Mosfet คืออะไร: โครงสร้างประเภทและการทำงาน

MOSFET นั้นเป็นทรานซิสเตอร์ที่ใช้เอฟเฟกต์สนาม MOSFET ย่อมาจาก Metal Oxide Field Effect Transistorซึ่งมีเกต แรงดันประตูกำหนดค่าการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์ ขึ้นอยู่กับแรงดันประตูนี้เราสามารถเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าได้ดังนั้นเราจึงสามารถใช้เป็นสวิตช์หรือเป็นเครื่องขยายเสียงได้เหมือนกับที่เราใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์หรือเป็นเครื่องขยายเสียง

Bipolar Junction Transistor หรือ BJT มีฐานตัวปล่อยและตัวสะสมในขณะที่ MOSFET มีการเชื่อมต่อเกตท่อระบายน้ำและแหล่งที่มา นอกเหนือจากการกำหนดค่าพิน BJT ต้องการกระแสไฟฟ้าสำหรับการทำงานและ MOSFET ต้องการแรงดันไฟฟ้า

MOSFET ให้อิมพีแดนซ์อินพุตสูงมากและง่ายต่อการไบอัส ดังนั้นสำหรับแอมพลิฟายเออร์ขนาดเล็กเชิงเส้น MOSFET จึงเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยม การขยายเชิงเส้นเกิดขึ้นเมื่อเราทำให้ MOSFET มีอคติในพื้นที่อิ่มตัวซึ่งเป็นจุด Q คงที่จากส่วนกลาง

ในภาพด้านล่างจะแสดงโครงสร้างภายในของ N-channel MOSFETs พื้นฐาน MOSFET มีสามการเชื่อมต่อ Drain, Gate และ Source ไม่มีการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างประตูและช่อง ขั้วไฟฟ้าประตูเป็นฉนวนไฟฟ้าและเนื่องจากเหตุผลนี้มันเป็นบางครั้งเรียกว่า IGFET หรือฉนวนประตูสนามผลทรานซิสเตอร์

นี่คือภาพของMOSFET IRF530N ที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย

ประเภทของ MOSFET

ขึ้นอยู่กับโหมดการทำงานMOSFETมีให้เลือกสองประเภท ทั้งสองประเภทนี้ยังมีอีกสองประเภทย่อย

1. Depletion type MOSFET หรือ MOSFET พร้อมโหมด Depletion

• N-Channel MOSFET หรือ NMOS
• P-Channel MOSFET หรือ PMOS

1. ประเภทการปรับปรุง MOSFET หรือ MOSFET พร้อมโหมด Enhancement

• N-Channel MOSFET หรือ NMOS
• P-Channel MOSFET หรือ PMOS

MOSFET ประเภทพร่อง

ประเภทการพร่องของ MOSFET โดยปกติจะเปิดที่ศูนย์แรงดันไฟฟ้าประตูสู่แหล่ง หาก MOSFET เป็น MOSFET ประเภท N-Channel Depletion จะมีแรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์ซึ่งจำเป็นในการปิดอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่น N-Channel Depletion MOSFET ที่มีแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ที่ -3V หรือ -5V ประตูของ MOSFET จะต้องดึงลบ -3V หรือ -5V เพื่อปิดอุปกรณ์ แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์นี้จะเป็นลบสำหรับช่อง N และเป็นบวกในกรณีของช่อง P MOSFET ประเภทนี้โดยทั่วไปจะใช้ในวงจรลอจิก

ประเภทการเพิ่มประสิทธิภาพ MOSFET

ในประเภทการเพิ่มประสิทธิภาพของ MOSFET อุปกรณ์จะยังคงปิดอยู่ที่แรงดันประตูเป็นศูนย์ ในการเปิด MOSFET เราต้องจัดเตรียม Gate to Source แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำ (Vgs Threshold voltage) แต่กระแสท่อระบายน้ำนั้นขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าจากประตูสู่แหล่งที่มานี้อย่างมากหาก Vgs เพิ่มขึ้นกระแสท่อระบายน้ำก็จะเพิ่มขึ้นในลักษณะเดียวกัน MOSFET ประเภทการเพิ่มประสิทธิภาพเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างวงจรเครื่องขยายเสียง นอกจากนี้ในทำนองเดียวกันกับ MOSFET พร่องมันยังมีประเภทย่อย NMOS และ PMOS

ลักษณะและส่วนโค้งของ MOSFET

ด้วยการให้แรงดันไฟฟ้าที่เสถียรระหว่างท่อระบายน้ำไปยังแหล่งจ่ายเราสามารถเข้าใจเส้นโค้ง IV ของ MOSFET ตามที่ระบุไว้ข้างต้นกระแสระบายขึ้นอยู่กับ Vgs, เกตไปยังแรงดันไฟฟ้า หากเราเปลี่ยน Vgs กระแส Drain ก็จะแตกต่างกันไปด้วย

มาดูเส้นโค้ง IV ของ MOSFET

ในภาพด้านบนเราจะเห็นความชัน IV ของ N-Channel MOSFETกระแสระบายเป็น 0 เมื่อแรงดัน Vgs ต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ในช่วงเวลานี้ MOSFET อยู่ในโหมดตัดการทำงาน หลังจากนั้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าจากประตูสู่แหล่งเริ่มเพิ่มขึ้นกระแสท่อระบายน้ำก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

ลองมาดูตัวอย่างการปฏิบัติของ IRF530 MOSFET ของ IV Curve,

เส้นโค้งแสดงว่าเมื่อ Vgs เท่ากับ 4.5V กระแสระบายสูงสุดของ IRF530 คือ 1A ที่ 25 องศา C แต่เมื่อเราเพิ่ม Vgs เป็น 5V กระแส Drain จะเกือบ 2A และสุดท้ายที่ 6V Vgs ก็สามารถให้ 10A ได้ ของ Drain Current

DC Biasing ของ MOSFET และ Common-Source Amplification

ดีตอนนี้มันเป็นเวลาที่จะใช้MOSFET เป็นเชิงเส้น Amplifier ไม่ใช่งานที่ยากหากเราพิจารณาว่าจะอคติ MOSFET อย่างไรและใช้ในพื้นที่การทำงานที่สมบูรณ์

MOSFET ทำงานในสามโหมดการทำงาน: Ohmic, Saturation และ Pinch off point พื้นที่อิ่มตัวเรียกอีกอย่างว่าพื้นที่เชิงเส้น ที่นี่เราใช้งาน MOSFET ในพื้นที่อิ่มตัวมันให้ Q-point ที่สมบูรณ์แบบ

หากเราให้สัญญาณขนาดเล็ก (แปรผันตามเวลา) และใช้ DC bias ที่ประตูหรืออินพุตดังนั้นภายใต้สถานการณ์ที่เหมาะสม MOSFET จะให้การขยายเชิงเส้น

ในภาพด้านบนสัญญาณไซน์เล็ก ๆ (V _gs) ถูกนำไปใช้กับประตู MOSFET ส่งผลให้เกิดความผันผวนของการซิงโครนัสปัจจุบันของท่อระบายน้ำกับอินพุตไซน์ที่ใช้ สำหรับสัญญาณขนาดเล็ก V _gsเราสามารถลากเส้นตรงจากจุด Q ซึ่งมีความชัน g _m = dI _d / dVgs

ความลาดชันสามารถมองเห็นได้ในภาพด้านบน นี่คือความลาดชัน transconductance เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับปัจจัยการขยาย ณ จุดนี้ความกว้างของท่อระบายน้ำปัจจุบันคือ

ߡ Id = gm x ߡ Vgs

ตอนนี้ถ้าเราดูแผนผังที่ให้ไว้ข้างต้นตัวต้านทานท่อระบายน้ำ R _dสามารถควบคุมกระแสระบายและแรงดันท่อระบายน้ำโดยใช้สมการ

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

สัญญาณเอาท์พุต AC จะเป็นߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

ตอนนี้ตามสมการกำไรจะเป็น

แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น = -g _m x ถ

ดังนั้นการได้รับโดยรวมของ MOSFET Amplifier จึงขึ้นอยู่กับตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานท่อระบายน้ำเป็นอย่างมาก

การสร้างแอมพลิฟายเออร์แหล่งที่มาพื้นฐานพื้นฐานด้วย MOSFET เดียว

ในการสร้างแอมพลิฟายเออร์ซอร์สทั่วไปอย่างง่ายโดยใช้ MOSFET ช่อง N ช่องเดียวสิ่งสำคัญคือต้องบรรลุเงื่อนไขการให้น้ำหนัก DC เพื่อตอบสนองวัตถุประสงค์ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าทั่วไปถูกสร้างขึ้นโดยใช้ตัวต้านทานสองตัว: R1 และ R2 นอกจากนี้ยังต้องใช้ตัวต้านทานอีกสองตัวเป็นตัวต้านทานท่อระบายน้ำและตัวต้านทานแหล่งที่มา

ในการกำหนดมูลค่าเราต้องคำนวณทีละขั้นตอน

MOSFET มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงดังนั้นในสภาพการใช้งานจึงไม่มีกระแสไหลอยู่ในเทอร์มินัลประตู

ตอนนี้ถ้าเรามองเข้าไปในอุปกรณ์เราจะพบว่ามีตัวต้านทานสามตัวที่เกี่ยวข้องกับ VDD (ไม่มีตัวต้านทานการให้น้ำหนัก) ตัวต้านทานสามตัวคือ Rd ความต้านทานภายในของ MOSFET และ Rs ดังนั้นถ้าเราใช้กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchoff แรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทานทั้งสามตัวนั้นจะเท่ากับ VDD

ตอนนี้ตามกฎหมาย Ohms ถ้าเราคูณในปัจจุบันที่มีความต้านทานเราจะได้รับแรงดันไฟฟ้าเป็น V = I x อาร์ดังนั้นนี่ปัจจุบันเป็นท่อระบายน้ำในปัจจุบันหรือฉันD ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าระหว่าง Rd คือ V = I _D x Rd เช่นเดียวกับ Rs เนื่องจากกระแสเท่ากับ I _Dดังนั้นแรงดันไฟฟ้าข้าม Rs คือ Vs = I _D x Rs สำหรับ MOSFET แรงดันไฟฟ้าคือ V _DSหรือแรงดันจากDrain-to-source

ตอนนี้ตาม KVL

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

เราสามารถประเมินเพิ่มเติมได้ว่า

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - R _S Rs สามารถคำนวณเป็น Rs = V _S / I _D

ค่าตัวต้านทานสองตัวอื่น ๆ สามารถกำหนดได้โดยสูตร V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

หากคุณไม่มีค่าคุณสามารถหาค่าได้จากสูตร V _G = V _GS + V _S

โชคดีที่ค่าสูงสุดสามารถใช้ได้จากแผ่นข้อมูล MOSFET ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดที่เราสามารถสร้างวงจร

ตัวเก็บประจุแบบมีเพศสัมพันธ์สองตัวใช้เพื่อชดเชยความถี่ตัดและเพื่อป้องกัน DC ที่มาจากอินพุตหรือไปยังเอาต์พุตสุดท้าย เราสามารถหาค่าได้โดยการค้นหาความต้านทานที่เท่ากันของตัวแบ่งอคติ DC จากนั้นเลือกความถี่คัตออฟที่ต้องการ สูตรจะเป็น

C = 1 / 2πfความต้องการ

สำหรับการออกแบบแอมพลิฟายเออร์กำลังสูงก่อนหน้านี้เราได้สร้างเพาเวอร์แอมป์ขนาด 50 วัตต์โดยใช้มอสเฟตสองตัวเป็นคอนฟิกูเรชันแบบพุช - พูล