使用增强型MOSFET的MOSFET放大电路

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       MOSFET放大器使用以共源配置连接的金属氧化物硅晶体管。在我们以前的有关FET放大器的文章中,我们看到可以使用结型场效应晶体管或JFET制作简单的单级放大器。但是还有其他类型的场效应晶体管可用于构建和放大,在本文中,我们将研究MOSFET放大器。

 

       金属氧化物半导体场效应晶体管(简称MOSFET)是小信号线性放大器的绝佳选择,因为它们的输入阻抗非常高,因此易于偏置。但是,为了使MOSFET产生线性放大,它必须在饱和区工作,这与双极结晶体管不同。但是就像BJT一样,它也需要围绕中央固定的Q点偏置。

 

       MOSFET通过称为“沟道”的导电区域或路径传导。通过施加合适的栅极电势,我们可以使该导电沟道更宽或更小。通过施加此栅极电压在栅极端子周围感应出的电场会影响沟道的电气特性,因此会称为场效应晶体管。

 

       换句话说,我们可以通过在源极和漏极区域之间创建或“增强”其导电沟道来控制mosfet的工作方式,从而产生一种通常称为n沟道增强模式MOSFET的mosfet,这意味着,除非我们对它们进行偏置在栅极上为正(对p沟道为负),没有沟道电流流动。

 

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       不同类型的mosfet的特性差异很大,因此mosfet的偏置必须单独进行。与双极晶体管公共发射极配置一样,公共源极MOSFET放大器需要偏置为合适的静态值。但是首先让我们想起mosfets的基本特征和配置。

 

       增强型N沟道MOSFET

 

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       注意,双极结型晶体管与FET之间的根本区别在于BJT的端子标记为集电极,发射极和基极,而MOSFET的端子标记为漏极,源极和栅极。

 

       MOSFET与BJT的不同之处在于,与BJT的基极-发射极结不同,栅极和沟道之间没有直接连接,因为金属栅电极与导电沟道电绝缘,因此它是绝缘栅的第二名称。场效应晶体管或IGFET。

 

       我们可以看到,衬底半导体材料上方的n沟道MOSFET(NMOS)为p型,而源电极和漏电极为n型。电源电压为正。偏置栅极端子正向在栅极区域下方的p型半导体衬底内将电子吸引向电子。

 

       p型衬底内自由电子的这种过度丰满会导致导电沟道随p型区域的电学特性反转而出现或增长,从而有效地将p型衬底变为n型材料,从而允许沟道电流流动。

 

       对于p沟道MOSFET(PMOS),反之亦然,其中负栅极电势会在栅极区域下方形成空穴,因为它们被吸引到金属栅电极外侧的电子。结果是,n型衬底产生了p型导电沟道。

 

       因此,对于我们的n型MOS晶体管,我们在栅极上施加的正电位越多,电子在栅极区域周围的积聚就越大,并且导电沟道变得越宽。这增强了流经沟道的电子,从而使更多的沟道电流从漏极流向源极,从而使该器件成为增强MOSFET的名称。

 

       增强型MOSFET放大器

 

       增强型MOSFET或eMOSFET可以归类为常关(不导通)器件,即它们仅在施加适当的栅源正电压时才导通,而耗尽型MOSFET则在导通时导通栅极电压为零。

 

       然而,由于增强型MOSFET的构造和物理特性,存在最小的栅极-源极电压,称为阈值电压V TH,必须在栅极开始导通之前将其施加到栅极,以允许漏极电流流过。

 

       换句话说,当栅极-源极电压V GS小于阈值电压V TH时,增强MOSFET不会导通,但是当栅极正向偏置增加时,漏极电流I D(也称为漏极-源极电流)与双极型晶体管类似,I DS)也将增加,从而使eMOSFET成为MOSFET放大电路的理想选择。

 

       可以将MOS导电通道的特性视为由栅极控制的可变电阻器。因此,流过该n沟道的漏极电流的大小取决于栅极-源极电压,我们可以使用mosfet进行的许多测量之一是绘制传输特性图,以显示漏极电流与漏极之间的iv关系。栅极电压如图所示。

 

       N沟道eMOSFET IV特性

 

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       通过在eMOSFET两端连接固定的V DS漏极-源极电压,我们可以绘制漏极电流I D与V GS的变化值的关系图,以获得MOSFET正向DC特性的曲线图。这些特性给出了晶体管的跨导gm。

 

       这种跨导将输出电流与代表晶体管增益的输入电压相关联。因此,对于恒定值V DS,跨导曲线沿其任意点的斜率表示为:gm = I D / V GS。

 

       因此,例如,假设MOS晶体管在V GS  = 3v 时通过2mA 的漏极电流,而在V GS  = 7v 时通过14mA 的漏极电流。然后:

 

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       该比率称为晶体管静态或直流跨导,是“转移电导”的缩写,以西门子(S)为单位,以每伏特的安培数为单位。MOSFET放大器的电压增益与跨导和漏极电阻的值成正比。

 

       在V GS  = 0时,没有电流流过MOS晶体管沟道,因为栅极周围的场效应不足以创建或“断开” n型沟道。然后,晶体管在其截止区域中充当开路开关。换句话说,在施加零栅极电压的情况下,n沟道eMOSFET被说成是常关,并且这种“ OFF”状态由eMOSFET符号中的折断的沟道线表示(与具有连续沟道线的耗尽类型不同) 。

 

       随着我们现在逐渐增加正栅极-源极电压V GS,场效应开始增强沟道区的电导率,并成为沟道开始导通的点。该点称为阈值电压V TH。随着我们将V GS增大得更正,随着漏极电流的增加,导电沟道变得更宽(电阻减小),结果I D增大。请记住,栅极永远不会传导任何电流,因为其与通道的电气隔离使MOSFET放大器具有极高的输入阻抗。

 

       因此,n沟道增强型MOSFET将在其切断模式下,当栅极-源极电压,V GS小于它的阈值电压电平,V TH和它的信道导通或饱和时V GS是高于该阈值水平。当eMOS晶体管在饱和区工作时,漏极电流I D由下式给出:

 

       eMOSFET漏极电流

 

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       请注意,k(导电参数)和V TH(阈值电压)的值从一个eMOSFET到另一个eMOSFET有所不同,不能进行物理更改。这是因为它们是与在晶体管制造期间内置的材料和器件几何形状有关的特定规范。

 

       右侧的静态传递特性曲线的形状通常为抛物线(平方律),然后呈线性。对于给定的栅极-源极电压V GS,漏极电流I D的增加决定了V DS恒定值的曲线的斜率或斜率。

 

       然后,我们可以看到将增强型MOS晶体管导通是一个渐进过程,为了使我们将MOSFET用作放大器,我们必须将其栅极端子偏置在高于阈值水平的某个点。

 

       从使用两个单独的电压源到漏极反馈偏置,齐纳二极管偏置等,我们可以通过多种方法来实现。但是,无论我们使用哪种偏置方法,都必须确保栅极电压比栅极电压高。源的值大于V TH。在本mosfet放大器教程中,我们将使用现在熟悉的通用分压器偏置电路。

 

       直流偏置MOSFET

 

       通用分压器偏置电路是一种流行的偏置技术,用于建立双极晶体管放大器和MOSFET放大器的所需DC工作条件。分压器偏置网络的优势在于,可以从单个直流电源偏置MOSFET或双极晶体管。但是首先,我们需要知道在哪里为MOSFET栅极偏置电压。

 

       mosfet设备具有三个不同的操作区域。这些区域称为:欧姆/三极管区域,饱和度/线性区域和收缩点。为了使mosfet用作线性放大器,我们需要建立一个定义明确的静态工作点或Q点,因此必须对其进行偏置才能在其饱和区工作。mosfet的Q点由DC值I D和V GS表示,它们将工作点定位在mosfet输出特性曲线的中心。

 

       如上所述,当V GS高于V TH阈值电平时,饱和区域开始。因此,如果我们在栅极输入上施加一个小的交流信号并叠加到该直流偏置上,则MOSFET将充当线性放大器,如图所示。

 

       eMOSFET直流偏置点

 

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       共源极电路NMOS以上示出了正弦输入电压,V 我是与直流电源串联。该直流栅极电压将由偏置电路设置。那么总的栅极-源极电压将是V GS和V i的总和。

 

       直流特性以及因此的Q点(静态点)都是栅极电压V GS,电源电压V DD和负载电阻R D的函数。

 

       MOS晶体管在饱和区内偏置,以建立所需的漏极电流,该电流将定义晶体管的Q点。随着V GS的瞬时值增加,偏置点将如图所示沿曲线向上移动,从而随着V DS的减小而产生更大的漏极电流。

 

       同样,随着V GS的瞬时值减小(在输入正弦波的负半段期间),偏置点沿曲线向下移动,较小的V GS导致较小的漏极电流和增大的V DS。

 

       然后,为了建立较大的输出摆幅,我们必须将晶体管偏置到远高于阈值水平,以确保晶体管在整个正弦输入周期内保持饱和。但是,我们可以使用的栅极偏置和漏极电流有一个限制。为了允许输出的最大电压摆幅,Q点应位于电源电压V DD和阈值电压V TH的大约中间位置。

 

       因此,例如,假设我们要构建一个单级NMOS共源放大器。eMOSFET 的阈值电压V TH为2.5伏,电源电压V DD为+15伏。然后,直流偏置点将为15 – 2.5 = 12.5v或6伏至最接近的整数值。

 

       MOSFET I D – V DS特性

 

       上面我们已经看到,我们可以通过保持电源电压V DD恒定并增加栅极电压V G来构建MOSFET正向直流特性曲线。但是,为了获得在MOSFET放大器电路中使用的n型增强型MOS晶体管的完整操作图,我们需要显示V DD和V GS的不同值的输出特性。

 

       与NPN双极结晶体管一样,我们可以构建一组输出特性曲线,以显示漏极电流I D,以增加n沟道增强模式MOS晶体管的V G的正值,如图所示。

 

       N型eMOSFET特性曲线

 

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       请注意,p沟道eMOSFET器件将具有一组非常相似的漏极电流特性曲线,但栅极电压的极性将相反。

 

       基本共源MOSFET放大器

 

       之前,我们研究了如何建立所需的直流工作条件以偏置n型eMOSFET。如果我们将小的随时间变化的信号施加到输入,则在正确的情况下,如果晶体管Q点位于饱和区域中心附近,并且MOSFET的输入信号足够小,则mosfet电路可以充当线性放大器。使输出保持线性。考虑下面的基本mosfet放大器电路。

 

       基本MOSFET放大器

 

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       这种简单的增强模式共源mosfet放大器配置在漏极使用单个电源,并使用电阻分压器产生所需的栅极电压V G。我们记得对于MOSFET,没有电流流入栅极端子,由此我们可以对MOSFET放大器的直流工作条件做出以下基本假设。

 

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       然后我们可以这样说:

 

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       mosfets的栅源电压V GS给出为:

 

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       如上所述,为了使MOSFET正常工作,该栅极-源极电压必须大于MOSFET的阈值电压,即V GS  > V TH。由于I S  = I D,因此栅极电压V G也相等:

 

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       为了将MOSFET栅极电压设置为该值,我们将分压器网络中的电阻R1和R2的值选择为正确的值。从上面我们知道,“没有电流”流入mosfet器件的栅极端子,因此分压公式为:

 

       MOSFET放大器栅极偏置电压

 

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       请注意,该分压器方程式仅确定两个偏置电阻R1和R2的比率,而不是其实际值。还希望使这两个电阻的值尽可能大,以减小其I 2 * R功率损耗并增加mosfet放大器的输入电阻。

 

       MOSFET放大器示例1

 

       将使用具有50mA / V 2的导通参数和2.0伏的阈值电压的n沟道eMOSFET构造一个公共源MOSFET放大器。如果电源电压为+15伏,负载电阻为470欧姆,请计算将MOSFET放大器偏置在1/3(V DD)所需的电阻值。绘制电路图。

 

       给出的值:V DD  = + 15v,V TH  = + 2.0v,k = 50mA / V 2和R D  =470Ω。

 

       1.漏极电流,I D

 

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       2.栅源电压,V GS

 

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       3.栅极电压,V G

 

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       因此,在MOSFET上施加KVL,漏极-源极电压V DS为:

 

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       4.源电阻,R S

 

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       给出1 / 3V DD所需的分压电阻R1,R2之比计算如下:

 

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       如果我们选择:R1 =200kΩ和R2 =100kΩ,则将满足以下条件:V G  = 1 / 3V DD。同样,偏置电阻的这种组合将为mosfet放大器提供大约67kΩ的输入电阻。

 

       通过计算输入和输出耦合电容器的值,我们可以使这一设计更进一步。如果我们假设mosfet放大器的截止频率较低,例如20Hz,则考虑栅极偏置网络输入阻抗的两个电容器的值计算如下:

 

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       然后,单级MOSFET放大器电路的最终电路为:

 

       单级MOSFET放大器

 

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       MOSFET放大器摘要

 

       MOSFET放大器或任何与此相关的放大器的主要目标是产生一个输出信号,该信号是其输入信号的忠实再现,但幅度得到放大。该输入信号可以是电流或电压,但是对于mosfet器件,要用作放大器,必须对其偏置以使其在其饱和区内工作。

 

       增强模式MOSFET有两种基本类型,即n沟道和p沟道,在本mosfet放大器教程中,我们了解了n沟道增强MOSFET通常称为NMOS,因为它可以通过正栅极工作相对于源极的漏极电压与p沟道PMOS相对,后者以相对于源极的栅极和漏极负电压工作。

 

       MOSFET器件的饱和区是其高于阈值电压V TH的恒流区。一旦将漏极电流I D正确偏置在饱和区域,它就会因栅极-源极电压V GS而变化,而不是由于漏极-源极电压V DS而变化,因为漏极电流被称为饱和。

 

       在增强型MOSFET中,通过施加栅极电压产生的静电场会增强沟道的导电性,而不是像耗尽型MOSFET那样耗尽沟道。

 

       阈值电压是在源极和漏极之间形成沟道所需的最小栅极偏压。高于该值,漏极电流在饱和区中与(V GS – V TH)2成比例增加,从而使其可用作放大器。

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分相器分析

分相器电路从单个输入信号中产生两个幅度相等但相位相反的输出信号。分相器是另一种类型的双极结型晶体管(BJT)配置,其中,单个正弦输入信号被分为两个相互之间相差180电角度的独立输出。晶体管分相器的输入信号利用从集电极端子取得的一个输出信号和从发射极端子取得的第二输出信号施加到基极端子。因此,晶体管分相器是一个双输出放大器,从其集电极和发射极端子产生相位差为180 o的互补输出。

共基放大器

对于公共基极放大器,输入被施加到发射极端子,而输出则从BJT晶体管的集电极端子获取。所述共基极放大是另一种类型的双极结型晶体管的,(BJT)配置,其中晶体管的基极端子是一个公共端子,以输入和输出信号,因此它的名字公共底座(CB)。与更流行的公共发射极(CE)或公共集电极(CC)配置相比,公共基极配置作为放大器的通用性较低,但由于其独特的输入/输出特性而仍在使用。

共集放大器

共集电极放大器在其发射极负载两端产生与输入信号同相的输出电压。在公共集电极放大器是另一种类型的双极结型晶体管,的(BJT)配置,其中输入信号被施加到基极端,并从发射终端所采取的输出信号。因此,集电极端子对于输入和输出电路都是公共的。这种类型的配置称为“公共收集器”(CC),因为收集器端子通过电源有效地“接地”或“接地”。

除A、B外的第三类AB放大器

AB类放大器输出级结合了A类放大器和B类放大器的优点,从而产生了更好的放大器设计。任何放大器的目的都是产生一个遵循输入信号特性的输出,但又足够大,足以满足与其相连的负载的需求。我们已经看到,放大器的功率输出是施加到负载的电压和电流的乘积(P = V * I),而功率输入是直流电压和从电源获取的电流的乘积。