MOSFET은 기본적으로 전계 효과를 사용하는 트랜지스터입니다. MOSFET은 게이트가있는 Metal Oxide Field Effect Transistor의 약자입니다. 게이트 전압은 장치의 전도도를 결정합니다. 이 게이트 전압에 따라 전도도를 변경할 수 있으므로 트랜지스터를 스위치 또는 증폭기로 사용하는 것처럼 스위치 또는 증폭기로 사용할 수 있습니다.
바이폴라 접합 트랜지스터 또는 BJT에는베이스, 이미 터 및 콜렉터가있는 반면 MOSFET에는 게이트, 드레인 및 소스 연결이 있습니다. 핀 구성 외에 BJT는 작동을 위해 전류가 필요하고 MOSFET은 전압이 필요합니다.
MOSFET은 매우 높은 입력 임피던스를 제공하며 바이어스가 매우 쉽습니다. 따라서 선형 소형 증폭기의 경우 MOSFET이 탁월한 선택입니다. 선형 증폭은 중앙에서 고정 된 Q 포인트 인 포화 영역에서 MOSFET을 바이어스 할 때 발생합니다.
아래 이미지에는 기본 N 채널 MOSFET 내부 구조 가 나와 있습니다. MOSFET에는 드레인, 게이트 및 소스의 세 가지 연결이 있습니다. 게이트와 채널 사이에 직접적인 연결이 없습니다. 게이트 전극은 전기적으로 절연되어 있기 때문에 IGFET 또는 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터 라고도합니다.
다음은 널리 사용되는 MOSFET IRF530N 의 이미지입니다.
MOSFET의 유형
작동 모드에 따라 두 가지 유형의 MOSFET을 사용할 수 있습니다. 이 두 유형에는 두 개의 하위 유형이 있습니다.
- 공핍 모드가있는 공 핍형 MOSFET 또는 MOSFET
- N 채널 MOSFET 또는 NMOS
- P 채널 MOSFET 또는 PMOS
- 강화 형 MOSFET 또는 강화 형 MOSFET
- N 채널 MOSFET 또는 NMOS
- P 채널 MOSFET 또는 PMOS
공 핍형 MOSFET
공 핍형 MOSFET은 일반적으로 제로 게이트 대 소스 전압에서 ON입니다. MOSFET이 N- 채널 공 핍형 MOSFET이면 장치를 끄는 데 필요한 임계 전압이 있습니다. 예를 들어 임계 전압이 -3V 또는 -5V 인 N 채널 공핍 MOSFET의 경우 MOSFET의 게이트를 -3V 또는 -5V로 끌어 당겨 디바이스를 꺼야합니다. 이 임계 전압은 N 채널의 경우 음수이고 P 채널의 경우 양수입니다. 이 유형의 MOSFET은 일반적으로 논리 회로에 사용됩니다.
강화 형 MOSFET
강화 형 MOSFET에서 장치는 게이트 전압이 0 일 때 꺼진 상태로 유지됩니다. MOSFET을 켜려면 최소 게이트-소스 전압 (Vgs 임계 전압)을 제공해야합니다. 그러나 드레인 전류는이 게이트-소스 전압에 크게 의존하며 Vgs가 증가하면 드레인 전류도 같은 방식으로 증가합니다. 강화 형 MOSFET은 증폭기 회로를 구성하는 데 이상적입니다. 또한 공핍 MOSFET과 마찬가지로 NMOS 및 PMOS 하위 유형도 있습니다.
MOSFET의 특성 및 곡선
드레인에서 소스까지 안정적인 전압을 제공함으로써 MOSFET의 IV 곡선을 이해할 수 있습니다. 위에서 언급했듯이 드레인 전류는 Vgs, 게이트 대 소스 전압에 크게 의존합니다. Vgs를 변경하면 드레인 전류도 달라집니다.
MOSFET의 IV 곡선을 보겠습니다.
위의 이미지에서 N- 채널 MOSFET 의 IV 슬로프를 볼 수 있습니다. Vgs 전압이 임계 전압보다 낮을 때 드레인 전류는 0이고,이 시간 동안 MOSFET은 컷오프 모드에 있습니다. 그 후 게이트-소스 전압이 증가하기 시작하면 드레인 전류도 증가합니다.
IRF530 MOSFET의 IV 곡선의 실제 예를 살펴 보겠습니다.
Vgs가 4.5V 일 때 IRF530의 최대 드레인 전류는 25 ° C에서 1A임을 보여주는 곡선입니다. 그러나 Vgs를 5V로 증가 시키면 드레인 전류는 거의 2A이고 마지막으로 6V Vgs에서 10A를 제공 할 수 있습니다. 드레인 전류의.
MOSFET의 DC 바이어스 및 공통 소스 증폭
이제 MOSFET을 선형 증폭기로 사용할 때 입니다. MOSFET을 바이어스하고 완벽한 작동 영역에서 사용하는 방법을 결정하는 것은 어려운 일이 아닙니다.
MOSFET은 오믹, 포화 및 핀치 오프 포인트의 세 가지 작동 모드에서 작동합니다. 포화 영역은 선형 영역이라고도합니다. 여기서 우리는 포화 영역에서 MOSFET을 작동하여 완벽한 Q- 포인트를 제공합니다.
작은 신호 (시간에 따라 다름)를 제공하고 게이트 또는 입력에 DC 바이어스를 적용하면 적절한 상황에서 MOSFET이 선형 증폭을 제공합니다.
위 이미지에서 작은 정현파 신호 (V gs)가 MOSFET 게이트에 적용되어 적용된 정현파 입력에 동기식으로 드레인 전류가 변동합니다. 작은 신호 V gs의 경우 기울기가 g m = dI d / dVgs 인 Q 점에서 직선을 그릴 수 있습니다.
위의 이미지에서 기울기를 볼 수 있습니다. 이것이 트랜스 컨덕턴스 기울기 입니다. 증폭 인자에 대한 중요한 매개 변수입니다. 이 시점에서 드레인 전류 진폭은
ߡ Id = gm x ߡ Vgs
이제 위에 주어진 회로도를 살펴보면 드레인 저항 R d 는 방정식을 사용하여 드레인 전류와 드레인 전압을 제어 할 수 있습니다.
Vds = Vdd-I d x Rd (V = I x R)
AC 출력 신호는 ߡ Vds = -ߡ Id x Rd = -g m x ߡ Vgs x Rd입니다.
이제 방정식에 의해 이득은
증폭 된 전압 이득 = -g m x Rd
따라서 MOSFET 증폭기의 전체 이득은 트랜스 컨덕턴스 및 드레인 저항에 크게 의존합니다.
단일 MOSFET을 사용한 기본 공통 소스 증폭기 구성
N 채널 단일 MOSFET을 사용하여 간단한 공통 소스 증폭기 를 만들 려면 중요한 것은 DC 바이어스 조건을 달성하는 것입니다. 목적을 달성하기 위해 일반 전압 분배기는 R1 및 R2의 두 가지 간단한 저항을 사용하여 구성됩니다. 드레인 저항과 소스 저항으로 저항이 2 개 더 필요합니다.
가치를 결정하려면 단계별 계산이 필요합니다.
MOSFET에는 높은 입력 임피던스가 제공되므로 작동 상태에서 게이트 단자에 전류 흐름이 없습니다.
이제 장치를 살펴보면 VDD와 관련된 세 개의 저항이 있다는 것을 알 수 있습니다 (바이어스 저항 없음). 3 개의 저항은 Rd, MOSFET의 내부 저항 및 Rs입니다. 따라서 Kirchoff의 전압 법칙을 적용하면 세 저항기의 전압이 VDD와 같습니다.
이제 옴 법칙에 따라 전류에 저항을 곱하면 전압을 V = I x R로 얻게됩니다. 따라서 여기서 전류는 드레인 전류 또는 I D 입니다. 따라서 Rd 양단의 전압은 V = I D x Rd이고, 전류가 동일한 I D 이므로 Rs에도 동일하게 적용 되므로 Rs 양단 전압은 Vs = I D x Rs입니다. MOSFET의 경우 전압은 V DS 또는 드레인-소스 전압입니다.
이제 KVL에 따라
VDD = I D x Rd + V DS + I D x Rs VDD = I D (Rd + Rs) + V DS (Rd + Rs) = V DD – V DS / I D
우리는 그것을 다음과 같이 더 평가할 수 있습니다.
Rd = (V DD – V DS / I D)-R S Rs는 Rs = V S / I D 로 계산할 수 있습니다.
다른 두 저항 값은 공식 V G = V DD (R2 / R1 + R2)에 의해 결정될 수 있습니다.
값이 없으면 공식 V G = V GS + V S 에서 얻을 수 있습니다.
다행히도 MOSFET 데이터 시트에서 최대 값을 확인할 수 있습니다. 사양에 따라 회로를 구축 할 수 있습니다.
2 개의 커플 링 커패시터는 차단 주파수를 보상하고 입력에서 나오는 DC를 차단하거나 최종 출력에 도달하는 데 사용됩니다. DC 바이어스 분배기의 등가 저항을 찾은 다음 원하는 차단 주파수를 선택하여 값을 간단히 얻을 수 있습니다. 공식은
C = 1 / 2πf 요구 사항
고전력 증폭기 설계의 경우 이전에 2 개의 MOSFET을 푸시-풀 구성으로 사용하여 50W의 전력 증폭기를 구축했으며 실제 적용을 위해 링크를 따르십시오.