Ενισχυτής MOSFET
Ένας ενισχυτής MOSFET βασίζεται στην τεχνολογία Metal-Oxide-Semiconductor. Είναι ένα είδος τρανζίστορ πεδίου με βάση μονωμένη πύλη. Τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου παρέχουν χαμηλότερη σύνθετη αντίσταση o/p και υψηλότερη σύνθετη αντίσταση i/p όταν χρησιμοποιούνται για λειτουργίες ενίσχυσης.
Κύκλωμα & Λειτουργία Ενισχυτής MOSFET
Το κύκλωμα για έναν ενισχυτή MOSFET δίνεται παρακάτω. Τα γράμματα «G,» «S» και «D» χρησιμοποιούνται σε αυτό το κύκλωμα για να υποδείξουν τις θέσεις της πύλης, της πηγής και της αποστράγγισης, ενώ η τάση αποστράγγισης, το ρεύμα αποστράγγισης και η τάση της πηγής πύλης αντιπροσωπεύονται από το V ρε , ΕΓΩ ρε , και V Γ.Σ .
Τα MOSFET λειτουργούν συχνά σε τρεις περιοχές, γραμμική/ωμική, αποκοπή και κορεσμό. Όταν τα MOSFET χρησιμοποιούνται ως ενισχυτές, λειτουργούν στην ωμική ζώνη μιας από αυτές τις τρεις περιοχές λειτουργίας, όπου η συνολική ροή ρεύματος της συσκευής αυξάνεται καθώς αυξάνεται η εφαρμοζόμενη τάση.
Στον ενισχυτή MOSFET, παρόμοιο με έναν JFET, μια μικρή αλλαγή στην τάση της πύλης θα έχει ως αποτέλεσμα σημαντική αλλαγή στο ρεύμα αποστράγγισης του. Ως αποτέλεσμα, το MOSFET χρησιμεύει ως ενισχυτής ενισχύοντας ένα αδύναμο σήμα στους ακροδέκτες πύλης.
Λειτουργία ενισχυτή MOSFET
Το κύκλωμα ενισχυτή MOSFET δημιουργείται με την προσθήκη μιας πηγής, αποστράγγισης, αντίστασης φορτίου και πυκνωτών ζεύξης στο απλούστερο κύκλωμα που φαίνεται παραπάνω. Το κύκλωμα πόλωσης του ενισχυτή MOSFET παρέχεται παρακάτω:
Ένας διαιρέτης τάσης είναι το δομικό στοιχείο του παραπάνω κυκλώματος πόλωσης και η κύρια δουλειά του είναι να πολώσει ένα τρανζίστορ προς μία κατεύθυνση. Επομένως, αυτή είναι η τεχνική πόλωσης που χρησιμοποιούν τα τρανζίστορ στα πιο συχνά πολωμένα κυκλώματα. Για να διασφαλιστεί ότι η τάση διαιρείται και παρέχεται στο MOSFET στα κατάλληλα επίπεδα, χρησιμοποιούνται δύο αντιστάσεις. Δύο παράλληλες αντιστάσεις, R 1 και Ρ 2 , χρησιμοποιούνται για την παροχή των τάσεων πόλωσης. Ο διαιρέτης τάσης DC πόλωσης στο παραπάνω κύκλωμα προστατεύεται από το σήμα AC που θα ενισχυθεί περαιτέρω από το C 1 και Γ 2 ζεύγος πυκνωτών ζεύξης. Το φορτίο ως αντίσταση RL λαμβάνει την έξοδο. Η πολωμένη τάση δίνεται από:
R 1 και Ρ 2 Οι τιμές είναι συνήθως υψηλές σε αυτή την περίπτωση για να αυξηθεί η σύνθετη αντίσταση εισόδου του ενισχυτή και να περιοριστούν οι απώλειες ωμικής ισχύος.
Τάσεις εισόδου και εξόδου (Vin & Vout)
Υποθέτουμε ότι δεν υπάρχει φορτίο συνδεδεμένο παράλληλα με τον κλάδο αποστράγγισης για να απλοποιηθούν οι μαθηματικές εκφράσεις. Η τάση πηγής - πύλης VGS, λαμβάνει την τάση εισόδου (Vin) από τον ακροδέκτη πύλης (G). R μικρό x I ρε θα παρέχει την πτώση τάσης στο αντίστοιχο R μικρό αντίσταση. Διααγωγιμότητα (g Μ ) είναι ο λόγος του ρεύματος αποστράγγισης (I ρε ) στην τάση πύλης-πηγής (V Γ.Σ ) αφού έχει εφαρμοστεί σταθερή τάση πηγής αποστράγγισης:
Και 'γώ το ίδιο ρε = ζ Μ ×V Γ.Σ & την τάση εισόδου (V σε ) μπορεί να υπολογιστεί από το V Γ.Σ :
Η τάση o/p (V έξω ) στο παραπάνω κύκλωμα είναι:
Κέρδος τάσης
Το κέρδος τάσης (Α ΣΕ ) είναι ο λόγος των τάσεων εισόδου και εξόδου. Μετά από αυτή τη μείωση, η εξίσωση θα γίνει:
Το γεγονός ότι ο ενισχυτής MOSFET εκτελεί αναστροφή του σήματος o/p ακριβώς όπως ο ενισχυτής CE BJT. Το σύμβολο '-' αντιπροσωπεύει την αντιστροφή. Η μετατόπιση φάσης είναι επομένως 180° ή rad για τις εξόδους.
Ταξινόμηση ενισχυτή MOSFET
Υπάρχουν τρία διαφορετικά είδη ενισχυτών MOSFET: κοινή πύλη (CG), κοινή πηγή (CS) και κοινή αποστράγγιση (CD). Κάθε τύπος και η διαμόρφωσή του περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω.
Ενίσχυση με χρήση MOSFET κοινής πηγής
Σε έναν ενισχυτή κοινής πηγής, η τάση o/p ενισχύεται και φτάνει κατά μήκος της αντίστασης στο φορτίο μέσα στον ακροδέκτη αποστράγγισης (D). Το σήμα i/p παρέχεται τόσο στην πύλη (G) όσο και στην πηγή (S) σε αυτήν την περίπτωση. Το τερματικό πηγής χρησιμεύει ως τερματικό αναφοράς μεταξύ των i/p και o/p σε αυτή τη διάταξη. Λόγω του υψηλού κέρδους και της δυνατότητας για περισσότερη ενίσχυση του σήματος, αυτή είναι ιδιαίτερα προτιμότερη η διαμόρφωση από τα BJT. Παρακάτω είναι ένα διάγραμμα του κυκλώματος του ενισχυτή MOSFET κοινής πηγής.
Η αντίσταση 'RD' είναι η αντίσταση μεταξύ της αποστράγγισης (D) και της γείωσης (G). Το υβριδικό μοντέλο π, το οποίο φαίνεται στο επόμενο σχήμα, χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει αυτό το κύκλωμα μικρού σήματος. Από αυτό το μοντέλο, το παραγόμενο ρεύμα αντιπροσωπεύεται από i = g Μ σε gs . Επομένως,
Οι τιμές των διαφορετικών παραμέτρων μπορούν να εκτιμηθούν ότι είναι Rin=∞, V Εγώ = V τους εαυτούς τους και V gs = V Εγώ
Έτσι, το κέρδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος είναι:
Ένα γραμμικό κύκλωμα που τροφοδοτείται από μια πηγή μπορεί να αντικατασταθεί με το αντίστοιχο Thevenin ή Norton. Η ισοδυναμία του Norton μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροποποίηση του τμήματος εξόδου του κυκλώματος από το κύκλωμα μικρού σήματος. Το ισοδύναμο Norton είναι πιο πρακτικό σε αυτήν την περίπτωση. Με την υποτιθέμενη ισοδυναμία, το κέρδος τάσης G ΣΕ μπορεί να τροποποιηθεί ως:
Οι ενισχυτές MOSFET κοινής πηγής έχουν άπειρη σύνθετη αντίσταση εισόδου/εξόδου, υψηλή αντίσταση on/off και κέρδος υψηλής τάσης.
Ενισχυτής Common-Gate (CG)
Οι ενισχυτές Common-Gate (CG) χρησιμοποιούνται συχνά ως ενισχυτές ρεύματος ή τάσης. Ο ακροδέκτης πηγής του τρανζίστορ (S) λειτουργεί ως είσοδος στη διάταξη CG, ενώ ο ακροδέκτης αποστράγγισης χρησιμεύει ως έξοδος και ο ακροδέκτης πύλης συνδέεται με τη γείωση (G). Η ίδια διάταξη ενισχυτή πύλης χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία ισχυρής απομόνωσης μεταξύ της εισόδου και της εξόδου για τη μείωση της σύνθετης αντίστασης εισόδου ή την αποφυγή ταλάντωσης. Τα μοντέλα μικρού σήματος και Τ του ισοδύναμου κυκλώματος του ενισχυτή κοινής πύλης φαίνονται παρακάτω. Το ρεύμα πύλης στο μοντέλο «T» είναι πάντα μηδέν.
Εάν, «Vgs» είναι εφαρμοσμένη τάση και το ρεύμα στην πηγή αντιπροσωπεύεται από «V gs x g Μ ', έπειτα:
Εδώ, ο ενισχυτής κοινής πύλης έχει μειωμένη αντίσταση εισόδου που αντιπροσωπεύεται ως R σε = 1/g Μ . Η τιμή της αντίστασης εισόδου είναι γενικά μερικές εκατοντάδες ohms. Η τάση o/p δίνεται ως:
Οπου:
Επομένως, η τάση ανοιχτού κυκλώματος μπορεί να αναπαρασταθεί ως:
Καθώς η αντίσταση εξόδου του κυκλώματος είναι R Ο = R ρε , το κέρδος του ενισχυτή υποφέρει από τη χαμηλή σύνθετη αντίσταση i/p. Επομένως, χρησιμοποιώντας τον τύπο του διαιρέτη τάσης:
Επειδή ο «Ρ τους εαυτούς τους είναι συχνά μεγαλύτερο από 1/g Μ , το «V Εγώ ’ είναι εξασθενημένο σε σύγκριση με το V τους εαυτούς τους . Το κατάλληλο κέρδος τάσης επιτυγχάνεται όταν μια αντίσταση φορτίου «RL» είναι συνδεδεμένη στο o/p,. Το κέρδος τάσης αντιπροσωπεύεται έτσι ως:
Κοινός ενισχυτής αποστράγγισης
Ένας ενισχυτής κοινής αποστράγγισης (CD) είναι αυτός στον οποίο το τερματικό πηγής λαμβάνει το σήμα εξόδου και το τερματικό της πύλης λαμβάνει το σήμα εισόδου ενώ ο ακροδέκτης αποστράγγισης (D) παραμένει ανοιχτός. Μικρά φορτία o/p οδηγούνται συχνά χρησιμοποιώντας αυτόν τον ενισχυτή CD ως κύκλωμα προσωρινής αποθήκευσης τάσης. Αυτή η διαμόρφωση προσφέρει πολύ χαμηλή σύνθετη αντίσταση o/p και εξαιρετικά υψηλή σύνθετη αντίσταση i/p.
Το ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή κοινής αποστράγγισης για μικρά σήματα και το μοντέλο T εμφανίζεται παρακάτω. Η πηγή εισόδου i/p σε αυτό το κύκλωμα μπορεί να αναγνωριστεί από την ισοδύναμη τάση μιας αντίστασης (R τους εαυτούς τους ) και ένα Thevenin (V τους εαυτούς τους ). Μια αντίσταση φορτίου (RL) συνδέεται με έξοδο μεταξύ του ακροδέκτη πηγής (S) και του ακροδέκτη γείωσης (G).
Δεδομένου ότι το Ι σολ είναι μηδέν, Rin = ∞ Ο διαιρέτης τάσης για την τάση τερματικού μπορεί να εκφραστεί ως:
Χρησιμοποιώντας το ισοδύναμο του Thevenin, το συνολικό κέρδος τάσης βρίσκεται παρόμοιο με την παραπάνω έκφραση, το οποίο μπορεί να εκτιμηθεί λαμβάνοντας υπόψη το R 0 =1/g Μ όπως και:
Αφού ο Ρ Ο = 1/g Μ είναι γενικά πολύ μικρή τιμή από την αντίσταση μεγάλου φορτίου «RL», το κέρδος είναι μικρότερο από τη μονάδα σε αυτήν την περίπτωση.
συμπέρασμα
Η διαφορά μεταξύ ενός κανονικού ενισχυτή και ενός ενισχυτή MOSFET είναι ότι ένας κανονικός ενισχυτής χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα για να ενισχύσει το σήμα εισόδου για να παράγει ένα σήμα εξόδου με υψηλό πλάτος. Οι ενισχυτές MOSFET επεξεργάζονται ψηφιακά σήματα με σχετικά μικρή κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τα BJT.