MOSFET-Verstärker

 

 

Der MOSFET-Verstärker verwendet einen Metalloxid-Silizium-Transistor, der in der gemeinsamen Source-Konfiguration verbunden ist In unserem vorherigen Tutorial über FET-Verstärker haben wir gesehen, dass einfache einstufige Verstärker mit Hilfe von Junction-Feldeffekttransistoren oder JFETs hergestellt werden können. Es gibt auch andere Arten von Feldeffekttransistoren, die zum Bauen und Verstärken verwendet werden können, und in diesem Tutorial werden wir uns den MOSFET-Verstärker ansehen.

Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, kurz MOSFET, sind eine ausgezeichnete Wahl für kleine lineare Signalverstärker, da ihre Eingangsimpedanz extrem hoch ist und sie leicht vorzuspannen sind. Damit jedoch ein MOSFET eine lineare Verstärkung erzeugen kann, muss er im Gegensatz zum Bipolartransistor (Bipolar Junction Transistor) in seinem Sättigungsbereich arbeiten. Aber genau wie der BJT muss auch er um einen zentral festgelegten Q-Punkt vorgespannt sein.

 

Ein typischer MOSFET-Transistor

 

MOSFETS leiten durch einen leitfähigen Bereich oder Pfad, der „Kanal“ genannt wird. Wir können diesen leitenden Kanal durch Anlegen eines geeigneten Gate-Potentials breiter oder kleiner machen. Ein durch das Anlegen dieser Gatespannung induziertes elektrisches Feld um den Gateanschluss beeinflusst die elektrischen Eigenschaften des Kanals, daher der Name Feldeffekttransistor. Mit anderen Worten, wir können steuern, wie der MOSFET funktioniert, indem wir seinen leitenden Kanal zwischen den Source- und Drain-Regionen erzeugen oder „verbessern“, indem wir eine Art von MOSFET erzeugen, der gemeinhin als n-Kanal Enhancement-Mode MOSFET bezeichnet wird, was einfach bedeutet, dass kein Kanalstrom fließen wird, wenn wir er nicht positiv auf das Gate (negativ für den p-Kanal) vorspannt ist.

Es gibt große Unterschiede in den Eigenschaften der verschiedenen MOSFETS, und daher muss die Vorspannung eines MOSFETS individuell vorgenommen werden. Wie bei der Common Emitterkonfiguration des Bipolartransistors muss der Common Source MOSFET-Verstärker bei einem geeigneten Ruhewert vorgespannt werden. Doch zunächst erinnern wir uns an die grundlegenden Eigenschaften und Konfigurationen der MOSFETS.

 

N-Kanal Erweiterungsmodus-MOSFET

 

 

Beachten Sie, dass die grundlegenden Unterschiede zwischen einem Bipolar Junction Transistor und einem FET darin bestehen, dass ein BJT Anschlüsse mit der Bezeichnung Kollektor, Emitter und Basis hat, während ein MOSFET Anschlüsse mit der Bezeichnung Drain, Source und Gate hat. Auch der MOSFET unterscheidet sich vom BJT dadurch, dass es keine direkte Verbindung zwischen Gate und Kanal gibt, im Gegensatz zum Basis-Emitter-Übergang des BJT, da die metallische Gate-Elektrode vom leitenden Kanal elektrisch isoliert ist, woher auch der zweite Name Insulated Gate Field Effect Transistor oder IGFET rührt. Wir können sehen, dass für den n-Kanal-MOSFET (NMOS) über dem Substrat Halbleitermaterial vom p-Typ ist, während die Quelle und Drain-Elektroden n-Typ sind. Die Versorgungsspannung ist positiv. Positive Vorspannung des Gate-Terminals zieht Elektronen im p-Typ-Halbleitersubstrat unterhalb des Gate-Bereichs zu ihm hin.

Diese Überfülle an freien Elektronen im p-Typ-Substrat führt dazu, dass ein leitender Kanal entsteht oder wächst, wenn die elektrischen Eigenschaften des p-Typ-Bereichs invertiert werden, wodurch das p-Typ-Substrat effektiv in ein n-Typ-Material umgewandelt wird, das den Kanalstrom fließen lässt. Das Gegenteil gilt für den p-Kanal-MOSFET (PMOS), wo ein negatives Gate-Potential einen Aufbau von Löchern unter dem Gate-Bereich verursacht, da sie von den Elektronen auf der Außenseite der metallischen Gate-Elektrode angezogen werden. Das Ergebnis ist, dass das n-Substrat einen p-leitenden Kanal erzeugt. Für unseren n-Typ-MOS-Transistor gilt: Je mehr positives Potential wir auf das Gate legen, desto mehr Elektronen bauen sich um den Gate-Bereich auf und desto breiter wird der leitende Kanal. Dies verbessert den Elektronenfluss durch den Kanal, so dass mehr Kanalstrom vom Drain zur Quelle fließt, was zum Namen Enhancement MOSFET führt.

 

Enhancement MOSFET-Verstärker

Enhancement MOSFET, oder eMOSFET, können als normalerweise-aus (nichtleitende) Bauelemente klassifiziert werden, d.h. sie leiten nur, wenn eine geeignete Gate-to-Source positive Spannung angelegt wird, im Gegensatz zu Depletion MOSFET, normalerweise-an Bauelemente die leiten, wenn die Gatespannung Null ist. Aufgrund des Aufbaus und der Physik eines Enhancement MOSFET gibt es jedoch eine minimale Gate-to-Source-Spannung, als Schwellenspannung V_TH bezeichnet, die an das Gate angelegt werden muss, bevor es beginnt, den Drainstrom fließen zu lassen. Mit anderen Worten, ein Enhancement MOSFET leitet nicht, wenn die Gate-Quelle Spannung, V_GS geringer als die Schwellenspannung, V_TH ist, aber mit zunehmender Vorwärts-Vorspannung der Gates steigt auch der Drain-Strom, I_D (auch bekannt als Drain-Source-Strom I_DS) auch steigen, ähnlich wie bei einem bipolaren Transistor, was eMOSFETS ideal für den Einsatz in MOSFET Verstärker Schaltungen macht.

Die Eigenschaften des leitfähigen MOS-Kanals können als variabler Widerstand betrachtet werden, der durch das Gate gesteuert wird. Die Höhe des Drainstroms, der durch diesen n-Kanal fließt, hängt also von der Gate-Source-Spannung ab, und eine der vielen Messungen, die wir mit einem MOSFET durchführen können, ist die Darstellung einer Übertragungskennlinie, um die i-v-Beziehung zwischen dem Drain-Strom und der Gate-Spannung wie dargestellt wiederzugeben.

 

N-Kanal eMOSFET I-V Eigenschaften

 

 

Mit einer festen V_DS-Drain-Source-Spannung, die über den eMOSFET angeschlossen ist, können wir die Werte des Drain-Stromes, I_D bei variierenden V_GS-Werten aufzeichnen, um eine Grafik der MOSFET Vorwärts-DC-Charakteristik zu erhalten. Diese Charakteristik ergibt die Transkonduktanz, gm des Transistors. Diese Transkonduktanz bezieht den Ausgangsstrom auf die Eingangsspannung, stellt also die Verstärkung des Transistors dar. Die Steigung der Transkonduktanzkurve an einem beliebigen Punkt ist daher als: gm = I_D/V_GS für einen konstanten Wert von V_DS gegeben. Nehmen wir zum Beispiel an, dass ein MOS-Transistor einen Drainstrom von 2mA bei V_GS = 3V und einen Drainstrom von 14mA bei V_GS = 7V hat. Dann ist:

 

 

Dieses Verhältnis nennt man DC-Transkonduktanz, was für „Transfer Konduktanz“ steht und in der Einheit Siemens (S), Ampere pro Volt angegeben wird. Die Spannungsverstärkung eines MOSFET-Verstärkers ist direkt proportional zur Transkonduktanz und zum Wert des Drain-Widerstandes. Bei V_GS = 0 fließt kein Strom durch den MOS-Transistorkanal, da der Feldeffekt um das Gate nicht ausreicht, um den n-Kanal zu erzeugen oder zu „öffnen“. Dann befindet sich der Transistor in seinem Grenzbereich und wirkt wie ein offener Schalter. Mit anderen Worten, bei angelegter Gatespannung ist der n-Kanal eMOSFET aus und diese „OFF“-Bedingung wird durch die gestrichelte Kanallinie im eMOSFET-Symbol dargestellt (im Gegensatz zu den Verarmungstypen, die eine kontinuierliche Kanallinie haben).

Da wir nun schrittweise die positive Gate-Source-Spannung V_GS erhöhen, beginnt der Feldeffekt die Leitfähigkeit der Kanalregionen zu erhöhen und es wird ein Punkt, an dem der Kanal beginnt zu leiten. Dieser Punkt wird als Schwellenspannung V_TH bezeichnet. Wenn wir V_GS positiver erhöhen, wird der leitende Kanal mit der Höhe des Drainstroms breiter (weniger Widerstand), I_D steigt. Denken Sie daran, dass das Gate keinen Strom leitet, da es vom Kanal galvanisch getrennt ist, was einem MOSFET-Verstärker eine extrem hohe Eingangsimpedanz verleiht. Daher befindet sich der n-Kanal Enhancement MOSFET in seinem Cut-Off-Modus, wenn die Gate-Source-Spannung, V_GS kleiner als sein Schwellenwert, V_TH ist und sein Kanal leitet oder sättigt sich, wenn V_GS über diesem Schwellwert liegt. Wenn der eMOS-Transistor im Sättigungsbereich arbeitet, wird der Drainstrom, I_D:

 

eMOSFET Drainstrom

 

 

Beachten Sie, dass die Werte von k (Leitungsparameter) und V_TH (Schwellenspannung) von eMOSFET zu eMOSFET variieren und nicht physikalisch verändert werden können, da es sich um spezifische Spezifikationen des Materials und der Bauteilgeometrie handelt. Die statische Übertragungskennlinie rechts ist in der Regel parabolisch (quadratisches Gesetz) und dann linear. Der Anstieg des Drainstroms, I_D für eine gegebene Erhöhung der Gate-Source-Spannung, V_GS bestimmt die Steigung oder das Gefälle der Kurve für konstante Werte von V_DS. Wir sehen also, dass das Einschalten eines Enhancement MOS-Transistors ein schrittweiser Prozess ist, und damit wir den MOSFET als Verstärker nutzen können, müssen wir seinen Gateanschluss an einem Punkt über seinem Schwellenwert vorspannen.

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun, von der Verwendung von zwei getrennten Spannungsversorgungen, über die Rückkopplungsvorspannung bis hin zur Zenerdiodenvorspannung, etc. Aber egal welche Vorspannungsmethode wir verwenden, wir müssen sicherstellen, dass die Gatespannung um einen Betrag größer als V_TH positiver ist als die Quelle. In diesem MOSFET-Verstärker-Tutorial verwenden wir die uns bekannte universelle Spannungsteiler-Vorspannungsschaltung.

 

DC-Vorspannung des MOSFET

Die universelle Spannungsteiler-Vorspannungsschaltung ist eine beliebte Vorspannungstechnik, mit der ein gewünschter DC-Betriebszustand von bipolaren Transistorverstärkern und MOSFET-Verstärkern hergestellt wird. Der Vorteil des Spannungsteiler-Vorspannnetzes besteht darin, dass der MOSFET, oder auch ein Bipolartransistor, von einer einzigen DC-Versorgung vorgespannt werden kann. Aber zuerst müssen wir wissen, wo wir das Gate für unseren MOSFET-Verstärker vorspannen können.

Ein MOSFET hat drei verschiedene Operationsbereiche. Diese Regionen werden Ohmscher/Triodenbereich, Sättigungs-/Linearbereich und Pinch-Off-Punkt genannt. Damit ein MOSFET als linearer Verstärker arbeiten kann, müssen wir einen genau definierten Ruhepunkt oder Q-Punkt festlegen, also muss er vorgespannt sein, um in seinem Sättigungsbereich zu arbeiten. Der Q-Punkt für den MOSFET wird durch die DC-Werte, I_D and V_GS gegeben, die den Arbeitspunkt zentral auf der MOSFET-Ausgangskennlinie positionieren. Wie wir oben gesehen haben, beginnt der Sättigungsbereich, wenn V_GS über dem V_TH -Schwellenwert liegt. Wenn wir also ein kleines AC-Signal anlegen, das dieser DC-Vorspannung am Gate-Eingang überlagert wird, dann wirkt der MOSFET wie dargestellt als linearer Verstärker.

 

eMOSFET DC Vorspannungspunkt

 

 

Die obige Common-Source-NMOS-Schaltung zeigt, dass die sinusförmige Eingangsspannung V_i in Reihe mit einer DC-Quelle liegt. Diese DC-Gatespannung wird durch die Vorspannungsschaltung eingestellt. Dann ist die gesamte Gate-Quellspannung die Summe aus V_GS and V_i. Die DC-Charakteristik und damit der Q-Punkt (Ruhepunkt) sind alle Funktionen von Gatespannung V_GS, Versorgungsspannung V_DD und Lastwiderstand R_D. Der MOS-Transistor wird innerhalb des Sättigungsbereichs vorgespannt, um den gewünschten Drain-Strom zu erzeugen, der den Q-Punkt der Transistoren definiert. Wenn der Momentanwert von V_GS steigt, bewegt sich der Vorspannungspunkt wie dargestellt nach oben, so dass ein größerer Drainstrom fließen kann, wenn V_DS abnimmt.

Ebenso bewegt sich, wenn der Momentanwert von V_GS abnimmt (während der negativen Hälfte der Eingangssinuswelle) der Vorspannungspunkt auf der Kurve nach unten und ein kleinerer V_GS führt zu einem kleineren Drainstrom und einem höheren V_DS. Um einen großen Ausgangshub zu erreichen, müssen wir den Transistor weit über dem Schwellwert vorspannen, um sicherzustellen, dass der Transistor über den gesamten sinusförmigen Eingangszyklus in Sättigung bleibt. Es gibt jedoch eine Begrenzung der Gate-Vorspannung und des Drain-Stromes, die wir verwenden können. Um einen maximalen Spannungshub des Ausgangs zu ermöglichen, sollte der Q-Punkt etwa in der Mitte zwischen der Versorgungsspannung V_DD und der Schwellenspannung V_TH liegen. Nehmen wir zum Beispiel an, wir wollen einen einstufigen NMOS-Common-Source-Verstärker bauen. Die Schwellenspannung, V_TH des eMOSFET beträgt 2,5 Volt und die Versorgungsspannung, V_DD +15 Volt. Der DC-Vorspannungspunkt beträgt dann 15 – 2,5 = 12,5 Volt oder 6 Volt als nächster ganzzahliger Wert.

 

Die I_D – V_DS Charakteristik des MOSFETS

Wir haben oben gesehen, dass wir ein Diagramm der Vorwärts-DC-Kennlinie des MOSFETS konstruieren können, indem wir die Versorgungsspannung, V_DD konstant halten und die Gatespannung, V_G, erhöhen. Um jedoch ein vollständiges Bild vom Betrieb des n-Typ Enhancement MOS-Transistors in einer MOSFET-Verstärkerschaltung zu erhalten, müssen wir die Ausgangskennlinien für verschiedene Werte von V_DD und V_GS darstellen. Wie beim NPN Bipolartransistor können wir eine Reihe von Ausgangskennlinien konstruieren, die den Drainstrom, I_D für steigende positive Werte von V_G für einen n-Kanal Enhancement-Mode MOS-Transistor darstellen.

 

N-Typ eMOSFET-Kennlinien

 

 

Beachten Sie, dass ein p-Kanal eMOSFET-Gerät einen sehr ähnlichen Satz von Drain-Strom-Kennlinien hätte, die Polarität der Gatespannung jedoch umgekehrt wäre.

 

Basic Common Source MOSFET-Verstärker

Zuvor wurde untersucht, wie die gewünschte DC-Betriebsbedingung zur Vorspannung des n-Typ eMOSFET ermittelt werden kann. Wenn wir ein kleines , sich zeitlich änderndes Signal an den Eingang anlegen, dann kann die MOSFET-Schaltung unter den richtigen Umständen als linearer Verstärker wirken, vorausgesetzt, der Q-Punkt der Transistoren liegt irgendwo in der Mitte des Sättigungsbereichs, und das Eingangssignal ist klein genug, dass der Ausgang linear bleibt. Betrachten Sie die Basis-MOSFET-Verstärkerschaltung unten.

 

Basis-MOSFET-Verstärker

 

 

Diese einfache Enhancement-Mode Common-Source-Mosfet-Verstärker-Konfiguration verwendet eine einzige Versorgung am Drain und erzeugt die erforderliche Gatespannung, V_G über einen Widerstandsteiler. Wir erinnern uns, dass bei einem MOSFET kein Strom in die Gate-Klemme fließt und wir daraus die folgenden Grundannahmen über die DC-Betriebsbedingungen der MOSFET-Verstärker ableiten können.

 

 

Davon ausgehend können wir das sagen:

 

 

und die MOSFET Gate-to-Source-Spannung V_GS ist gegeben als:

 

 

Wie wir oben gesehen haben, muss diese Gate-Source-Spannung größer sein als die Schwellenspannung des MOSFETS, also V_GS > V_TH. Da I_S = I_D, ist die Gatespannung, V_G gleich:

 

 

Um die Gatespannung des MOSFET-Verstärkers auf diesen Wert einzustellen, wählen wir die Werte der Widerstände R1 und R2 innerhalb des Spannungsteilernetzes auf die richtigen Werte. Wie wir von oben wissen, fließt „kein Strom“ in den Gateanschluss eines MOSFET-Gerätes, so dass die Formel für den Spannungsteiler wie folgt lautet:

 

MOSFET-Verstärker Gate Bias Spannung

 

 

Beachten Sie, dass diese Spannungsteilergleichung nur das Verhältnis der beiden Vorwiderstände R1 und R2 bestimmt und nicht deren tatsächliche Werte. Auch ist es wünschenswert, die Werte dieser beiden Widerstände so groß wie möglich zu machen, um ihre I²*R -Verlustleistung zu reduzieren und den Eingangswiderstand des MOSFET-Verstärkers zu erhöhen.

 

MOSFET-Verstärker Beispiel Nr.1

Ein Common Source MOSFET-Verstärker soll mit einem n-Kanal eMOSFET gebaut werden, der einen Leitungsparameter von 50mA/V² und eine Schwellenspannung von 2,0 Volt hat. Wenn die Versorgungsspannung +15 Volt und der Lastwiderstand 470 Ohm betragen, berechnen Sie die Werte der Widerstände, die zur Vorspannung des MOSFET-Verstärkers bei 1/3(V_DD) erforderlich sind. Zeichnen Sie den Schaltplan.

Angegebene Werte: V_DD = +15v, V_TH = +2.0v, k = 50mA/V² und R_D = 470Ω.

 

1. Drainstrom, I_D

 

 

2. Gate-Quelle Spannung, V_GS

 

 

3. Gatespannung, V_G

 

 

KVL auf den MOSFET angewandt ergibt die Drain-Source-Spannung, V_DS:

 

 

4. Quellenwiderstand, R_S

 

 

Das Verhältnis der Spannungsteiler-Widerstände, R1 und R2 für 1/3V_DD wird wie folgt berechnet:

 

 

Wenn wir wählen: R1 = 200kΩ und R2 = 100kΩ erfüllt dies die Bedingung: V_G = 1/3V_DD. Diese Kombination von Vorwiderständen ergibt außerdem einen Eingangswiderstand von ca. 67kΩ. Mit der Berechnung der Werte der Eingangs- und Ausgangskoppelkondensatoren können wir noch einen Schritt weiter gehen. Wenn wir eine niedrigere Grenzfrequenz von z.B. 20Hz für unseren MOSFET-Verstärker annehmen, dann werden die Werte der beiden Kondensatoren unter Berücksichtigung der Eingangsimpedanz des Gate-Vorspannnetzes wie folgt berechnet:

 

 

Dann wird die Endschaltung für die einstufige MOSFET-Verstärkerschaltung:

 

Einstufiger MOSFET-Verstärker

 

 

Fazit: MOSFET-Verstärker 

Das Hauptziel eines MOSFET- oder auch anderer Verstärkers ist es, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine getreue Wiedergabe des Eingangssignals ist, aber in seiner Größe verstärkt wird. Dieses Eingangssignal kann ein Strom oder eine Spannung sein, aber damit ein MOSFET-Gerät als Verstärker arbeiten kann, muss er vorgespannt sein, um innerhalb seines Sättigungsbereichs zu arbeiten. Es gibt zwei Grundtypen von Enhancement-Mode MOSFETS, n-Kanal und p-Kanal, und in diesem MOSFET-Verstärker-Tutorial haben wir uns den n-Kanal Enhancement MOSFET angesehen, der oft als NMOS bezeichnet wird, da er mit positiven Gate- und Drain-Spannungen relativ zur Quelle betrieben werden kann, im Gegensatz zum p-Kanal PMOS, der mit negativen Gate- und Drain-Spannungen relativ zur Quelle betrieben wird.

Der Sättigungsbereich eines MOSFET-Gerätes ist sein Konstantstrombereich oberhalb seiner Schwellenspannung V_TH. Im Sättigungsbereich korrekt vorgespannt ist, variiert der Drainstrom, I_D infolge der Gate-to-Source-Spannung, VGS und nicht durch die Drain-to-Source-Spannung, V_DS, da der Drainstrom als gesättigt bezeichnet wird. Bei einem Enhancement-Mode MOSFET erhöht das durch das Anlegen einer Gatespannung erzeugte elektrostatische Feld die Leitfähigkeit des Kanals, anstatt den Kanal wie bei einem Depletion-Mode-MOSFET zu erschöpfen.

Die Schwellenspannung ist die minimale Gate-Vorspannung, die erforderlich ist, um die Bildung des Kanals zwischen Quelle und Drain zu ermöglichen. Über diesem Wert steigt der Drainstrom proportional zu (V_GS – V_TH)² im Sättigungsbereich, so dass er als Verstärker arbeiten kann.