Mosfet nedir: yapısı, çeşitleri ve çalışması

MOSFET, temelde alan etkisi kullanan bir transistördür. MOSFET, bir kapısı olan Metal Oksit Alan Etkili Transistör anlamına gelir. Kapı voltajı, cihazın iletkenliğini belirler. Bu geçit voltajına bağlı olarak iletkenliği değiştirebiliriz ve böylece Transistörü bir anahtar veya bir amplifikatör olarak kullandığımız gibi bir anahtar veya bir amplifikatör olarak kullanabiliriz.

Bipolar Kavşak Transistörü veya BJT'de taban, verici ve toplayıcı bulunurken, bir MOSFET'in geçit, boşaltma ve kaynak bağlantısı vardır. Pim yapılandırması dışında, BJT'nin çalışması için akıma ve MOSFET'in voltaja ihtiyacı vardır.

MOSFET çok yüksek giriş empedansı sağlar ve önyargılı olması çok kolaydır. Bu nedenle, doğrusal küçük bir amplifikatör için MOSFET mükemmel bir seçimdir. Doğrusal amplifikasyon, MOSFET'i merkezi olarak sabitlenmiş bir Q noktası olan doyma bölgesinde önyargılı hale getirdiğimizde meydana gelir.

Aşağıdaki resimde, temel bir N-kanallı MOSFET'lerin iç yapısı gösterilmektedir. MOSFET'in Drain, Gate ve Source olmak üzere üç bağlantısı vardır. Kapı ile kanal arasında doğrudan bir bağlantı yoktur. Kapı elektrodu elektriksel olarak yalıtılmıştır ve bu nedenle bazen IGFET veya Yalıtılmış Kapı Alan Etkili Transistör olarak anılır.

İşte oldukça popüler olan MOSFET IRF530N'nin görüntüsü.

MOSFET Türleri

Çalışma modlarına bağlı olarak, iki farklı MOSFET türü mevcuttur. Bu iki türün ayrıca iki alt türü vardır

1. Tükenme tipi MOSFET veya Tükenme modu ile MOSFET

• N-Kanal MOSFET veya NMOS
• P-Kanal MOSFET veya PMOS

1. Geliştirme türü MOSFET veya Geliştirme modu ile MOSFET

• N-Kanal MOSFET veya NMOS
• P-Kanal MOSFET veya PMOS

Tükenme tipi MOSFET

MOSFET'in tükenme tipi normalde sıfır Geçitten Kaynak gerilimine açıktır. MOSFET, N-Channel Depletion-type MOSFET ise, cihazı kapatmak için gerekli olan bazı eşik voltajları olacaktır. Örneğin, -3V veya -5V eşik voltajına sahip bir N-Channel Depletion MOSFET, cihazı kapatmak için MOSFET kapısının negatif -3V veya -5V çekilmesi gerekir. Bu eşik voltajı, N kanalı için Negatif ve P kanalı durumunda pozitif olacaktır. Bu tür MOSFET genellikle mantık devrelerinde kullanılır.

Geliştirme türü MOSFET

Geliştirme tipi MOSFET'lerde, cihaz sıfır Kapı voltajında ​​KAPALI kalır. MOSFET'i açmak için, kaynağa minimum bir Geçit voltajı (Vgs Eşik voltajı) sağlamalıyız. Ancak, boşaltma akımı bu geçitten kaynağa gerilime oldukça bağlıdır, Vgs artarsa, boşaltma akımı da aynı şekilde artar. Geliştirme tipi MOSFET'ler, bir Amplifikatör devresi oluşturmak için idealdir. Ayrıca, benzer şekilde tükenme MOSFET'i gibi, NMOS ve PMOS alt tiplerine de sahiptir.

MOSFET'in Özellikleri ve Eğrileri

Drenaj boyunca kaynağa sabit voltaj sağlayarak, bir MOSFET'in IV eğrisini anlayabiliriz. Yukarıda belirtildiği gibi, boşaltma akımı, Vgs, geçitten kaynak voltajına büyük ölçüde bağımlıdır. Vg'leri değiştirirsek, Drenaj akımı da değişecektir.

Bir MOSFET'in IV eğrisini görelim.

Yukarıdaki görüntüde, bir N-Kanal MOSFET'in IV eğimini görebiliriz, Vgs voltajı eşik voltajının altında olduğunda boşaltma akımı 0'dır, bu süre zarfında MOSFET kesme modundadır. Bundan sonra, geçitten kaynağa voltaj artmaya başladığında, boşaltma akımı da artar.

En bir bakalım IRF530 MOSFET'in en IV Eğri pratik örneği,

Vgs 4.5V olduğunda, IRF530'un maksimum boşaltma akımının 25 derece C'de 1A olduğunu gösteren eğri.Ancak, Vgs'yi 5V'ye yükselttiğimizde, Boşaltma akımının neredeyse 2A olduğunu ve son olarak 6V Vgs'de 10A sağlayabileceğini gösteren eğri Drenaj Akımı.

MOSFET'in DC Önyargısı ve Ortak Kaynak Amplifikasyonu

Peki, şimdi bir MOSFET'i doğrusal bir Amplifikatör olarak kullanma zamanı. MOSFET'i nasıl önyargılı tutacağımızı ve onu mükemmel bir operasyon bölgesinde nasıl kullanacağımızı belirlersek, bu zor bir iş değildir.

MOSFET üç çalışma modunda çalışır: Ohmik, Doygunluk ve Sıkıştırma noktası. Doygunluk bölgesi, Doğrusal Bölge olarak da adlandırılır. Burada MOSFET'i doygunluk bölgesinde çalıştırıyoruz, mükemmel Q noktası sağlıyor.

Küçük bir sinyal (zamanla değişen) sağlar ve DC önyargısını kapı veya girişe uygularsak, doğru durumda MOSFET doğrusal amplifikasyon sağlar.

Yukarıdaki görüntüde, MOSFET geçidine küçük bir sinüzoidal sinyal (V _gs) uygulanır ve bu, uygulanan sinüzoidal girişe senkronize olan drenaj akımının dalgalanmasına neden olur. Küçük V _gs sinyali için, eğimi g _m = dI _d / dVgs olan Q noktasından düz bir çizgi çizebiliriz.

Eğim yukarıdaki resimde görülebilir. Bu, geçirgenlik eğimidir. Amplifikasyon faktörü için önemli bir parametredir. Bu noktada boşaltma akımı genliği

ߡ Kimlik = gm x ߡ Vgs

Yukarıda verilen şematik bakarsak Şimdi, boşaltma direnci R _d denklem kullanılarak da boşaltma gerilimi olarak boşaltma akımını kontrol edebilir

Vds = Vdd - I _d x Rd (V = I x R olarak)

AC çıkış sinyali ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd olacaktır

Şimdi denklemlere göre, kazanç olacak

Yükseltilmiş Gerilim Kazancı = -g _m x Rd

Bu nedenle, MOSFET Amplifikatörünün genel kazancı, geçiş iletkenliğine ve Drenaj direncine oldukça bağlıdır.

Tek MOSFET ile Temel Ortak Kaynak Amplifikatörü Yapısı

To Amplifikatör N kanal tek MOSFET kullanarak basit bir ortak kaynak yapmak, önemli olan DC polarizasyon durumunu elde etmektir. Amaca hizmet etmek için, iki basit direnç kullanılarak genel bir voltaj bölücü oluşturulur: R1 ve R2. Drenaj direnci ve Kaynak direnci olarak iki direnç daha gereklidir.

Değeri belirlemek için adım adım hesaplamaya ihtiyacımız var.

Bir MOSFET, yüksek giriş empedansına sahiptir, bu nedenle çalışma durumunda, kapı terminalinde akım akışı yoktur.

Şimdi, cihaza bakarsak, VDD ile ilişkili üç direnç olduğunu bulacağız (öngerilim dirençleri olmadan). Üç direnç, Rd, MOSFET'in iç direnci ve Rs'dir. Öyleyse, Kirchoff'un Gerilim yasasını uygularsak, bu üç dirençteki gerilimler VDD'ye eşittir.

Şimdi Ohm yasasına göre, akımı dirençle çarparsak, V = I x R olarak voltaj alacağız. Yani, burada akım Boşaltma akımı veya I _D'dir. Bu nedenle, Rd boyunca voltaj V = I _D x Rd'dir, akım aynı I _D olduğu için aynı Rs için de geçerlidir, bu nedenle Rs boyunca Gerilim Vs = I _D x Rs'dir. MOSFET için Gerilim, V _DS veya Drenajdan kaynağa gerilimdir.

Şimdi KVL'ye göre, VDD = I _D x Rd + V _DS + I _D x Rs VDD = I _D (Rd + Rs) + V _DS (Rd + Rs) = V _DD - V _DS / I _D

Olarak daha da değerlendirebiliriz

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S Rs, Rs = V _S / I _D olarak hesaplanabilir

Diğer iki direnç değeri, V _G = V _DD (R2 / R1 + R2) formülüyle belirlenebilir.

Değere sahip değilseniz, V _G = V _GS + V _S formülünden elde edebilirsiniz.

Neyse ki, maksimum değerler MOSFET veri sayfasından elde edilebilir. Spesifikasyona bağlı olarak devreyi oluşturabiliriz.

Kesme frekanslarını dengelemek ve girişten gelen veya son çıkışa giden DC'yi bloke etmek için iki bağlantı kapasitörleri kullanılır. DC öngerilim bölücünün eşdeğer direncini bularak ve ardından istenen kesme frekansını seçerek değerleri kolayca elde edebiliriz. Formül olacak

C = 1 / 2πf Gereksinim

Yüksek güçlü Amplifikatör tasarımı için, daha önce Push-pull konfigürasyonu olarak İki MOSFET kullanarak 50 Watt'lık bir Güç amplifikatörü oluşturduk, pratik uygulama için bağlantıyı izleyin.