Bộ khuếch đại MOSFET

Bộ khuếch đại MOSFET

Bộ khuếch đại MOSFET sử dụng bóng bán dẫn silicon oxit kim loại được kết nối trong cấu hình nguồn chung

Trong hướng dẫn trước đây của chúng tôi về bộ khuếch đại FET, chúng tôi đã thấy rằng các bộ khuếch đại một giai đoạn đơn giản có thể được tạo ra bằng cách sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường đường giao nhau, hoặc JFET. Nhưng có các loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường khác có thể được sử dụng để cấu tạo và khuếch đại, và trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét Bộ khuếch đại MOSFET.

Bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn Metal Oxide, viết tắt là MOSFET, là một lựa chọn tuyệt vời cho các bộ khuếch đại tuyến tính tín hiệu nhỏ vì trở kháng đầu vào của chúng rất cao khiến chúng dễ bị sai lệch. Nhưng đối với một mosfet để tạo ra sự khuếch đại tuyến tính, nó phải hoạt động trong vùng bão hòa của nó, không giống như Bipolar Junction Transistor. Nhưng cũng giống như BJT, nó cũng cần được thiên vị xung quanh điểm Q cố định ở trung tâm.

Một
bóng bán dẫn MOSFET điển hình

MOSFETS dẫn qua một vùng dẫn điện hoặc đường dẫn được gọi là “kênh”. Chúng ta có thể làm cho kênh dẫn này rộng hơn hoặc nhỏ hơn bằng cách áp dụng một điện thế cổng thích hợp. Một điện trường gây ra xung quanh cực cổng do ứng dụng của điện áp cổng này ảnh hưởng đến các đặc tính điện của kênh, do đó có tên là bóng bán dẫn hiệu ứng trường .

Nói cách khác, chúng ta có thể kiểm soát cách thức hoạt động của MOSFET bằng cách tạo hoặc “tăng cường” kênh dẫn điện của nó giữa các vùng nguồn và nguồn tạo ra một loại MOSFET thường được gọi là MOSFET chế độ nâng cao kênh n, điều này đơn giản có nghĩa là trừ khi chúng ta thiên vị chúng tích cực trên cổng (tiêu cực đối với kênh p), không có dòng kênh sẽ chạy.

Có sự khác biệt lớn về các đặc tính của các loại mosfet khác nhau, và do đó xu hướng của một mosfet phải được thực hiện riêng lẻ. Cũng như cấu hình bộ phát chung của bóng bán dẫn lưỡng cực, bộ khuếch đại mosfet nguồn chung cần được phân cực ở một giá trị tĩnh thích hợp. Nhưng trước tiên chúng ta hãy nhắc nhở chúng ta về các đặc điểm và cấu hình cơ bản của mosfet.

Cải tiến MOSFET kênh N

Lưu ý rằng sự khác biệt cơ bản giữa Transistor Bipolar Junction và FET là BJT có các đầu cuối có nhãn Collector, Emitter và Base, trong khi MOSFET có các đầu cuối có nhãn Drain, Source và Gate tương ứng.

Ngoài ra, MOSFET khác với BJT ở chỗ không có kết nối trực tiếp giữa cổng và kênh, không giống như điểm nối cơ bản-phát của BJT, vì điện cực cổng kim loại được cách điện với kênh dẫn nên nó có tên phụ là Cổng cách điện Transistor hiệu ứng trường, hoặc IGFET.

Chúng ta có thể thấy rằng đối với MOSFET kênh n (NMOS) phía trên vật liệu bán dẫn nền là loại p , trong khi điện cực nguồn và điện cực thoát là loại n . Điện áp cung cấp sẽ là dương. Phân cực dương cực dương của cực cổng thu hút các điện tử trong chất nền bán dẫn loại p dưới vùng cổng về phía nó.

Điều này làm cho quá nhiều điện tử tự do trong chất nền loại p gây ra một kênh dẫn điện xuất hiện hoặc phát triển khi các đặc tính điện của vùng loại p đảo ngược, làm thay đổi hiệu quả chất nền loại p thành vật liệu loại n cho phép dòng điện chạy qua .

Điều ngược lại cũng đúng đối với MOSFET kênh p (PMOS), trong đó điện thế cổng âm gây ra hình thành các lỗ trống dưới vùng cổng khi chúng bị hút bởi các điện tử ở mặt ngoài của điện cực cổng kim loại. Kết quả là chất nền loại n tạo ra kênh dẫn loại p.

Vì vậy, đối với bóng bán dẫn MOS loại n của chúng tôi, chúng ta đặt càng nhiều điện thế dương vào cổng thì sự tích tụ các điện tử xung quanh vùng cổng càng lớn và kênh dẫn điện càng rộng. Điều này giúp tăng cường dòng điện tử qua kênh cho phép nhiều dòng kênh chạy hơn từ cống sang nguồn dẫn đến tên gọi MOSFET Nâng cao .

Bộ khuếch đại MOSFET cải tiến

MOSFET cải tiến, hoặc eMOSFET, có thể được phân loại là thiết bị thường tắt (không dẫn điện), tức là chúng chỉ dẫn điện khi áp dụng điện áp dương từ cổng đến nguồn phù hợp, không giống như các loại mosfet loại Depletion là thiết bị thường bật dẫn khi điện áp cổng bằng không.

Tuy nhiên, do cấu tạo và vật lý của một mosfet loại nâng cao, có một điện áp cổng-nguồn tối thiểu, được gọi là điện áp ngưỡng V TH phải được đặt vào cổng trước khi nó bắt đầu dẫn cho phép dòng tiêu chảy.

Nói cách khác, một mosfet tăng cường không dẫn điện khi điện áp nguồn cổng, V GS nhỏ hơn điện áp ngưỡng, V TH nhưng khi phân cực thuận cổng tăng lên, dòng xả, I D (còn được gọi là dòng nguồn thoát I DS ) cũng sẽ tăng lên, tương tự như bóng bán dẫn lưỡng cực, làm cho eMOSFET trở nên lý tưởng để sử dụng trong các mạch khuếch đại mosfet.

Các đặc tính của kênh dẫn MOS có thể được coi như một biến trở được điều khiển bởi cổng. Do đó, lượng dòng điện chảy qua kênh n này phụ thuộc vào điện áp nguồn cổng và một trong nhiều phép đo chúng ta có thể thực hiện bằng cách sử dụng mosfet là vẽ biểu đồ đặc tính truyền để thể hiện mối quan hệ iv giữa dòng chảy và cổng điện áp như hình.

Đặc điểm eMOSFET IV kênh N

Với điện áp nguồn xả V DS cố định được kết nối qua eMOSFET, chúng ta có thể vẽ biểu đồ các giá trị của dòng xả, I D với các giá trị khác nhau của V GS để thu được biểu đồ của các đặc tính DC chuyển tiếp MOSFET. Những đặc điểm này cung cấp cho transconductance, gm của transistor.

Độ tự cảm này liên hệ giữa dòng điện đầu ra với điện áp đầu vào đại diện cho độ lợi của bóng bán dẫn. Do đó, độ dốc của đường cong độ tự cảm tại bất kỳ điểm nào dọc theo nó được cho là: gm = I D / V GS với giá trị không đổi của V DS .

Vì vậy, ví dụ, giả sử một bóng bán dẫn MOS đi qua dòng cống 2mA khi V GS  = 3v và dòng thoát 14mA khi V GS  = 7v. Sau đó:

Tỷ lệ này được gọi là độ dẫn tĩnh của bóng bán dẫn hoặc độ dẫn điện một chiều, viết tắt của “độ dẫn truyền” và được cho là đơn vị của Siemens (S), là amps trên mỗi volt của nó. Độ lợi điện áp của bộ khuếch đại mosfet tỷ lệ thuận với độ dẫn điện và giá trị của điện trở cống.

Tại V GS  = 0 , không có dòng điện nào chạy qua kênh bóng bán dẫn MOS vì hiệu ứng trường xung quanh cổng không đủ để tạo hoặc “mở” kênh loại n. Khi đó bóng bán dẫn ở trong vùng cắt của nó hoạt động như một công tắc mở. Nói cách khác, với điện áp cổng 0 được áp dụng, eMOSFET kênh n được cho là thường tắt và điều kiện “TẮT” này được biểu thị bằng đường kênh bị hỏng trong biểu tượng eMOSFET (không giống như các loại cạn kiệt có đường kênh liên tục) .

Khi chúng ta tăng dần điện áp nguồn cổng dương V GS , hiệu ứng trường bắt đầu tăng cường độ dẫn của vùng kênh và trở thành điểm mà kênh bắt đầu dẫn. Điểm này được gọi là điện áp ngưỡng V TH . Khi chúng ta tăng V GS tích cực hơn, kênh dẫn trở nên rộng hơn (điện trở ít hơn) với lượng dòng tiêu, kết quả là I D tăng lên. Hãy nhớ rằng cổng không bao giờ dẫn bất kỳ dòng điện nào vì điện của nó được cách ly khỏi kênh tạo cho bộ khuếch đại mosfet một trở kháng đầu vào cực kỳ cao.

Do đó, MOSFET tăng cường kênh n sẽ ở chế độ cắt khi điện áp nguồn cổng, V GS nhỏ hơn mức điện áp ngưỡng của nó, V TH và kênh của nó dẫn hoặc bão hòa khi V GS trên mức ngưỡng này. Khi bóng bán dẫn eMOS hoạt động trong vùng bão hòa, dòng tiêu, I D được cho bởi:

eMOSFET xả hiện tại

Lưu ý rằng các giá trị của k (tham số dẫn) và V TH (điện áp ngưỡng) thay đổi từ eMOSFET này sang eMOSFET tiếp theo và không thể thay đổi về mặt vật lý. Điều này là do chúng là đặc điểm kỹ thuật cụ thể liên quan đến vật liệu và hình học thiết bị được tích hợp sẵn trong quá trình chế tạo bóng bán dẫn.

Đường đặc tính truyền tĩnh ở bên phải thường có dạng parabol (luật vuông) và sau đó là tuyến tính. Sự gia tăng dòng cống, I D đối với sự gia tăng điện áp nguồn cổng nhất định, V GS xác định độ dốc hoặc độ dốc của đường cong đối với các giá trị không đổi của V DS .

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng việc chuyển bóng bán dẫn MOS tăng cường “BẬT” là một quá trình dần dần và để chúng ta sử dụng MOSFET như một bộ khuếch đại, chúng ta phải thiên vị thiết bị đầu cuối cổng của nó tại một số điểm trên mức ngưỡng của nó.

Có nhiều cách khác nhau để chúng ta có thể làm điều này từ việc sử dụng hai nguồn cung cấp điện áp riêng biệt, để rút xu hướng phản hồi, xu hướng diode zener, v.v. Nhưng dù sử dụng phương pháp xu hướng nào, chúng ta phải đảm bảo rằng điện áp cổng dương hơn nguồn bằng một lượng lớn hơn V TH . Trong phần hướng dẫn khuếch đại mosfet này, chúng ta sẽ sử dụng mạch xu hướng phân áp đa năng quen thuộc hiện nay.

Xu hướng DC MOSFET

Mạch phân cực phân áp vạn năng là một kỹ thuật phân cực phổ biến được sử dụng để thiết lập điều kiện hoạt động DC mong muốn của bộ khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực cũng như bộ khuếch đại mosfet. Ưu điểm của mạng phân cực phân áp là MOSFET, hay thực sự là một bóng bán dẫn lưỡng cực, có thể được phân cực từ một nguồn cung cấp DC duy nhất. Nhưng trước tiên chúng ta cần biết vị trí đặt cổng thiên vị cho bộ khuếch đại mosfet của chúng ta.

Một thiết bị MOSFET có ba vùng hoạt động khác nhau. Các vùng này được gọi là: vùng Ohmic / Triode , Vùng bão hòa / Tuyến tính và điểm Pinch-off . Để một MOSFET hoạt động như một bộ khuếch đại tuyến tính, chúng ta cần thiết lập một điểm hoạt động tĩnh được xác định rõ ràng, hoặc điểm Q, vì vậy nó phải được thiên vị để hoạt động trong vùng bão hòa của nó. Điểm Q của mosfet được biểu diễn bằng các giá trị DC, I D và V GS định vị điểm hoạt động ở trung tâm trên đường đặc tính đầu ra của mosfet .

Như chúng ta đã thấy ở trên, vùng bão hòa bắt đầu khi V GS nằm trên mức ngưỡng V TH . Do đó, nếu chúng ta áp dụng một tín hiệu AC nhỏ được chồng lên thành phân cực DC này ở đầu vào cổng, thì MOSFET sẽ hoạt động như một bộ khuếch đại tuyến tính như được hiển thị.

eMOSFET DC Bias Point

Mạch NMOS nguồn chung trên cho thấy điện áp đầu vào hình sin, V i mắc nối tiếp với nguồn một chiều. Điện áp cổng DC này sẽ được thiết lập bởi mạch phân cực. Khi đó tổng điện áp nguồn cổng sẽ là tổng của V GS và V i .

Các đặc tính DC và do đó Q-point (điểm hoạt động gì) là tất cả các chức năng của điện áp cổng V GS , cung cấp điện áp V DD và điện trở tải R D .

Bóng bán dẫn MOS được phân cực trong vùng bão hòa để thiết lập dòng thoát mong muốn sẽ xác định điểm Q của bóng bán dẫn. Khi giá trị tức thời của V GS tăng lên, điểm phân cực di chuyển lên trên đường cong như thể hiện cho phép dòng tiêu lớn hơn chạy khi V DS giảm.

Tương tự như vậy, khi giá trị tức thời của V GS giảm (trong nửa âm của sóng sin đầu vào), điểm phân cực di chuyển xuống đường cong và V GS nhỏ hơn dẫn đến dòng thoát nhỏ hơn và V DS tăng .

Sau đó, để thiết lập một dao động đầu ra lớn, chúng ta phải thiên vị bóng bán dẫn trên mức ngưỡng để đảm bảo rằng bóng bán dẫn ở trạng thái bão hòa trong chu kỳ đầu vào hình sin đầy đủ. Tuy nhiên, có một giới hạn về số lượng cổng thiên vị và dòng thoát mà chúng ta có thể sử dụng. Để cho phép đầu ra dao động điện áp tối đa, điểm Q phải được đặt ở vị trí khoảng nửa giữa điện áp nguồn V DD và điện áp ngưỡng V TH .

Vì vậy, ví dụ, giả sử chúng ta muốn xây dựng một bộ khuếch đại nguồn chung NMOS một tầng. Điện áp ngưỡng, V TH của eMOSFET là 2,5 volt và điện áp cung cấp, V DD là +15 volt. Khi đó điểm phân cực DC sẽ là 15 - 2,5 = 12,5 v hoặc 6 vôn đến giá trị nguyên gần nhất.

Các MOSFET Tôi D - V DS Đặc điểm

Chúng ta đã thấy ở trên chúng ta có thể xây dựng một đồ thị của MOSFETs phía trước đặc điểm DC bằng cách giữ cho việc cung cấp điện áp, V DD liên tục và tăng điện áp cổng, V G . Nhưng để có được bức tranh đầy đủ về hoạt động của bóng bán dẫn MOS tăng cường loại n để sử dụng trong mạch khuếch đại mosfet, chúng ta cần hiển thị các đặc tính đầu ra cho các giá trị khác nhau của cả V DD và V GS .

Như với Transistor kết hợp lưỡng cực NPN , chúng ta có thể xây dựng một tập hợp các đường đặc tính đầu ra cho thấy dòng tiêu, I D để tăng các giá trị dương của V G đối với transistor MOS chế độ nâng cao kênh n như được minh họa.

Đường cong đặc điểm eMOSFET loại N

Lưu ý rằng thiết bị eMOSFET kênh p sẽ có một bộ đường cong đặc tính dòng xả rất giống nhau nhưng cực tính của điện áp cổng sẽ bị đảo ngược.

Bộ khuếch đại MOSFET nguồn chung cơ bản

Trước đây chúng ta đã xem xét cách thiết lập điều kiện hoạt động DC mong muốn để thiên vị eMOSFET loại n. Nếu chúng ta áp dụng một tín hiệu thay đổi thời gian nhỏ cho đầu vào, thì trong những trường hợp thích hợp, mạch mosfet có thể hoạt động như một bộ khuếch đại tuyến tính cung cấp điểm Q của bóng bán dẫn ở đâu đó gần trung tâm của vùng bão hòa và tín hiệu đầu vào đủ nhỏ để đầu ra vẫn tuyến tính. Hãy xem xét mạch khuếch đại mosfet cơ bản dưới đây.

Bộ khuếch đại MOSFET cơ bản

Cấu hình bộ khuếch đại mosfet nguồn chung chế độ tăng cường đơn giản này sử dụng một nguồn cung cấp duy nhất tại cống và tạo ra điện áp cổng yêu cầu, V G bằng cách sử dụng bộ chia điện trở. Chúng ta nhớ rằng đối với MOSFET, không có dòng điện nào chạy vào cực cổng và từ đó chúng ta có thể đưa ra các giả định cơ bản sau về điều kiện hoạt động DC của bộ khuếch đại MOSFET.

Sau đó, chúng ta có thể nói rằng:

và điện áp cổng vào nguồn của MOSFET, V GS được cho là:

Như chúng ta đã thấy ở trên, để mosfet hoạt động tốt, điện áp nguồn cổng này phải lớn hơn điện áp ngưỡng của mosfet, đó là V GS  > V TH . Vì I S  = I D , điện áp cổng, do đó V G cũng bằng nhau:

Để đặt điện áp cổng bộ khuếch đại MOSFET thành giá trị này, chúng tôi chọn các giá trị của điện trở, R1 và R2 trong mạng phân áp cho đúng giá trị. Như chúng ta đã biết ở trên, “không có dòng điện” nào chạy vào cực cổng của thiết bị MOSFET vì vậy công thức phân chia điện áp được đưa ra là:

Điện áp phân cực cổng bộ khuếch đại MOSFET

Lưu ý rằng phương trình phân áp này chỉ xác định tỷ số của hai điện trở phân cực, R1 và R2 chứ không phải giá trị thực của chúng. Ngoài ra, nên làm cho giá trị của hai điện trở này càng lớn càng tốt để giảm tổn thất công suất I 2 * R của chúng và tăng điện trở đầu vào của bộ khuếch đại MOSFET.

Ví dụ về bộ khuếch đại MOSFET No1

Một bộ khuếch đại mosfet nguồn thông thường được xây dựng bằng cách sử dụng eMOSFET kênh n có thông số dẫn là 50mA / V 2 và điện áp ngưỡng là 2,0 volt. Nếu điện áp nguồn là +15 vôn và điện trở tải là 470 Ohms, hãy tính giá trị của các điện trở cần thiết để phân cực bộ khuếch đại MOSFET ở 1/3 (V DD ). Vẽ sơ đồ mạch điện.

Các giá trị đã cho: V DD  = + 15v , V TH  = + 2.0v , k = 50mA / V 2 và R D  = 470Ω .

1. Xả hiện tại, tôi D

2. Điện áp nguồn cổng, V GS

3. Điện áp cổng, V G

Do đó, áp dụng KVL trên mosfet, điện áp nguồn cống, V DS được đưa ra là:

4. Điện trở nguồn, R S

Tỷ số của các điện trở phân áp, R1 và R2 cần thiết để cung cấp cho 1 / 3V DD được tính như sau:

Nếu ta chọn: R1 = 200kΩ và R2 = 100kΩ thì điều này sẽ thỏa mãn điều kiện: V G  = 1 / 3V DD . Ngoài ra, sự kết hợp của các điện trở phân cực này sẽ cung cấp điện trở đầu vào cho bộ khuếch đại mosfet khoảng 67kΩ .

Chúng ta có thể thực hiện thiết kế này thêm một bước nữa bằng cách tính toán các giá trị của các tụ ghép đầu vào và đầu ra. Nếu chúng ta giả sử một tần số cắt thấp hơn cho bộ khuếch đại mosfet của chúng ta, ví dụ, 20Hz, thì giá trị của hai tụ điện có tính đến trở kháng đầu vào của mạng xu hướng cổng được tính như sau:

Sau đó, mạch cuối cùng cho mạch Khuếch đại MOSFET một tầng được cho là:

Bộ khuếch đại MOSFET một tầng

Tóm tắt Bộ khuếch đại MOSFET

Mục tiêu chính của bộ khuếch đại MOSFET, hoặc bất kỳ bộ khuếch đại nào cho vấn đề đó, là tạo ra tín hiệu đầu ra là sự tái tạo trung thực của tín hiệu đầu vào của nó nhưng được khuếch đại về cường độ. Tín hiệu đầu vào này có thể là dòng điện hoặc điện áp, nhưng để một thiết bị mosfet hoạt động như một bộ khuếch đại, nó phải được phân cực để hoạt động trong vùng bão hòa của nó.

Có hai loại MOSFET chế độ nâng cao cơ bản, kênh n và kênh p và trong hướng dẫn bộ khuếch đại mosfet này, chúng ta đã xem xét MOSFET cải tiến kênh n thường được gọi là NMOS, vì nó có thể hoạt động với cổng tích cực và điện áp xả so với nguồn trái ngược với PMOS kênh p được vận hành với cổng âm và điện áp xả so với nguồn.

Vùng bão hòa của thiết bị mosfet là vùng dòng điện không đổi của nó trên ngưỡng điện áp của nó, V TH . Sau khi được phân cực chính xác trong vùng bão hòa, dòng xả, I D thay đổi do điện áp cổng vào nguồn, V GS chứ không phải bởi điện áp từ nguồn đến nguồn, V DS vì dòng xả được gọi là bão hòa.

Trong MOSFET chế độ nâng cao, trường tĩnh điện được tạo ra bởi việc áp dụng điện áp cổng sẽ tăng cường độ dẫn của kênh, thay vì làm cạn kênh như trong trường hợp MOSFET ở chế độ cạn kiệt.

Điện áp ngưỡng là sai lệch cổng tối thiểu cần thiết để cho phép hình thành kênh giữa nguồn và cống. trên giá trị này, dòng tiêu tăng tương ứng với (V GS - V TH ) 2 trong vùng bão hòa cho phép nó hoạt động như một bộ khuếch đại.