci o/p a extrémně vysokou impedanci i/p.
Ekvivalentní obvod běžného kolektorového zesilovače pro malé signály a model T je zobrazen níže. Vstupní zdroj i/p v tomto obvodu lze identifikovat podle ekvivalentního napětí rezistoru (R oni sami ) a Thevenin (V oni sami ). Zatěžovací rezistor (RL) se připojí s výstupem mezi svorku zdroje (S) a svorku uzemnění (G).
Vzhledem k tomu, že I G je nula, Rin = ∞ Dělič napětí pro svorkové napětí lze vyjádřit jako:
Při použití Theveninova ekvivalentu je celkový zisk napětí podobný výše uvedenému výrazu, který lze vyhodnotit s ohledem na R 0 = 1/g m tak jako:
Vzhledem k tomu, že R Ó = 1/g m je obecně poměrně malá hodnota z velkého zatěžovacího odporu „RL“, zisk je v tomto případě menší než jedna.
Závěr
Rozdíl mezi běžným zesilovačem a zesilovačem MOSFET spočívá v tom, že běžný zesilovač používá elektronický obvod k zesílení vstupního signálu, aby vytvořil výstupní signál s vysokou amplitudou. Zesilovače MOSFET zpracovávají digitální signály s poměrně nízkou spotřebou energie ve srovnání s BJT.