МОП-транзисторный усилитель
Усилитель MOSFET основан на технологии металл-оксид-полупроводник. Это разновидность полевого транзистора с изолированным затвором. Полевые транзисторы обеспечивают более низкий выходной импеданс и более высокий входной импеданс при использовании для функций усиления.
Схема и работа усилителя MOSFET
Схема усилителя MOSFET приведена ниже. Буквы «G», «S» и «D» используются в этой схеме для обозначения положений затвора, истока и стока, в то время как напряжение стока, ток стока и напряжение затвор-исток представлены как V. Д , я Д и В GS .
МОП-транзисторы часто работают в трех областях: линейной/омической, отсечке и насыщении. Когда МОП-транзисторы используются в качестве усилителей, они функционируют в омической зоне одной из этих трех рабочих областей, где общий ток устройства увеличивается с ростом приложенного напряжения.
В усилителе MOSFET, подобном JFET, небольшое изменение напряжения затвора приведет к значительному изменению тока его стока. В результате MOSFET служит усилителем, усиливая слабый сигнал на выводах затвора.
Работа усилителя MOSFET
Схема усилителя MOSFET создается путем добавления истока, стока, нагрузочного резистора и разделительных конденсаторов к более простой схеме, показанной выше. Схема смещения усилителя MOSFET представлена ниже:
Делитель напряжения является составной частью вышеупомянутой схемы смещения, и его основная задача — смещать транзистор в одном направлении. Следовательно, это метод смещения, который транзисторы используют в наиболее часто смещенных схемах. Чтобы обеспечить разделение напряжения и подачу его на МОП-транзистор на необходимом уровне, используются два резистора. Два параллельных резистора, R 1 и Р 2 , используются для подачи напряжения смещения. Делитель напряжения смещения постоянного тока в приведенной выше схеме экранирован от сигнала переменного тока, который будет дополнительно усиливаться конденсатором C. 1 и С 2 пара конденсаторов связи. Нагрузка в виде резистора RL получает выходной сигнал. Смещенное напряжение определяется выражением:
р 1 и Р 2 В этом случае значения обычно высокие, чтобы увеличить входное сопротивление усилителя и ограничить омические потери мощности.
Входное и выходное напряжение (Vin и Vout)
Для упрощения математических выражений предполагаем, что нагрузка, подключенная параллельно стоковой ветви, отсутствует. Напряжение истока-затвора VGS получает входное напряжение (Vin) от клеммы затвора (G). р С х я Д должно обеспечивать падение напряжения на соответствующем R С резистор. Крутизна (г м ) — отношение тока стока ( I Д ) к напряжению затвор-исток ( В GS ) после подачи постоянного напряжения сток-исток:
Так что я Д = г м ×В GS и входное напряжение (В в ) можно рассчитать по V GS :
Рабочее напряжение (В вне ) в приведенной выше схеме:
Усиление напряжения
Коэффициент усиления напряжения (А В ) — соотношение входного и выходного напряжений. После этого сокращения уравнение примет вид:
Тот факт, что усилитель MOSFET выполняет инверсию сигнала o/p точно так же, как усилитель BJT CE. Символ «-» означает инверсию. Таким образом, фазовый сдвиг составляет 180° или рад для выходных сигналов.
Классификация усилителей MOSFET
Существует три различных типа усилителей MOSFET: с общим затвором (CG), с общим истоком (CS) и с общим стоком (CD). Каждый тип и его конфигурация подробно описаны ниже.
Усиление с использованием МОП-транзисторов с общим истоком
В усилителе с общим истоком напряжение o/p усиливается и достигает резистора нагрузки внутри вывода стока (D). В этом случае сигнал i/p подается как на терминалы затвора (G), так и на терминалы истока (S). В этой схеме исходный терминал служит опорным терминалом между i/p и o/p. Из-за высокого коэффициента усиления и возможности большего усиления сигнала эта конфигурация особенно предпочтительна по сравнению с BJT. Ниже приведена схема усилителя MOSFET с общим истоком.
Резистор «RD» представляет собой сопротивление между стоком (D) и землей (G). Гибридная π-модель, показанная на следующем рисунке, используется для представления этой схемы слабого сигнала. В этой модели производимый ток представлен i = g м в гс . Поэтому,
Значения различных параметров можно оценить как Rin=∞, V я =В сами себя и В. гс =В я
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению холостого хода составит:
Линейную схему, питаемую от источника, можно заменить на эквивалент Thevenin или Norton. Эквивалентность Нортона можно использовать для модификации выходной части схемы из схемы слабого сигнала. Эквивалент Norton более практичен в этой ситуации. При принятой эквивалентности коэффициент усиления по напряжению G В можно изменить как:
Усилители с общим источником MOSFET имеют бесконечное входное/выходное сопротивление, высокое сопротивление включения/выключения и высокий коэффициент усиления по напряжению.
Усилитель с общим затвором (CG)
Усилители с общим затвором (CG) часто используются в качестве усилителей тока или напряжения. Вывод истока транзистора (S) функционирует как вход в схеме CG, в то время как вывод стока служит выходом, а вывод затвора соединен с землей (G). Одна и та же схема усилителя на затворе часто используется для создания сильной изоляции между входом и выходом, чтобы уменьшить входное сопротивление или избежать колебаний. Ниже показаны эквивалентные схемы малосигнального и Т-образного усилителя с общим затвором. Ток затвора в модели «Т» всегда равен нулю.
Если «Vgs» — это приложенное напряжение, а ток в источнике представлен «V». гс х г м ', затем:
Здесь усилитель с общим затвором имеет уменьшенное входное сопротивление, представленное как R в = 1/г м . Значение входного сопротивления обычно составляет несколько сотен Ом. Рабочее напряжение определяется как:
Где:
Следовательно, напряжение холостого хода можно представить как:
Поскольку выходное сопротивление схемы равно R О = Р Д коэффициент усиления усилителя страдает из-за низкого импеданса i/p. Следовательно, используя формулу делителя напряжения:
Потому что 'Р сами себя ’ часто превышает 1/г м , V я ’ ослаблен по сравнению с V сами себя . Соответствующий коэффициент усиления по напряжению достигается, когда нагрузочный резистор «RL» подключается к выходу. Таким образом, коэффициент усиления напряжения представляется как:
Усилитель с общим стоком
Усилитель с общим стоком (CD) — это усилитель, в котором клемма истока принимает выходной сигнал, а клемма затвора принимает входной сигнал, в то время как клемма стока (D) остается открытой. Небольшие нагрузки на выходе часто управляются с использованием этого усилителя CD в качестве схемы буфера напряжения. Эта конфигурация обеспечивает очень низкий выходной импеданс и чрезвычайно высокий входной импеданс.
Эквивалентная схема усилителя с общим стоком для малых сигналов и Т-модели показана ниже. Источник входного сигнала i/p в этой схеме можно определить по эквивалентному напряжению резистора (R сами себя ) и Тевенен (V сами себя ). Нагрузочный резистор (RL) подключается к выходу между клеммой источника (S) и клеммой заземления (G).
С тех пор, как я г равен нулю, Rin = ∞ Делитель напряжения на клеммах можно выразить как:
Используя эквивалент Тевенина, общий коэффициент усиления напряжения оказывается аналогичным приведенному выше выражению, которое можно оценить, учитывая R 0 =1/г м как:
Поскольку Р О = 1/г м Как правило, это довольно небольшое значение для резистора большой нагрузки «RL», в этом случае коэффициент усиления меньше единицы.
Заключение
Разница между обычным усилителем и усилителем MOSFET заключается в том, что обычный усилитель использует электронную схему для усиления входного сигнала для получения выходного сигнала с высокой амплитудой. Усилители MOSFET обрабатывают цифровые сигналы со сравнительно небольшим энергопотреблением по сравнению с BJT.