MOSFET-Verstärker
Ein MOSFET-Verstärker basiert auf der Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie. Es handelt sich um eine Art Feldeffekttransistor auf der Basis eines isolierten Gates. Feldeffekttransistoren bieten eine niedrigere O/P-Impedanz und eine höhere I/P-Impedanz, wenn sie für Verstärkungsfunktionen verwendet werden.
Schaltung und Funktionsweise des Enhancement-MOSFET-Verstärkers
Die Schaltung für einen MOSFET-Verstärker ist unten angegeben. Die Buchstaben „G“, „S“ und „D“ werden in dieser Schaltung verwendet, um die Positionen von Gate, Source und Drain anzuzeigen, während die Drain-Spannung, der Drain-Strom und die Gate-Source-Spannung durch V dargestellt wurden D , ICH D , und V GS .
MOSFETs arbeiten oft in drei Bereichen: linear/ohmsch, Cut-off und Sättigung. Wenn MOSFETs als Verstärker verwendet werden, arbeiten sie in der ohmschen Zone eines dieser drei Betriebsbereiche, wo der Gesamtstromfluss des Geräts mit steigender angelegter Spannung zunimmt.
Beim MOSFET-Verstärker, ähnlich einem JFET, führt eine kleine Änderung der Gate-Spannung zu einer erheblichen Änderung des Drain-Stroms. Dadurch dient der MOSFET als Verstärker, indem er ein schwaches Signal an den Gate-Anschlüssen verstärkt.
Funktionsweise des MOSFET-Verstärkers
Die MOSFET-Verstärkerschaltung entsteht durch Hinzufügen einer Source, eines Drain, eines Lastwiderstands und von Kopplungskondensatoren zu der oben gezeigten einfacheren Schaltung. Die Vorspannungsschaltung des MOSFET-Verstärkers ist unten dargestellt:
Ein Spannungsteiler ist die Baukomponente der oben genannten Vorspannungsschaltung und seine Hauptaufgabe besteht darin, einen Transistor in eine Richtung vorzuspannen. Daher ist dies die Vorspannungstechnik, die Transistoren in den am häufigsten vorgespannten Schaltkreisen verwenden. Um sicherzustellen, dass die Spannung aufgeteilt und mit den richtigen Pegeln an den MOSFET geliefert wird, werden zwei Widerstände verwendet. Zwei parallele Widerstände, R 1 und R 2 , werden zur Bereitstellung der Vorspannungen verwendet. Der vorspannende Gleichspannungsteiler in der obigen Schaltung ist vom Wechselstromsignal abgeschirmt, das vom C weiter verstärkt wird 1 und C 2 Paar Koppelkondensatoren. Die Last als RL-Widerstand empfängt den Ausgang. Die Vorspannung ist gegeben durch:
R 1 und R 2 In diesem Fall sind die Werte typischerweise hoch, um die Eingangsimpedanz des Verstärkers zu erhöhen und ohmsche Leistungsverluste zu begrenzen.
Eingangs- und Ausgangsspannungen (Vin & Vout)
Um die mathematischen Ausdrücke zu vereinfachen, gehen wir davon aus, dass parallel zum Drain-Zweig keine Last angeschlossen ist. Die Source-Gate-Spannung VGS empfängt die Eingangsspannung (Vin) vom Gate-Anschluss (G). R S x I D soll den Spannungsabfall am jeweiligen R liefern S Widerstand. Transkonduktanz (g M ) ist das Verhältnis des Drainstroms ( I D ) zur Gate-Source-Spannung ( V GS ) nach Anlegen einer konstanten Drain-Source-Spannung:
Also, ich D = g M ×V GS & die Eingangsspannung (V In ) kann aus V berechnet werden GS :
Die O/P-Spannung (V aus ) in der obigen Schaltung ist:
Spannungsverstärkung
Die Spannungsverstärkung (A IN ) ist das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung. Nach dieser Reduzierung lautet die Gleichung:
Die Tatsache, dass der MOSFET-Verstärker genau wie der BJT CE-Verstärker eine Invertierung des O/P-Signals durchführt. Das Symbol „-“ steht für die Inversion. Die Phasenverschiebung beträgt somit 180° bzw. rad für Ausgänge.
Klassifizierung von MOSFET-Verstärkern
Es gibt drei verschiedene Arten von MOSFET-Verstärkern: Common Gate (CG), Common Source (CS) und Common Drain (CD). Jeder Typ und seine Konfiguration werden unten detailliert beschrieben.
Verstärkung mit Common-Source-MOSFETs
In einem Common-Source-Verstärker wird die O/P-Spannung verstärkt und gelangt über den Widerstand an die Last im Drain-Anschluss (D). Das i/p-Signal wird in diesem Fall sowohl am Gate- (G) als auch am Source-Anschluss (S) bereitgestellt. Der Quellanschluss dient in dieser Anordnung als Referenzanschluss zwischen I/P und O/P. Aufgrund der hohen Verstärkung und des Potenzials für eine stärkere Signalverstärkung ist dies gegenüber BJTs eine besonders bevorzugte Konfiguration. Unten finden Sie ein Diagramm der Schaltung eines Common-Source-MOSFET-Verstärkers.
Der „RD“-Widerstand ist der Widerstand zwischen Drain (D) und Masse (G). Zur Darstellung dieser Kleinsignalschaltung wird das hybride π-Modell verwendet, das in der nächsten Abbildung dargestellt ist. Nach diesem Modell wird der erzeugte Strom durch i = g dargestellt M In gs . Daher,
Die Werte verschiedener Parameter können zu Rin=∞, V geschätzt werden ich =V sich und V gs =V ich
Somit beträgt die Leerlaufspannungsverstärkung:
Ein linearer Schaltkreis, der von einer Quelle gespeist wird, kann gegen ein Äquivalent von Thevenin oder Norton ausgetauscht werden. Die Äquivalenz von Norton kann verwendet werden, um den Ausgangsteil der Schaltung aus der Kleinsignalschaltung zu modifizieren. Das Norton-Äquivalent ist in dieser Situation praktischer. Bei der angenommenen Äquivalenz beträgt die Spannungsverstärkung G IN kann wie folgt geändert werden:
Common-Source-MOSFET-Verstärker haben eine unendliche Eingangs-/Ausgangsimpedanz, einen hohen Ein-/Aus-Widerstand und eine hohe Spannungsverstärkung.
Common-Gate-Verstärker (CG)
Common-Gate-Verstärker (CG) werden häufig als Strom- oder Spannungsverstärker verwendet. Der Source-Anschluss (S) des Transistors fungiert in der CG-Anordnung als Eingang, während der Drain-Anschluss als Ausgang dient und der Gate-Anschluss mit Masse (G) verbunden ist. Die gleiche Gate-Verstärkeranordnung wird oft verwendet, um eine starke Isolierung zwischen Eingang und Ausgang zu schaffen, um die Eingangsimpedanz zu reduzieren oder Oszillationen zu vermeiden. Die Kleinsignal- und T-Modelle des Common-Gate-Verstärker-Ersatzschaltbilds sind unten dargestellt. Der Gate-Strom im „T“-Modell ist immer Null.
Wenn „Vgs“ die angelegte Spannung ist und der Strom an der Quelle durch „V“ dargestellt wird gs x g M ', Dann:
Hier hat der Common-Gate-Verstärker einen reduzierten Eingangswiderstand, dargestellt als R In = 1/g M . Der Wert des Eingangswiderstands beträgt im Allgemeinen einige hundert Ohm. Die O/P-Spannung wird wie folgt angegeben:
Wo:
Daher kann die Leerlaufspannung wie folgt dargestellt werden:
Da der Ausgangswiderstand der Schaltung R ist Ö = R D , leidet die Verstärkerverstärkung unter der niedrigen I/P-Impedanz. Verwenden Sie daher die Formel des Spannungsteilers:
Denn „R sich ist oft größer als 1/g M , das V ich ’ ist im Vergleich zu V abgeschwächt sich . Die entsprechende Spannungsverstärkung wird erreicht, wenn ein Lastwiderstand „RL“ an den O/P angeschlossen wird. Die Spannungsverstärkung wird somit dargestellt als:
Common-Drain-Verstärker
Bei einem Common-Drain-Verstärker (CD) empfängt der Source-Anschluss das Ausgangssignal und der Gate-Anschluss das Eingangssignal, während der Drain-Anschluss (D) offen bleibt. Kleine O/P-Lasten werden häufig mit diesem CD-Verstärker als Spannungspufferschaltung betrieben. Diese Konfiguration bietet eine sehr niedrige O/P-Impedanz und eine extrem hohe I/P-Impedanz.
Das Ersatzschaltbild des Common-Drain-Verstärkers für kleine Signale und das T-Modell ist unten dargestellt. Die i/p-Eingangsquelle in dieser Schaltung kann durch die äquivalente Spannung eines Widerstands (R) identifiziert werden sich ) und ein Thevenin (V sich ). Ein Lastwiderstand (RL) ist mit dem Ausgang zwischen dem Quellenanschluss (S) und dem Erdungsanschluss (G) verbunden.
Seit dem I G ist Null, Rin = ∞ Der Spannungsteiler für die Klemmenspannung kann ausgedrückt werden als:
Unter Verwendung des Thevenin-Äquivalents ergibt sich eine Gesamtspannungsverstärkung, die dem obigen Ausdruck ähnelt und unter Berücksichtigung von R ausgewertet werden kann 0 =1/g M als:
Da R Ö = 1/g M ist im Allgemeinen ein recht kleiner Wert des großen Lastwiderstands „RL“, die Verstärkung ist in diesem Fall kleiner als eins.
Abschluss
Der Unterschied zwischen einem normalen Verstärker und einem MOSFET-Verstärker besteht darin, dass ein normaler Verstärker eine elektronische Schaltung verwendet, um das Eingangssignal zu verstärken und ein Ausgangssignal mit hoher Amplitude zu erzeugen. MOSFET-Verstärker verarbeiten digitale Signale im Vergleich zu BJTs mit vergleichsweise geringem Stromverbrauch.