MOSFET’li Yükselteçler / MOSFET Amplifier

MOSFETli Yükselteç, ortak kaynak konfigürasyonuna bağlı bir metal oksit silikon transistör kullanır.

FET yükselteçler hakkındaki önceki yazılarımızda, basit tek kademeli yükselteçlerin bağlantı alan etkili transistörler(JFET) kullanılarak yapılabileceğini görmüştük. Ancak, devre kurmak ve yükseltmek için kullanılabilecek başka türde alan etkili transistörler de vardır ve bu derste MOSFET yükselteçlerine bakacağız.

Metal Oksit Yarı İletken Alan Etkili Transistör veya kısaca MOSFET, giriş empedansı son derece yüksek olduğundan, polarlamayı kolaylaştırdığından küçük sinyal lineer amplifikatörler için mükemmel bir seçimdir. Ancak bir mosfetin lineer amplifikasyon üretebilmesi için BJT’nin aksine doygunluk bölgesinde çalışması gerekir. Ama tıpkı BJT gibi, onun da merkezi olarak sabitlenmiş bir Q noktası etrafında polarlı olması gerekiyor.

MOSFET’ler, “kanal” adı verilen iletken bir bölge veya yol üzerinden iletir. Uygun bir kapı potansiyeli uygulayarak bu iletken kanalı daha geniş veya daha küçük yapabiliriz. Bu kapı voltajının uygulanmasıyla kapı terminali çevresinde indüklenen bir elektrik alanı, kanalın elektriksel özelliklerini etkiler, dolayısıyla alan etkili transistör olarak adlandırılır.

Başka bir deyişle, kaynak ve boşaltma bölgeleri arasındaki iletken kanalını oluşturarak veya “geliştirerek” mosfet’in nasıl çalıştığını kontrol edebiliriz; bu, yaygın olarak n-kanal Geliştirme modu MOSFET olarak adlandırılan bir tür mosfet üretir; kapı üzerinde pozitif (p-kanalı için negatif), hiçbir kanal akımı akmayacaktır.

Farklı mosfet türlerinin özelliklerinde büyük farklılıklar vardır ve bu nedenle bir mosfetin öngerilimi ayrı ayrı yapılmalıdır. Bipolar transistör ortak emitör konfigürasyonunda olduğu gibi, ortak kaynak mosfet yükselticisinin uygun bir hareketsiz değerde polarlanması gerekir. Ama önce kendimize mosfetlerin temel özelliklerini ve konfigürasyonunu hatırlatalım.

N-kanal MOSFET

Bir Bipolar Kavşak Transistörü ve bir FET arasındaki temel farkların, bir BJT’nin sırasıyla Toplayıcı, Verici ve Baz olarak etiketlenmiş terminallere sahip olması ve bir MOSFET’in sırasıyla Kanal, Kaynak ve Kapı olarak etiketlenmiş terminallere sahip olmasıdır.

Ayrıca MOSFET, BJT’nin taban-yayıcı bağlantısının aksine, kapı ve kanal arasında doğrudan bir bağlantı olmaması nedeniyle BJT’den farklıdır, çünkü metal kapı elektrotu iletken kanaldan elektriksel olarak yalıtılmıştır ve ona Yalıtımlı Kapının ikincil adını verir. Alan Etkili Transistör veya IGFET.

Kaynak ve boşaltma elektrotlarının n-tipi iken substrat yarı iletken malzemesinin üzerindeki n-kanal MOSFET (NMOS) için p-tipi olduğunu görebiliriz. Besleme gerilimi pozitif olacaktır. Geçit terminalini pozitif olarak yönlendirmek, kapı bölgesinin altındaki p-tipi yarı iletken substrat içindeki elektronları kendisine doğru çeker.

p-tipi substrat içindeki bu aşırı serbest elektron bolluğu, p-tipi bölgenin elektriksel özellikleri tersine çevrildikçe iletken bir kanalın görünmesine veya büyümesine neden olur, p-tipi substratı kanal akımının akmasına izin veren bir n-tipi malzemeye etkili bir şekilde değiştirir .

P-kanalı MOSFET (PMOS) için de tersi geçerlidir; burada negatif kapı potansiyeli, metal kapı elektrotunun dış tarafındaki elektronlara çekilirken kapı bölgesinin altında delikler oluşmasına neden olur. Sonuç, n-tipi substratın bir p-tipi iletken kanal oluşturmasıdır.

Dolayısıyla, n-tipi MOS transistörümüz için, kapıya ne kadar pozitif potansiyel koyarsak, kapı bölgesi çevresinde elektron birikmesi o kadar büyük olur ve iletken kanal o kadar geniş olur. Bu, kanal boyunca elektron akışını iyileştirir ve daha fazla kanal akımının kanaldan kaynağa akmasına izin verir ve bu da Enhancement MOSFET adına yol açar.

eMOSFET Yükselteci

eMOSFET, normalde kapalı (iletken olmayan) cihazlar olarak sınıflandırılabilir, yani normalde açık olan cihazlarda bulunan Depletion tipi mosfetlerin aksine, yalnızca uygun bir kapıdan kaynağa pozitif voltaj uygulandığında iletirler. Ayrıca kapı voltajı sıfırdır.

Bununla birlikte, geliştirme tipi bir mosfetin yapısı ve fiziği nedeniyle, kanal akımının akmasına izin vermeye başlamadan önce kapıya uygulanması gereken eşik voltajı VTH adı verilen minimum kapıdan kaynağa voltaj vardır.

Başka bir deyişle, kapı-kaynak voltajı, VGS eşik voltajından, VTH’den düşük olduğunda bir geliştirme mosfeti iletilmez, ancak kapılar ileri polarlama arttıkça, kanal akımı, ID (kanal-kaynak akımı IDS olarak da bilinir) olacaktır. ayrıca bipolar transistöre benzer şekilde artar ve eMOSFET’i mosfet yükselteç devrelerinde kullanım için ideal hale getirir.

MOS iletken kanalının özellikleri, kapı tarafından kontrol edilen değişken bir direnç olarak düşünülebilir. Bu n-kanalı üzerinden akan kanal akımı miktarı, bu nedenle, kapı-kaynak voltajına bağlıdır ve bir mosfet kullanarak yapabileceğimiz birçok ölçümden biri, kanal akımı ile akım arasındaki iv ilişkisini göstermek için bir transfer karakteristikleri grafiği çizmektir.

N-kanal eMOSFET Akım-Voltaj Eğrisi Özellikleri

eMOSFET’e bağlı sabit bir VDS kanal kaynağı voltajıyla, mosfetlerin ileri DC özelliklerinin bir grafiğini elde etmek için değişen VGS değerleriyle ID, kanal akımı değerlerini çizebiliriz. Bu özellikler transistörün geçirgenliğini, gm’yi verir.

Bu transkondüktans, çıkış akımı ile transistörün kazancını temsil eden giriş voltajı arasında ilişki kurar. İletkenlik eğrisinin herhangi bir noktasındaki eğimi bu nedenle şu şekilde verilir: sabit bir VDS değeri için gm = ID/VGS.

Örneğin, bir MOS transistörünün VGS = 3v olduğunda 2mA kanal akımı ve VGS = 7v olduğunda 14mA kanal akımı geçtiğini varsayalım. Sonra:

Bu orana, transistörlerin statik veya DC transkondüktansı adı verilir ve “transfer kondüktansı”nın kısaltmasıdır ve Siemens’in birimi (S), volt başına amper olarak verilir. Bir mosfet yükselticinin voltaj kazancı, iletkenlik ve kanal direncinin değeri ile doğru orantılıdır.

VGS = 0’da MOS transistör kanalından hiçbir akım geçmez çünkü kapı etrafındaki alan etkisi n-tipi kanalı oluşturmak veya “açmak” için yetersizdir. Daha sonra transistör, açık anahtar görevi gören kesme bölgesindedir. Başka bir deyişle, uygulanan sıfır kapı voltajı ile n-kanal eMOSFET’in normalde kapalı olduğu söylenir ve bu “KAPALI” durum, eMOSFET sembolünde kesik kanal hattı ile temsil edilir.

Artık pozitif kapı-kaynak voltajı VGS’yi kademeli olarak arttırdığımızda, alan etkisi kanal bölgelerinin iletkenliğini arttırmaya başlar ve kanalın iletmeye başladığı bir nokta olur. Bu nokta eşik gerilimi VTH olarak bilinir. VGS’yi daha pozitif olarak artırdıkça, kanal akımı miktarı ile iletken kanal genişler (daha az direnç), sonuç olarak ID artar. Bir mosfet amplifikatöre son derece yüksek bir giriş empedansı veren kanaldan izole edilen elektriği nedeniyle geçidin asla herhangi bir akım iletmediğini unutmayın.

Bu nedenle, n-kanal geliştirme mosfet, kapı-kaynak voltajı, VGS eşik voltaj seviyesinden düşük olduğunda, VGS ve kanalı, VGS bu eşik seviyesinin üzerinde olduğunda, VTH ve kanalı ilettiğinde veya doyduğunda kesme modunda olacaktır. eMOS transistörü doyma bölgesinde çalışırken boşaltma akımı, ID şu şekilde verilir:

eMOSFET Kanal Akımı

k (iletim parametresi) ve VTH (eşik voltajı) değerlerinin bir eMOSFET’ten diğerine değiştiğini ve fiziksel olarak değiştirilemeyeceğini unutmayın. Bunun nedeni, transistörün üretimi sırasında yerleşik olan malzeme ve cihaz geometrisi ile ilgili spesifik özellikler olmalarıdır.

Sağdaki statik transfer özellikleri eğrisi genellikle parabolik (kare kanunu) şeklindedir ve daha sonra lineerdir. Kanal akımındaki artış, geçit kaynağı voltajındaki belirli bir artış için ID, VGS, sabit VDS değerleri için eğrinin eğimini veya gradyanını belirler.

Daha sonra, bir MOS transistör geliştirmesini “AÇIK” konuma getirmenin aşamalı bir süreç olduğunu görebiliriz ve MOSFET’i bir amplifikatör olarak kullanabilmemiz için kapı terminalini eşik seviyesinin üzerinde bir noktada saptırmalıyız.

Bunu, iki ayrı voltaj kaynağı kullanmaktan, geri besleme ön polarlaması boşaltmaya, zener diyot polarlaması, vb.’ye kadar yapmanın birçok farklı yolu vardır. Ancak hangi polarlaması yöntemini kullanırsak kullanalım, geçit voltajının voltajdan daha pozitif olduğundan emin olmalıyız. VTH’den daha büyük bir miktarda kaynak. Bu mosfet amplifikatör eğitiminde, artık bilinen evrensel voltaj bölücü öngerilim devresini kullanacağız.

MOSFET Polarlanması(Biasing)

Evrensel voltaj bölücü öngerilim devresi, bipolar transistör yükselteçlerinin yanı sıra mosfet yükselteçlerinin istenen DC çalışma koşullarını oluşturmak için kullanılan popüler bir öngerilimleme tekniğidir. Gerilim bölücü öngerilim ağının avantajı, MOSFET’in veya aslında bir iki kutuplu transistörün tek bir DC kaynağından polarlı olabilmesidir. Ama önce mosfet amplifikatörümüz için geçidin nerede polarlı olduğunu bilmemiz gerekiyor.

Bir mosfet cihazının üç farklı çalışma bölgesi vardır. Bu bölgelere Ohmik/Triod bölgesi, Doygunluk/Doğrusal bölge ve Kıstırma noktası adı verilir. Bir mosfet’in lineer bir amplifikatör olarak çalışması için, iyi tanımlanmış bir hareketsiz çalışma noktası veya Q noktası oluşturmamız gerekir, bu nedenle doygunluk bölgesinde çalışması için polarlı olması gerekir. Mosfet için Q noktası, çalışma noktasını mosfet çıkış özellikleri eğrisinde merkezi olarak konumlandıran DC değerleri, ID ve VGS ile temsil edilir.

Yukarıda gördüğümüz gibi, doygunluk bölgesi, VGS, VTH eşik seviyesinin üzerinde olduğunda başlar. Bu nedenle, kapı girişinde bu DC öngerilimine bindirilen küçük bir AC sinyali uygularsak, MOSFET gösterildiği gibi doğrusal bir yükseltici olarak hareket edecektir.

Yukarıdaki ortak kaynaklı NMOS devresi, sinüzoidal giriş voltajının, Vi’nin bir DC kaynağı ile seri olduğunu göstermektedir. Bu DC geçit voltajı, öngerilim devresi tarafından ayarlanacaktır. O zaman toplam geçit kaynağı voltajı VGS ve Vi’nin toplamı olacaktır.

DC karakteristikleri ve dolayısıyla Q noktası (hareketsiz nokta), kapı voltajı VGS, besleme voltajı VDD ve yük direnci RD’nin tüm fonksiyonlarıdır.

MOS transistörü, transistörlerin Q-noktasını tanımlayacak olan istenen boşaltma akımını oluşturmak için doyma bölgesi içinde polarlıdır. VGS’nin anlık değeri arttıkça, sapma noktası, VDS azaldıkça daha büyük bir kanal akımının akmasına izin vererek gösterildiği gibi eğriyi yukarı doğru hareket ettirir.

Benzer şekilde, VGS’nin anlık değeri azaldıkça (giriş sinüs dalgasının negatif yarısı sırasında), polarlama noktası eğride aşağı doğru hareket eder ve daha küçük bir VGS, daha küçük bir kanal akımı ve artan VDS ile sonuçlanır.

Daha sonra, büyük bir çıkış salınımı oluşturmak için, transistörün tam sinüzoidal giriş döngüsü boyunca doygunlukta kalmasını sağlamak için transistörü eşik seviyesinin oldukça üzerinde saptırmalıyız. Ancak, kullanabileceğimiz gate bias ve kanal akımının bir sınırı vardır. Çıkışın maksimum voltaj salınımına izin vermek için Q noktası, VDD besleme voltajı ile VTH eşik voltajı arasında yaklaşık olarak orta noktada konumlandırılmalıdır.

Örneğin, tek aşamalı bir NMOS ortak kaynak amplifikatörü oluşturmak istediğimizi varsayalım. eMOSFET’in eşik voltajı VTH 2,5 volt ve besleme voltajı VDD +15 volttur. Daha sonra DC öngerilim noktası, en yakın tamsayı değerine 15 – 2.5 = 12.5v veya 6 volt olacaktır.

MOSFETS ID – VDS Özellikleri

Yukarıda, besleme gerilimini VDD’yi sabit tutarak ve geçit gerilimini, VG’yi artırarak mosfetlerin ileri DC karakteristiklerinin bir grafiğini oluşturabileceğimizi gördük. Ancak, bir mosfet amplifikatör devresinde kullanılacak n-tipi geliştirme MOS transistörünün çalışmasının tam bir resmini elde etmek için, hem VDD hem de VGS’nin farklı değerleri için çıkış özelliklerini göstermemiz gerekir.

NPN Bipolar Kavşak Transistöründe olduğu gibi, gösterildiği gibi bir n-kanal geliştirme modu MOS transistörü için VG’nin artan pozitif değerleri için kanal akımını, ID’yi gösteren bir dizi çıkış karakteristik eğrisi oluşturabiliriz.

Temel Ortak Kaynak MOSFET Amplifikatörü

Daha önce, n-tipi eMOSFET’i polarlamak için istenen DC çalışma koşulunun nasıl oluşturulacağına baktık. Girişe zamanla değişen küçük bir sinyal uygularsak, doğru koşullar altında mosfet devresi, transistörlerin Q noktasının doygunluk bölgesinin merkezine yakın bir yerde olması ve giriş sinyalinin yeterince küçük olması koşuluyla doğrusal bir yükseltici görevi görebilir. çıktının doğrusal kalması için. Aşağıdaki temel mosfet amplifikatör devresini düşünün.

Bu basit geliştirme modu ortak kaynak mosfet amplifikatör konfigürasyonu, tahliyede tek bir besleme kullanır ve bir direnç bölücü kullanarak gerekli geçit voltajını, VG’yi üretir. Bir MOSFET için geçit terminaline hiçbir akımın akmadığını ve bundan MOSFET amplifikatörlerinin DC çalışma koşulları hakkında aşağıdaki temel varsayımları yapabileceğimizi hatırlıyoruz.

O zaman bundan şunu söyleyebiliriz:

ve mosfet kapısından kaynağa voltajı, VGS şu şekilde verilir:

Yukarıda gördüğümüz gibi mosfetin düzgün çalışması için bu kapı-kaynak voltajının mosfetin eşik voltajından yani VGS > VTH değerinden büyük olması gerekir. IS = ID, kapı voltajı olduğundan, VG de eşittir:

Mosfet amplifikatör geçit voltajını bu değere ayarlamak için voltaj bölücü ağ içindeki R1 ve R2 dirençlerinin değerlerini doğru değerlere seçiyoruz. Yukarıdan bildiğimiz gibi, bir mosfet cihazının kapı terminaline “akım yok” akar, bu nedenle voltaj bölme formülü şu şekilde verilir:

MOSFET Amplifikatör Kapısı Polarlama Gerilimi

Bu voltaj bölücü denkleminin, gerçek değerlerini değil, yalnızca iki öngerilim direnci R1 ve R2’nin oranını belirlediğine dikkat edin. Ayrıca, I2*R güç kayıplarını azaltmak ve mosfet yükselteçlerinin giriş direncini artırmak için bu iki direncin değerlerinin mümkün olduğunca büyük yapılması arzu edilir.

Özetle

Bir MOSFET amplifikatörünün veya bu konudaki herhangi bir amplifikatörün ana amacı, giriş sinyalinin aslına sadık bir kopyası olan ancak büyüklük olarak güçlendirilmiş bir çıkış sinyali üretmektir. Bu giriş sinyali bir akım veya bir voltaj olabilir, ancak bir mosfet cihazının bir amplifikatör olarak çalışması için doyma bölgesinde çalışması için polarlı olması gerekir.

Geliştirme modu MOSFET’lerinin iki temel türü vardır, n-kanal ve p-kanalı ve bu mosfet amplifikatör eğitiminde, n-kanal geliştirmesine baktık MOSFET, pozitif kapı ile çalıştırılabildiği için genellikle bir NMOS olarak adlandırılır. ve kaynağa göre negatif geçit ve boşaltma voltajları ile çalıştırılan p-kanalı PMOS’un aksine kaynağa göre boşaltma voltajları.

Bir mosfet cihazının doygunluk bölgesi, eşik voltajı VTH’nin üzerindeki sabit akım bölgesidir. Doyma bölgesinde doğru bir şekilde polarlaması olduğunda, kanal akımı, ID, kanal akımı doymuş olarak adlandırıldığından, kanaldan kaynağa voltajın, VGS’nin ve kanaldan kaynağa voltajın değil, VGS’nin bir sonucu olarak değişir.

Bir geliştirme modu MOSFET’te, bir geçit voltajının uygulanmasıyla oluşturulan elektrostatik alan, bir tükenme modu MOSFET durumunda olduğu gibi kanalı tüketmek yerine kanalın iletkenliğini arttırır.

Eşik voltajı, kaynak ve kanal arasında kanalın oluşmasını sağlamak için gereken minimum kapı polarlamasıdır. bu değerin üzerinde kanal akımı, doyma bölgesindeki (VGS – VTH)2 ile orantılı olarak artar ve amplifikatör olarak çalışmasına izin verir.