MOSFET-versterker
Een MOSFET-versterker is gebaseerd op metaaloxide-halfgeleidertechnologie. Het is een soort veldeffecttransistor met geïsoleerde poort. Veldeffecttransistoren bieden een lagere o/p-impedantie en een hogere i/p-impedantie wanneer ze worden gebruikt voor versterkingsfuncties.
Circuit en werking van Enhancement MOSFET-versterker
Het circuit voor een MOSFET-versterker wordt hieronder gegeven. De letters 'G', 'S' en 'D' worden in dit circuit gebruikt om de posities van de gate, source en drain aan te geven, terwijl de drainspanning, de drainstroom en de gate-source-spanning zijn weergegeven door V D , I D , en V GS .
MOSFET's werken vaak in drie regio's: lineair/ohmisch, cut-off en verzadiging. Wanneer MOSFET's als versterkers worden gebruikt, functioneren ze in de ohmse zone van een van deze drie werkgebieden, waar de algehele stroomsterkte van het apparaat toeneemt naarmate de aangelegde spanning stijgt.
In de MOSFET-versterker, vergelijkbaar met een JFET, zal een kleine verandering in de poortspanning resulteren in een aanzienlijke verandering in de afvoerstroom. Als gevolg hiervan dient MOSFET als versterker door een zwak signaal aan de poortaansluitingen te versterken.
Werking van MOSFET-versterker
MOSFET-versterkercircuit wordt gecreëerd door een source-, drain-, belastingsweerstand en koppelcondensatoren toe te voegen aan het eenvoudigere circuit dat hierboven wordt weergegeven. Het voorspanningscircuit van de MOSFET-versterker wordt hieronder weergegeven:
Een spanningsdeler is de bouwcomponent van het bovengenoemde voorspanningscircuit en zijn voornaamste taak is het voorspannen van een transistor in één richting. Daarom is dit de voorspanningstechniek die transistors gebruiken in de meest voorgespannen circuits. Om ervoor te zorgen dat de spanning op de juiste niveaus wordt verdeeld en aan de MOSFET wordt geleverd, worden twee weerstanden gebruikt. Twee parallelle weerstanden, R 1 en R 2 , worden gebruikt om de voorspanningen te leveren. De voorspannende gelijkspanningsdeler in het bovenstaande circuit is afgeschermd tegen het wisselstroomsignaal dat verder zal worden versterkt door de C 1 en C 2 paar koppelcondensatoren. De belasting als RL-weerstand ontvangt de uitgang. De voorspanning wordt gegeven door:
R 1 en R 2 De waarden zijn in dit geval doorgaans hoog om de ingangsimpedantie van de versterker te vergroten en de ohmse vermogensverliezen te beperken.
Ingangs- en uitgangsspanningen (Vin & Vout)
We gaan ervan uit dat er geen belasting parallel is aangesloten op de afvoertak om de wiskundige uitdrukkingen te vereenvoudigen. De source-gate-spanning VGS ontvangt de ingangsspanning (Vin) van de gate-aansluiting (G). R S x ik D levert de spanningsval over de betreffende R S weerstand. Transconductantie (bijv M ) is de verhouding van de afvoerstroom ( I D ) naar poortbronspanning ( V GS ) nadat een constante drain-source-spanning is toegepast:
Dus ik D = g M ×V GS & de ingangsspanning (V in ) kan worden berekend uit V GS :
De o/p-spanning (V uit ) in het bovenstaande circuit is:
Spanningsversterking
De spanningsversterking (A IN ) is de verhouding tussen ingangs- en uitgangsspanningen. Na die reductie wordt de vergelijking:
Het feit dat de MOSFET-versterker het o/p-signaal inversie uitvoert, net als de BJT CE-versterker. Het symbool “-“ geeft inversie aan. De faseverschuiving is dus 180° of rad voor uitgangen.
Classificatie van MOSFET-versterker
Er zijn drie verschillende soorten MOSFET-versterkers: common gate (CG), common source (CS) en common drain (CD). Elk type en de configuratie ervan worden hieronder gedetailleerd beschreven.
Versterking met behulp van gemeenschappelijke bron-MOSFET's
In een gemeenschappelijke bronversterker wordt de o/p-spanning versterkt en reikt deze over de weerstand bij de belasting in de drain-aansluiting (D). Het i/p-signaal wordt in dit geval geleverd aan zowel de gate- (G) als de source-terminals (S). De bronterminal dient in deze opstelling als referentieterminal tussen de i/p en o/p. Vanwege de hoge versterking en het potentieel voor meer signaalversterking verdient deze configuratie vooral de voorkeur boven BJT's. Hieronder ziet u een diagram van het circuit van een gemeenschappelijke MOSFET-versterker.
De “RD”-weerstand is de weerstand tussen de drain (D) en aarde (G). Het hybride π-model, dat in de volgende figuur wordt getoond, wordt gebruikt om dit kleinsignaalcircuit weer te geven. Volgens dit model wordt de geproduceerde stroom weergegeven door i = g M in g . Daarom,
De waarden van verschillende parameters kunnen worden geschat op Rin=∞, V i =V zich en V g =V i
De spanningsversterking bij open circuit is dus:
Een lineair circuit dat wordt aangedreven door een bron, kan worden vervangen door het equivalent van Thevenin of Norton. De gelijkwaardigheid van Norton kan worden gebruikt om het uitgangsgedeelte van het circuit te wijzigen van het kleinsignaalcircuit. Het Norton-equivalent is praktischer in deze situatie. Met de veronderstelde gelijkwaardigheid is de spanningsversterking G IN kan worden gewijzigd als:
Common Source MOSFET-versterkers hebben een oneindige ingangs-/uitgangsimpedantie, een hoge aan/uit-weerstand en een hoge spanningsversterking.
Common-Gate-versterker (CG)
Common-gate (CG) versterkers worden vaak gebruikt als stroom- of spanningsversterkers. De source-aansluiting (S) van de transistor fungeert als ingang in de CG-opstelling, terwijl de drain-aansluiting als uitgang dient en de gate-aansluiting is verbonden met aarde (G). Dezelfde poortversterkeropstelling wordt vaak gebruikt om een sterke isolatie tussen de ingang en uitgang te creëren om de ingangsimpedantie te verminderen of oscillatie te voorkomen. De kleinsignaal- en T-modellen van het common-gate versterker-equivalentcircuit worden hieronder weergegeven. De poortstroom in het ‘T’-model is altijd nul.
Als 'Vgs' spanning is en de stroom aan de bron wordt weergegeven door 'V g x g M ', Dan:
Hier heeft de gemeenschappelijke poortversterker een verminderde ingangsweerstand, weergegeven als R in = 1/g M . De waarde van de ingangsweerstand is over het algemeen een paar honderd ohm. De o/p-spanning wordt gegeven als:
Waar:
Daarom kan de nullastspanning worden weergegeven als:
Omdat de uitgangsweerstand van het circuit R is O = R D , de versterkerversterking lijdt onder de lage i/p-impedantie. Gebruik daarom de formule van de spanningsdeler:
Omdat ‘R zich ’ is vaak groter dan 1/g M , de V i ’ is verzwakt in vergelijking met V zich . De juiste spanningsversterking wordt bereikt wanneer een belastingsweerstand ‘RL’ op de o/p wordt aangesloten. De spanningsversterking wordt dus weergegeven als:
Gemeenschappelijke afvoerversterker
Een common-drain (CD) versterker is een versterker waarbij de source-aansluiting het uitgangssignaal ontvangt, en de gate-aansluiting het ingangssignaal ontvangt terwijl de drain (D)-aansluiting open wordt gelaten. Kleine o/p-belastingen worden vaak aangestuurd met behulp van deze CD-versterker als spanningsbuffercircuit. Deze configuratie biedt een zeer lage o/p-impedantie en een extreem hoge i/p-impedantie.
Het equivalente circuit van de common drain-versterker voor kleine signalen en het T-model wordt hieronder weergegeven. De i/p-ingangsbron in dit circuit kan worden geïdentificeerd door de equivalente spanning van een weerstand (R zich ) en een Thevenin (V zich ). Een belastingsweerstand (RL) wordt aangesloten op de uitgang tussen de bronaansluiting (S) en de aardeaansluiting (G).
Sinds de ik G is nul, Rin = ∞ De spanningsdeler voor klemspanning kan worden uitgedrukt als:
Door het equivalent van Thevenin te gebruiken, wordt de algehele spanningsversterking vergelijkbaar met de bovenstaande uitdrukking gevonden, die kan worden geëvalueerd met inachtneming van R 0 =1/g M als:
Sinds R O = 1/g M is over het algemeen een vrij kleine waarde bij grote belastingsweerstand ‘RL’, de versterking is in dit geval kleiner dan één.
Conclusie
Het verschil tussen een gewone versterker en een MOSFET-versterker is dat een gewone versterker een elektronisch circuit gebruikt om het ingangssignaal te versterken om een uitgangssignaal met een hoge amplitude te produceren. MOSFET-versterkers verwerken digitale signalen met relatief weinig stroomverbruik in vergelijking met BJT's.