تقویت کننده MOSFET از ترانزیستور سیلیکون اکسید فلز در پیکربندی سورس مشترک استفاده می‌کند.
در آموزش قبلی درباره تقویت کننده‌های FET، دیدیم که تقویت کننده‌های تک مرحله‌ای ساده را می‌توان با استفاده از ترانزیستورهای اثر میدان پیوندی یا JFET، ساخت. اما انواع دیگری از ترانزیستورهای اثر میدان وجود دارد که می‌توان از آنها برای ساخت تقویت کننده استفاده کرد. در این آموزش تقویت کننده ماسفت را بررسی می‌کنیم.
ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز یا به اختصار ماسفت (MOSFET)، یک انتخاب عالی برای تقویت کننده‌های خطی سیگنال کوچک است، زیرا امپدانس ورودی آنها بسیار زیاد است و به راحتی می‌توان آنها را بایاس کرد. اما برای اینکه ماسفت تقویت خطی تولید کند، باید بر خلاف ترانزیستور پیوند دو قطبی، در ناحیه اشباع خود عمل کند. اما درست مانند BJT (ترانزیستور پیوند دو قطبی)، MOSFET نیز باید در یک نقطه Q مرکزی بایاس شود.
MOSFET جریان را از طریق یک ناحیه یا مسیر رسانا به نام «کانال» هدایت می‌کند. می‌توانیم با استفاده از پتانسیل مناسب گیت، این کانال رسانا را بزرگ‌تر یا کوچک‌تر کنیم. میدان الکتریکی ایجاد شده در اطراف ترمینال گیت توسط این ولتاژ بر ویژگی‌های الکتریکی کانال تاثیر می‌گذارد و از این رو نام ترانزیستور اثر میدان انتخاب شده است.
به عبارت دیگر، می‌توانیم با ایجاد یا «افزایش» کانال رسانای آن بین سورس و تخلیه، نحوه عملکرد MOSFET را کنترل کرده و نوعی MOSFET تولید کنیم که معمولا MOSFET حالت افزایشی کانال n نامیده می‌شود. این بدان معنی است که اگر ترمینال گیت آنها را به طور مثبت (منفی برای کانال p) بایاس نکنیم، هیچ جریانی از کانال عبور نخواهد کرد.
اختلافات زیادی در ویژگی‌های انواع مختلف MOSFET وجود دارد و از این رو بایاس یک MOSFET باید به صورت جداگانه انجام شود. مانند پیکربندی امیتر مشترک در ترانزیستور دو قطبی، تقویت کننده سورس مشترک MOSFET باید در یک نقطه کار مناسب بایاس شود. اما ابتدا اجازه دهید ویژگی‌ها و پیکربندی اولیه MOSFET را به خود یادآوری کنیم.
MOSFET افزایشی کانال n
توجه داشته باشید که یک تفاوت اساسی بین ترانزیستور پیوند دو قطبی و FET این است که ترمینال‌های BJT به ترتیب کلکتور، امیتر و بیس و ترمینال‌های MOSFET به ترتیب درین، سورس و گیت نام دارند.
تفاوت دیگر MOSFET با BJT این است که برخلاف پیوند بیس-امیتر در BJT، هیچ ارتباط مستقیمی بین گیت و کانال وجود ندارد، چرا که الکترود فلزی گیت از نظر الکتریکی از کانال رسانا عایق شده است. این امر نام ثانویه ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق (یا IGFET) را به آن می‌دهد.
می‌توانیم ببینیم که برای MOSFET کانال n (NMOS) مواد نیمه رسانای بستر از نوع p است، در حالی که الکترودهای سورس و درین از نوع n هستند. ولتاژ تغذیه مثبت خواهد بود. بایاس مثبت ترمینال گیت، الکترون‌ها را در داخل بستر نیمه هادی نوع p زیر ناحیه گیت به سمت خود جذب می‌کند.
این فراوانی الکترون‌های آزاد در بستر نوع p باعث می‌شود که با معکوس شدن ویژگی‌های الکتریکی بستر نوع p، یک کانال رسانا ظاهر شود یا رشد کند و عملا بستر نوع p را به ماده‌ای از نوع n تغییر می‌دهد و عبور جریان کانال را میسر می‌سازد.
عکس این امر در مورد MOSFET کانال p (PMOS) نیز صادق است، که در آن پتانسیل منفی گیت باعث جمع شدن حفره‌ها در زیر ناحیه گیت می‌شود، چراکه آنها به الکترون‌های بیرونی الکترود گیت فلزی جذب می‌شوند. در نتیجه بستر نوع n یک کانال رسانا از نوع p ایجاد می‌کند.
بنابراین در ترانزیستور MOS نوع n، هرچه پتانسیل مثبت بیشتری بر گیت اعمال کنیم، تجمع الکترون‌ها در اطراف ناحیه گیت بیشتر و کانال رسانا گسترده‌تر می‌شود. این امر جریان الکترون را از طریق کانال افزایش می‌دهد و باعث می‌شود جریان کانال بیشتری از درین به سورس جاری شود که منجر به نام MOSFET افزایشی می‌شود.
تقویت کننده MOSFET افزایشی
MOSFET افزایشی یا eMOSFET را می‌توان به عنوان یک دستگاه معمولا خاموش (غیر رسانا) طبقه بندی کرد، یعنی تنها در مواقعی که ولتاژ مثبت مناسب گیت به سورس اعمال می‌شود، جریان را عبور می‌دهد، برخلاف MOSFET نوع تخلیه کننده که دستگاهی معمولا خاموش است و هنگامی که ولتاژ گیت صفر باشد جریان را عبور می‌دهد.
با این حال، به دلیل ساخت و ساز و فیزیک MOSFET افزایشی، یک حداقل ولتاژ گیت به سورس وجود دارد که ولتاژ آستانه (VTH) نامیده می‌شود و قبل از شروع به کار باید به گیت اعمال شود تا جریان درین جاری شود.
به عبارت دیگر، یک MOSFET افزایشی هنگامی که ولتاژ گیت-سورس (VGS) کمتر از ولتاژ آستانه (VTH) باشد، جریان را عبور نمی‌دهد. اما با افزایش بایاس مستقیم گیت، جریان درین (ID، که به عنوان جریان درین-سورس IDS نیز شناخته می‌شود)، مانند ترانزیستور دو قطبی افزایش می‌یابد و به همین دلیل eMOSFET برای استفاده در مدارهای تقویت کننده MOSFET ایده‌آل است.
مشخصه کانال رسانای MOS را می‌توان یک مقاومت متغیر دانست که توسط گیت کنترل می‌شود. بنابراین مقدار جریان درین که از این کانال n عبور می‌کند بستگی به ولتاژ گیت-سورس دارد. یکی از اندازه گیری‌های متعددی که می‌توانیم با استفاده از MOSFET انجام دهیم ترسیم نمودار مشخصه انتقال است تا رابطه I-V بین جریان درین و ولتاژ گیت را نشان دهد.
مشخصه I-V در eMOSFET کانال n
با ولتاژ درین-سورس (VDS) ثابت متصل به eMOSFET می‌توان مقادیر جریان درین (ID) را نسبت به مقادیر مختلف VGS ترسیم کرد تا نمودار مشخصه DC مستقیم MOSFET را به دست آوریم. این مشخصه، هدایت انتقالی (gm) ترانزیستور را به ما می‌دهد.
این هدایت انتقالی رابطه جریان خروجی به ولتاژ ورودی را نمایش می‌دهد که نماینده بهره ترانزیستور است. بنابراین شیب منحنی هدایت انتقالی در هر نقطه به ازای مقدار ثابت VDS به این صورت است: gm=ID/Vgs.
به عنوان مثال، فرض کنید یک ترانزیستور MOS جریان درین ۲mA را هنگام VGS=۳V و جریان درین ۱۴mA را هنگامی که VGS=۷V است، عبور دهد. پس:
این نسبت را هدایت انتقالی استاتیک یا DC ترانزیستور می‌نامند و واحد زیمنس (S) به آن داده می‌شود، چراکه نسبت آمپر بر ولت است. بهره ولتاژ تقویت کننده MOSFET با هدایت انتقای و مقدار مقاومت درین نسبت مستقیم دارد.
در VGS=۰ هیچ جریانی از کانال ترانزیستور MOS عبور نمی‌کند زیرا اثر میدان در اطراف گیت برای ایجاد یا «باز کردن» کانال نوع n کافی نیست. پس ترانزیستور در ناحیه قطع و به عنوان یک کلید باز عمل می‌کند. به عبارت دیگر، با اعمال ولتاژ صفر به گیت، eMOSFET کانال n معمولا خاموش است و این حالت «خاموش» با خط شکسته کانال در نماد eMOSFET نشان داده می‌شود (برخلاف نوع تخلیه که دارای خط کانال پیوسته است).
با افزایش تدریجی ولتاژ مثبت گیت-سورس (VGS)، اثر میدان شروع به افزایش هدایت ناحیه کانال می‌کند و به نقطه‌ای می‌رسد که کانال شروع به هدایت کند. این نقطه به عنوان ولتاژ آستانه (VTH) شناخته می‌شود. با افزایش VGS، کانال رسانا گسترده‌تر می‌شود (مقاومت کمتر) و در نتیجه مقدار جریان درین (ID) افزایش می‌یابد. به یاد داشته باشید که گیت هرگز جریانی را عبور نمی‌دهد، زیرا از لحاظ الکتریکی از کانال ایزوله شده است و به این ترتیب امپدانس ورودی بسیار بالایی را به تقویت کننده MOSFET می‌دهد.
بنابراین MOSFET افزایشی کانال n هنگامی که ولتاژ گیت-سورس (VGS) کمتر از سطح ولتاژ آستانه (VTH) است، در ناحیه قطع خود قرار می‌گیرد و هنگامی که VGS بالاتر از این حد آستانه باشد، هدایت کرده یا اشباع می‌شود. هنگامی که ترانزیستور eMOS در ناحیه اشباع کار می‌کند، جریان درین به شرح زیر است:
جریان درین eMOSFET
توجه داشته باشید که مقادیر k (پارامتر هدایت) و VTH (ولتاژ آستانه) برای هر eMOSFET متفاوت است و نمی‌توان آنها را از نظر فیزیکی تغییر داد. این بدان دلیل است که آنها مشخصات خاصی در رابطه با مواد و هندسه دستگاه‌ها هستند که در فرایند ساخت ترانزیستور تعیین می‌شوند.
منحنی مشخصه انتقال استاتیک عموما سهمی شکل (قانون مربع) و سپس خطی است. افزایش جریان درین (ID) نسبت به افزایش ولتاژ گیت-سورس (VGS) شیب یا شیب منحنی را به ازای مقادیر ثابت VDS تعیین می‌کند.
پس می‌بینیم که «روشن» کردن ترانزیستور MOS افزایشی یک فرآیند تدریجی است و برای اینکه از MOSFET به عنوان تقویت کننده استفاده کنیم، باید ترمینال گیت آن را در نقطه‌ای بالاتر از سطح آستانه آن بایاس کنیم.
روش‌های مختلفی برای انجام این کار، از جمله استفاده از دو منبع ولتاژ جداگانه، بایاس از طریق فیدبک درین، بایاس با دیود زنر و غیره وجود دارد. اما از هر روش بایاسی که استفاده می‌کنیم، باید مطمئن شویم که ولتاژ گیت، به مقدار VTH، مثبت تر از سورس باشد. در این آموزش از روش آشنای مدار بایاس تقسیم ولتاژ، استفاده می‌کنیم.
بایاس DC ترانزیستور MOSFET
مدار بایاس تقسیم کننده ولتاژ جهانی یک تکنیک بایاس محبوب است که برای برقراری شرایط مطلوب DC تقویت کننده‌های ترانزیستور دو قطبی و تقویت کننده‌های MOSFET استفاده می‌شود. مزیت شبکه بایاس تقسیم ولتاژ این است که MOSFET یا ترانزیستور دو قطبی را می‌توان از یک منبع DC بایاس کرد. اما ابتدا باید بدانیم که برای تقویت کننده MOSFET، گیت را در چه نقطه‌ای بایاس کنیم.
دستگاه MOSFET دارای سه ناحیه مختلف کار است. این ناحیه‌ها عبارتند از: ناحیه اهمی/تریود، ناحیه اشباع/خطی و نقطه تنجیدگی یا pinch-off. برای اینکه MOSFET به عنوان یک تقویت کننده خطی عمل کند، باید یک نقطه کار یا نقطه Q مناسب تعیین کنیم، بنابراین باید در ناحیه اشباع بایاس شده باشد. نقطه Q برای MOSFET با مقادیر DC آن، ID و VGS نشان داده می‌شود که نقطه کار را در مرکز منحنی مشخصه خروجی MOSFET قرار می‌دهد.
همانطور که دیدیم، ناحیه اشباع زمانی شروع می‌شود که VGS بالاتر از سطح آستانه (VTH) باشد. بنابراین اگر یک سیگنال AC کوچک را که روی این بایاس DC در ورودی گیت اضافه شده است اعمال کنیم، MOSFET مانند تقویت کننده خطی عمل می‌کند.
نقطه بایاس DC برای eMOSFET
مدار NMOS سورس مشترک بالا نشان می‌دهد که ولتاژ ورودی سینوسی (Vi) با منبع DC سری است. این ولتاژ گیت DC توسط مدار بایاس تنظیم می‌شود. پس کل ولتاژ گیت-سورس مجموع VGS و Vi خواهد بود.
مشخصه DC و در نتیجه نقطه Q (نقطه کار) همه تابعی از ولتاژ گیت (VGS)، ولتاژ منبع تغذیه (VDD) و مقاومت بار (RD) هستند.
ترانزیستور MOS در ناحیه اشباع بایاس شده است تا جریان درین مطلوب ایجاد شده و نقطه Q ترانزیستور تعیین شود. با افزایش لحظه‌ای VGS، نقطه بایاس در منحنی به سمت بالا حرکت می‌کند و اجازه می‌دهد با کاهش VDS جریان درین بزرگ‌تری جاری شود.
به همین ترتیب، با کاهش مقدار لحظه‌ای VGS (در نیمه منفی موج سینوسی ورودی)، نقطه بایاس در منحنی به سمت پایین حرکت می‌کند و VGS کوچک‌تر منجر به جریان درین کوچک‌تر و افزایش VDS می‌شود.
پس برای ایجاد یک نوسان خروجی بزرگ باید ترانزیستور را بسیار بالاتر از سطح آستانه بایاس کنیم تا اطمینان حاصل شود که ترانزیستور در طول چرخه ورودی سینوسی کامل در ناحیه اشباع باقی می‌ماند. با این حال، در میزان بایاس گیت و جریان درین قابل استفاده محدودیت وجود دارد. برای حداکثر نوسان ولتاژ خروجی، نقطه Q باید تقریبا در نیمه راه بین ولتاژ منبع تغذیه (VDD) و ولتاژ آستانه (VTH) قرار گیرد.
به عنوان مثال، فرض کنید می‌خواهیم یک تقویت کننده سورس مشترک NMOS تک مرحله‌ای بسازیم. ولتاژ آستانه (VTH) آن ۲/۵V و ولتاژ منبع تغذیه (VDD) +۱۵V است. پس نقطه بایاس DC برابر ۱۲/۵ = ۲/۵ – ۱۵ یا ۶V به نزدیک‌ترین مقدار صحیح خواهد بود.
مشخصه ID-VDS برای MOSFET
مشاهده کردیم که می‌توان با ثابت نگه داشتن ولتاژ تغذیه (VDD) و افزایش ولتاژ گیت (VG)، نمودار مشخصه DC مستقیم MOSFET را ساخت. اما برای به دست آوردن تصویری کامل از عملکرد ترانزیستور MOS افزایشی نوع n برای استفاده در یک مدار تقویت کننده MOSFET، باید مشخصه خروجی را برای مقادیر مختلف VDD و VGS نمایش دهیم.
همانند ترانزیستور پیوند دو قطبی npn، می‌توانیم مجموعه‌ای از منحنی‌های مشخصه خروجی ترسیم کنیم که جریان درین (ID) را به ازای افزایش مقادیر مثبت VG برای ترانزیستور MOS حالت افزایشی کانال n نشان دهد
منحنی های مشخصه eMOSFET نوع N
توجه داشته باشید که یک دستگاه eMOSFET کانال p دارای مجموعه مشابهی از منحنی‌های مشخصه جریان درین است با این تفاوت که پلاریته ولتاژ گیت معکوس می‌شود.
تقویت کننده MOSFET سورس مشترک پایه
پیش‌تر نحوه ایجاد شرایط عملکرد دلخواه DC را برای بایاس eMOSFET نوع n بررسی کردیم. اگر یک سیگنال کوچک متغیر با زمان به ورودی اعمال کنیم، در شرایط مناسب، مدار MOSFET می‌تواند به عنوان یک تقویت کننده خطی عمل کند، به شرطی که نقطه Q ترانزیستور جایی نزدیک مرکز ناحیه اشباع باشد و سیگنال ورودی آنقدر کوچک باشد که خروجی خطی باقی بماند. مدار تقویت کننده MOSFET پایه در شکل زیر را در نظر بگیرید.
تقویت کننده MOSFET پایه
این پیکربندی ساده تقویت کننده MOSFET سورس مشترک حالت افزایشی، از یک منبع تغذیه در درین استفاده می‌کند و ولتاژ گیت (VG) مورد نیاز را با استفاده از مدار تقسیم کننده ولتاژ تامین می‌کند. به یاد داریم که در MOSFET، هیچ جریانی به ترمینال گیت وارد نمیشود و از این رو می‌توانیم مفروضات پایه زیر را در مورد شرایط عملکرد DC تقویت کننده MOSFET داشته باشیم.
پس از این طریق می‌توان گفت که:
و ولتاژ گیت-سورس (VGS) MOSFET به صورت زیر است:
همانطور که در بالا دیدیم، برای عملکرد مناسب MOSFET، این ولتاژ گیت-سورس باید بیشتر از ولتاژ آستانه MOSFET باشد، یعنی VGS>VTH. از آنجا که IS=ID، ولتاژ گیت (VG) برابر است با:
برای تنظیم ولتاژ گیت تقویت کننده MOSFET به این مقدار، مقادیر مقاومت‌های R1 و R2 در شبکه تقسیم ولتاژ را به مقادیر صحیح انتخاب می‌کنیم. همانطور که می‌دانیم، «هیچ جریانی» به ترمینال گیت یک دستگاه MOSFET وارد نمیشود، بنابراین فرمول تقسیم ولتاژ به شرح زیر است:
ولتاژ بایاس گیت تقویت کننده MOSFET
توجه داشته باشید که این معادله تقسیم ولتاژ تنها نسبت دو مقاومت بایاس R1 و R2 را تعیین می‌کند و نه مقادیر واقعی آنها. همچنین مطلوب است که مقادیر این دو مقاومت را تا حد ممکن بزرگ انتخاب کنیم تا افت توان I2×R آنها کاهش و مقاومت ورودی تقویت کننده MOSFET افزایش یابد.
تقویت کننده MOSFET مثال 1
یک تقویت کننده MOSFET سورس مشترک با استفاده از eMOSFET کانال n که دارای پارامتر هدایت ۵۰mA/V2 و ولتاژ آستانه ۲/۰V است، ساخته می‌شود. اگر ولتاژ منبع تغذیه +۱۵V و مقاومت بار ۴۷۰Ω باشد، مقادیر مقاومت‌های مورد نیاز را برای بایاس تقویت کننده MOSFET در (VDD)۱/۳ محاسبه کنید. شکل مدار را رسم کنید.
مقادیر داده شده: VDD=+15V، VTH=2.0V، k=50mA/V2 و RD=470Ω.
- جریان درین (ID)
2. ولتاژ گیت-سورس (VGS)
3. ولتاژ گیت (VG)
بنابراین با اعمال KVL در سراسر MOSFET، ولتاژ درین-سورس (VDS) به صورت زیر به دست می‌آید:
4. مقاومت سورس (RS)
نسبت مورد نیاز مقاومت‌های تقسیم کننده ولتاژ (R1 و R2) برای به دست آوردن 1/3VDD به شرح زیر محاسبه می‌شود:
اگر R1=۲۰۰kΩ و R2=۱۰۰kΩ انتخاب کنیم، شرط VG=۱/۳VDD برآورده می‌شود. همچنین با این ترکیب از مقاومت‌های بایاس، مقاومت ورودی تقویت کننده MOSFET تقریبا ۶۷kΩ خواهد بود.
با محاسبه مقادیر خازن‌های کوپلینگ ورودی و خروجی، می‌توانیم این طرح را یک قدم جلوتر ببریم. اگر فرکانس قطع پایین‌تری برای تقویت کننده MOSFET (مثلا ۲۰Hz) در نظر بگیریم، مقادیر دو خازن، با در نظر گرفتن امپدانس ورودی شبکه بایاس گیت، به صورت زیر محاسبه می‌شود:
پس طرح نهایی مدار تقویت کننده MOSFET تک مرحله‌ای به صورت زیر است:
تقویت کننده MOSFET تک مرحله‌ای
خلاصه تقویت کننده MOSFET
هدف اصلی تقویت کننده MOSFET یا هرگونه تقویت کننده دیگری، تولید یک سیگنال خروجی است که بازتولید وفادار سیگنال ورودی با بزرگی تقویت شده باشد. این سیگنال ورودی می‌تواند جریان یا ولتاژ باشد، اما برای اینکه دستگاه MOSFET به عنوان یک تقویت کننده عمل کند، باید طوری بایاس شود که در ناحیه اشباع خود کار کند.
دو نوع اصلی MOSFET حالت افزایشی وجود دارد: کانال n و کانال p و در این آموزش MOSFET افزایشی کانال n را بررسی کرده‌ایم. اغلب از آن به عنوان NMOS یاد می‌شود، زیرا می‌تواند با ولتاژهای مثبت گیت و درین نسبت به سورس عمل کند، در مقابل PMOS کانال p که با ولتاژهای منفی گیت و درین نسبت به سورس کار می‌کند.
ناحیه اشباع یک دستگاه MOSFET ناحیه جریان دائم، بالاتر از ولتاژ آستانه آن (VTH) است. هنگامی که به طور صحیح در ناحیه اشباع بایاس شود، جریان درین (ID) در نتیجه ولتاژ گیت-سورس (VGS) تغییر می‌کند و نه توسط ولتاژ درین-سورس (VDS)، زیرا جریان درین اشباع شده می‌شود.
در MOSFET حالت افزایشی، میدان الکترواستاتیک ایجاد شده با اعمال ولتاژ گیت، هدایت کانال را افزایش می‌دهد، برخلاف MOSFET حالت تخلیه که کانال را تخلیه می‌کند.
ولتاژ آستانه حداقل بایاس گیت مورد نیاز برای ایجاد کانال بین سورس و درین است. در مقادیر بالاتر از آن، جریان درین به نسبت ۲(VGS-VTH) در ناحیه اشباع افزایش می‌یابد و به عنوان تقویت کننده عمل می‌کند.
