MOSFET-urile conduc prin regiunea conductivă sau calea numită "canal". Putem face acest canal conductiv mai larg sau mai mic prin aplicarea unui potențial adecvat pe poartă. Un câmp electric indus în jurul terminalului poartă prin aplicarea acestei tensiuni de poartă afectează caracteristicile electrice ale canalului, deci și numele tranzistor cu efect de câmp.

Cu alte cuvinte, putem controla modul în care mosfet-ul funcționează prin crearea sau "îmbunătățirea" canalului conductiv între regiunile sursă și drenă producând un tip de MOSFET numit în mod obișnuit MOSFET mod-îmbunătățire cu canal-n, ceea ce înseamnă pur și simplu că dacă nu-l polarizăm pozitiv pe poartă (negativ pentru canal-p), nu va circula curent prin canal.

Există variații mari în caracteristicile diferitelor tipuri de MOSFET și, prin urmare, polarizarea unui MOSFET trebuie făcută individual. Ca și în cazul configurației cu emitor-comun a tranzistorului bipolar, amplificatorul MOSFET cu sursă-comună trebuie să fie polarizat la o valoare statică adecvată.

MOSFET canal-n îmbunătățit

Rețineți că diferențele fundamentale dintre un tranzistor bipolar și un FET sunt că un BJT are terminale etichetate Colector, Emitor și Bază, în timp ce un MOSFET are terminale etichetate Drenă, Sursă și Poartă, respectiv.

De asemenea, MOSFET diferă de BJT prin faptul că nu există o legătură directă între poartă și canal, spre deosebire de joncțiunea bază-emitor a BJT, deoarece electrodul de poartă metalică este izolat electric de canalul conductiv, conferindu-i numele secundar de tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată, sau IGFET.

Putem observa că pentru MOSFET cu canal-n (NMOS) de mai sus, materialul semiconductor al substratului este de tip-p, în timp ce electrozii Sursă și Drenă sunt de tip-n. Tensiunea de alimentare va fi pozitivă. Polarizarea pozitivă a terminalului Poartă atrage electronii în substratul semiconductor de tip-p sub regiunea porții spre acesta.

Această abundență de electroni liberi din substratul de tip-p cauzează apariția sau creșterea unui canal conductiv, deoarece proprietățile electrice ale zonei de tip-p se inversează, modificând în mod efectiv substratul de tip-p într-un material de tip-n, care permite circulația curentului prin canal.

Reversul este valabil și pentru MOSFET cu canal-p (PMOS), unde un potențial negativ al porții cauzează o construcție de goluri sub regiunea porții, deoarece acestea sunt atrase de electronii de pe partea exterioară a electrodului metalic al porții. Rezultatul este că substratul tip-n creează un canal conductiv de tip-p.

Deci, pentru tranzistorul MOS de tip-n, cu cât mai mult potențial pozitiv pe poartă, cu atât este mai mare acumularea de electroni în jurul regiunii poartă și cu atât devine mai larg canalul conductiv. Aceasta îmbunătățește fluxul de electroni prin canal, permițând ca mai mult curent de canal să circule de la Drenă la Sursă, conducând la numele de MOSFET de îmbunătățire.

Amplificatoare MOSFET de îmbunătățire

MOSFET-urile de îmbunătățire sau eMOSFET pot fi clasificate ca dispozitive normal-OFF (nu conduc), adică ele conduc numai atunci când se aplică o tensiune poartă-sursă pozitivă adecvată, spre deosebire de MOSFET-urile de tip "sărăcire" unde tensiunea de poartă este zero.

Dar, datorită construcției și fizicii unui mosfet de tip îmbunătățit, există o tensiune minimă poartă-sursă, numită tensiune de prag VTH care trebuie aplicată la poartă înainte de a începe să permită curgerea curentului de drenă.

Cu alte cuvinte, un MOSFET nu conduce atunci când tensiunea poartă-sursă VGS este mai mică decât tensiunea de prag VTH dar, pe măsură ce polarizarea directă a porții crește, curentul de drenă ID (sau curent drenă-sursă IDS) va crește, similar ca un tranzistor bipolar, făcând eMOSFET ideal pentru utilizarea în circuite de amplificare.

Caracteristicile canalului conductiv MOS pot fi considerate ca un rezistor variabil care este controlat de poartă. Cantitatea de curent de drenă care curge prin acest canal-n, prin urmare, depinde de tensiunea poartă-sursă și una dintre multele măsurători pe care le putem face, folosind un MOSFET, este de a reprezenta graficul caracteristicilor de transfer pentru a arăta relația I-V între curentul de drenă și tensiunea de poartă, așa cum se arată.

Caracteristici I-V pentru eMOSFET canal-N

Cu o tensiune drenă-sursă VDS fixă conectată pe eMOSFET, putem trasa valorile curentului de drenă ID cu valori variabile ale VGS pentru a obține un grafic al caracteristicilor DC directe de mosfet. Aceste caracteristici dau transconductanța gm a tranzistorului.

Această transconductanță corelează curentul de ieșire cu tensiunea de intrare reprezentând câștigul tranzistorului. Panta curbei de transconductanță în orice punct de-a lungul ei este dată, prin urmare, de: gm = ID/VGS pentru o valoare constantă a VDS.

De exemplu, presupunem că un tranzistor MOS trece un curent de drenă de 2 mA atunci când VGS = 3 V și un curent de drenă de 14 mA când VGS = 7V. Atunci:

Acest raport este numit transconductanța statică sau DC a tranzistorului care este, pe scurt, pentru "conductanța de transfer" și are unitatea Siemens (S), ca amperi pe volt. Câștigul de tensiune al unui amplificator MOSFET este direct proporțional cu transconductanța și cu valoarea rezistorului de drenă.

La VGS = 0, nu trece curent prin canalul tranzistorului MOS, deoarece efectul de câmp în jurul porții este insuficient pentru a crea sau "a deschide" canalul de tip-n. Deci, tranzistorul se află în regiunea sa de cut-off, acționând ca un întrerupător deschis. Cu alte cuvinte, cu tensiunea zero pe poartă, eMOSFET canal-n este declarat normal-OFF și această condiție "OFF" este reprezentată prin linia întreruptă a canalului în simbolul eMOSFET (spre deosebire de tipurile de epuizare care au o linie continuă de canal).

Pe măsură ce creștem treptat tensiunea pozitivă poartă-sursă VGS, efectul de câmp începe să îmbunătățească conductivitatea regiunii canalului și devine un punct în care canalul începe să conducă. Acest punct este cunoscut ca tensiunea de prag VTH. Pe măsură ce creștem VGS mai pozitiv, canalul conductiv devine mai larg (mai mică rezistența) cu cantitatea de curent de drenă ID crescând ca rezultat. Amintiți-vă că poarta nu conduce niciodată nici un curent, deoarece este izolată electric de canal, oferind un amplificator MOSFET cu o impedanță de intrare extrem de ridicată.

Prin urmare, MOSFET canal-n, mod îmbunătățit, va fi în modul său cut-off, atunci când tensiunea poartă-sursă VGS este mai mică decât nivelul tensiunii de prag VTH și canalul său conduce sau se saturează, atunci când VGS este deasupra acestui nivel de prag. Când tranzistorul eMOS funcționează în regiunea de saturație, curentul de drenă ID este dat de:

Curentul de drenă pentru eMOSFET

Rețineți că valorile lui k (parametru de conducție) și VTH (tensiunea de prag) variază de la un eMOSFET la altul și nu pot fi modificate fizic, deoarece sunt specificații ale geometriei materialului și dispozitivului care sunt încorporate în timpul fabricării tranzistorului.

Curba caracteristicii de transfer static din dreapta este în general parabolică în formă și deci liniară. Creșterea curentului de drenă ID pentru o creștere dată a tensiunii poartă-sursă VGS determină panta sau gradientul curbei pentru valori constante ale VDS.

Atunci, putem vedea cum comutarea "ON" a unui tranzistor MOS de îmbunătățire este un proces treptat și pentru ca noi să folosim MOSFET ca amplificator, trebuie să polarizăm terminalul de poartă la un punct peste nivelul său de prag.

Există multe moduri diferite de a face acest lucru de la folosirea a două surse separate de tensiune, la polarizarea prin reacție de la drenă, la polarizare cu diode zener, etc. Dar, indiferent ce metodă de polarizare vom folosi, trebuie să ne asigurăm că tensiunea de poartă este mai pozitivă decât Sursa cu o valoare mai mare decât VTH. În acest tutorial vom folosi circuitul de polarizare universal de divizare a tensiunii, acum familiar.

Polarizare DC pentru MOSFET

Circuitul de polarizare universal cu divizor de tensiune este o tehnică utilizată pentru a stabili o condiție de funcționare DC dorită a amplificatoarelor cu tranzistor bipolare, precum și a amplificatoarelor cu MOSFET. Avantajul rețelei de polarizare cu divizor de tensiune este că MOSFET-ul, sau chiar un tranzistor bipolar, poate fi polarizat de la o singură alimentare DC. Dar mai întâi trebuie să știm unde să polarizăm poarta pentru amplificatorul nostru MOSFET.

Un dispozitiv MOSFET are trei regiuni diferite de funcționare. Aceste regiuni sunt numite: regiunea Ohmică/ Triodei, regiunea saturată/liniară și punctul pinch-off. Pentru ca un MOSFET să funcționeze ca un amplificator liniar, trebuie să stabilim un punct de operare statică bine definit sau punct-Q, deci trebuie să fie polarizat să opereze în regiunea sa de saturație. Punctul-Q pentru MOSFET este reprezentat de valorile DC ID și VGS care poziționează punctul de operare central pe curba caracteristicilor de ieșire MOSFET.

Așa cum am văzut mai sus, regiunea de saturație începe când VGS este peste nivelul pragului VTH. Prin urmare, dacă vom aplica un mic semnal AC care este suprapus pe această polarizare DC la intrarea porții, atunci MOSFET va acționa ca un amplificator liniar, după cum se arată.

Punctul de polarizare DC pentru eMOSFET

Circuitul NMOS cu sursa-comună, de mai sus, arată că tensiunea de intrare sinusoidală Vi este în serie cu o sursă DC. Această tensiune DC de poartă va fi setată de circuitul de polarizare. Atunci, tensiunea totală poartă-sursă va fi suma lui VGS și Vi.

Caracteristicile DC și, prin urmare, punctul-Q (punctul Quiescent-static) sunt toate funcții de tensiunea porții VGS, tensiunea de alimentare VDD și rezistența de sarcină RD.

Tranzistorul MOS este polarizat în regiunea de saturație pentru a stabili curentul de drenă dorit, care va defini punctul-Q al tranzistorului. Pe măsură ce crește valoarea instantanee a VGS, punctul de polarizare se mișcă în sus, așa cum este arătat, permițând ca un curent de drenă mai mare să curgă pe măsură ce VDS scade.

De asemenea, pe măsură ce valoarea instantanee a VGS scade (în timpul alternanței negative a undei sinusoidale de intrare), punctul de polarizare se deplasează în jos pe curbă, iar un VGS mai mic are ca rezultat un curent de drenă mai mic și VDS mărită.

Atunci, pentru a stabili o oscilație mare de ieșire, trebuie să polarizăm tranzistorul cu mult peste nivelul pragului pentru a ne asigura că tranzistorul rămâne în saturație pe ciclul complet de intrare sinusoidală. Dar, există o limită privind cantitatea de polarizare a porții și curentul de drenă pe care le putem folosi. Pentru a permite o oscilație maximă a tensiunii de ieșire, punctul-Q trebuie poziționat aproximativ la jumătatea distanței dintre tensiunea de alimentare VDD și tensiunea de prag VTH.

De exemplu, să presupunem că dorim să construim un singur etaj de amplificator cu sursă-comună NMOS. Tensiunea de prag VTH a eMOSFET este de 2,5 volți, iar tensiunea de alimentare VDD este +15 volți. Atunci, punctul de polarizare DC va fi 15 - 2,5 = 12,5V sau 12 volți la cea mai apropiată valoare întreagă.

Caracteristicile ID - VDS ale MOSFET

Am văzut mai sus că putem construi un grafic al caracteristicilor DC directe ale mosfet prin menținerea tensiunii de alimentare VDD constantă și creșterea tensiunii de poartă VG. Dar, pentru a obține o imagine completă a funcționării tranzistorului MOS de tip-n mod îmbunătățit, pentru a fi utilizat într-un circuit amplificator MOSFET, trebuie să afișăm caracteristicile de ieșire pentru diferite valori ale VDD și VGS.

Ca și în cazul tranzistorului Bipolar NPN, putem construi un set de curbe caracteristice de ieșire care arată curentul de drenă ID pentru creșterea valorilor pozitive ale VG pentru un tranzistor MOS cu mod îmbunătățire, canal-n, așa cum se arată.

Curbe caracteristice pentru eMOSFET tip-N

Rețineți că un dispozitiv eMOSFET cu canal-p ar avea un set foarte similar de curbe caracteristice ale curentului de drenă, dar polaritatea tensiunii de poartă ar fi inversată.

Amplificator MOSFET cu sursă-comună

Anterior, ne uitam la modul de stabilire a condiției de funcționare DC dorită pentru a polariza eMOSFET-ul tip-n. Dacă aplicăm un semnal mic care variază în timp la intrare, atunci, în circumstanțe potrivite, circuitul MOSFET poate acționa ca un amplificator liniar care furnizează tranzistoarelor punctul-Q, fiind undeva în apropierea centrului regiunii de saturație și semnalul de intrare este suficient de mic pentru ca ieșirea să rămână liniară. Luați în considerare circuitul de bază MOSFET de mai jos.

Amplificator de bază MOSFET

Această configurație simplă de amplificator MOSFET cu sursă-comună mod-îmbunătățire folosește o singură sursă de alimentare la drenă și generează tensiunea de poartă necesară VG utilizând un divizor rezistor. Ne amintim că pentru un MOSFET, nu curge curent în terminalul poartă și deci putem face următoarele presupuneri de bază cu privire la condițiile de operare DC a amplificatoarelor MOSFET.

Atunci putem spune din aceasta că:

și tensiunea poartă-sursă a mosfet VGS este dată de:

Așa cum am văzut mai sus, pentru funcționarea corectă a MOSFET-ului, această tensiune poartă-sursă trebuie să fie mai mare decât tensiunea de prag a MOSFET-ului, adică VGS > VTH. Deoarece IS = ID, tensiunea de poartă VG este, prin urmare, egală cu:

Pentru a seta tensiunea de poartă a amplificatorului MOSFET la această valoare, selectăm valorile rezistoarelor R1 și R2 din rețeaua divizoare de tensiune la valorile corecte. Așa cum știm de mai sus, "nici un curent" nu curge în terminalul de poartă al unui dispozitiv MOSFET, astfel că formula pentru divizarea tensiunii este dată de:

Tensiunea de polarizare a porții amplificatorului MOSFET

Rețineți că această ecuație de divizor de tensiune determină numai raportul dintre cele două rezistoare de polarizare R1 și R2 și nu valorile lor reale. De asemenea, este de dorit ca valorile acestor două rezistoare să fie cât mai mari posibil pentru a reduce pierderea lor de putere I2R și pentru a crește rezistența de intrare a amplificatorului MOSFET.

Amplificator MOSFET. Exemplul nr. 1

Un amplificator mosfet sursă-comună trebuie construit folosind un eMOSFET canal-n care are un parametru de conducție de 50mA/V² și o tensiune de prag de 2,0 volți. Dacă tensiunea de alimentare este de +15 volți iar rezistorul de sarcină este de 470 Ω, calculați valorile rezistoarelor necesare pentru a polariza amplificatorul MOSFET la 1/3 VDD. Desenați schema circuitului.

Valorile date: VDD = + 15V, VTH = + 2,0V, k = 50mA/V² și RD = 470Ω.

1. Curentul de drenă ID

2. Tensiunea poartă-sursă VGS

3. Tensiunea de poartă VG

Prin urmare, aplicând KVL pe MOSFET, tensiunea drenă-sursă VDS este dată de:

4. Rezistența sursei RS

Raportul dintre rezistoarele divizorului de tensiune R1 și R2 necesare pentru a da 1/3 VDD se calculează astfel:

Dacă alegem: R1 = 200 kΩ și R2 = 100 kΩ aceasta va satisface condiția: VG = 1/3 VDD. De asemenea, această combinație de rezistoare de polarizare va oferi o rezistență de intrare la amplificatorul MOSFET de aproximativ 67 kΩ.

Putem realiza această schemă cu un pas mai departe prin calcularea valorilor condensatoarelor de cuplare de intrare și ieșire. Dacă presupunem o frecvență cut-off inferioară, de exemplu 20Hz, atunci valorile celor două condensatoare ținând cont de impedanța de intrare a rețelei de polarizare a porții se calculează după cum urmează:

Atunci, circuitul final pentru circuitul amplificator MOSFET cu un singur etaj treaptă este dat de:

Amplificator MOSFET cu un singur etaj

Rezumat Amplificator MOSFET

Scopul principal al unui amplificator MOSFET este să producă un semnal de ieșire care să fie o reproducere fidelă a semnalului său de intrare, dar amplificat în amplitudine. Acest semnal de intrare ar putea fi un curent sau o tensiune, dar pentru ca un dispozitiv MOSFET să funcționeze ca un amplificator, acesta trebuie să fie polarizat să funcționeze în regiunea sa de saturație.

Există două tipuri de bază de MOSFET-uri cu mod de îmbunătățire, canal-n și canal-p și în acest tutorial am analizat MOSFET îmbunătățit canal-n, adesea denumit NMOS, deoarece poate fi operat cu poarta și tensiuni de drenă pozitive în raport cu sursa, spre deosebire de PMOS canal-p care operează cu poarta și tensiuni de drenă negative în raport cu sursa.

Regiunea de saturație a unui dispozitiv MOSFET este regiunea sa de curent constant peste tensiunea sa de prag VTH. După o polarizare corectă în regiunea de saturație, curentul de drenă ID variază ca urmare a tensiunii poartă-sursă VGS și nu prin tensiunea drenă-sursă VDS, deoarece curentul de drenă este numit saturat.

Într-un MOSFET cu mod de îmbunătățire, câmpul electrostatic creat prin aplicarea unei tensiuni de poartă îmbunătățește conductivitatea canalului, în loc să epuizeze canalul ca în cazul unui MOSFET cu mod de epuizare.

Tensiunea de prag este polarizarea minimă a porții necesară pentru a permite formarea canalului între sursă și drenă. Peste această valoare, curentul de drenă crește proporțional cu (VGS-VTH)⁹ în regiunea de saturație, permițându-i să funcționeze ca un amplificator.