Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) je kľúčovým komponentom v modernej elektronike, široko používaný v rôznych aplikáciách, ako sú výkonové zosilňovače, digitálne obvody a regulátory napätia. Pochopenie jeho modelu s malým signálom je nevyhnutné pre analýzu a navrhovanie obvodov, ktoré obsahujú MOSFET. Ako dodávateľ MOS sa dobre orientujem v zložitosti MOSFETov a ich modelov s malým signálom a rád sa s vami podelím o tieto poznatky.
Základná štruktúra a prevádzka MOSFETov
Pred ponorením sa do modelu malého signálu si stručne zopakujme základnú štruktúru a fungovanie MOSFETov. MOSFET pozostáva zo zdroja, odtoku, brány a tela. Brána je izolovaná od kanála tenkou vrstvou oxidu, ktorá umožňuje riadenie prúdu kanála bez výrazného prietoku prúdu do terminálu hradla.
Existujú dva hlavné typy MOSFETov: n-kanál a p-kanál. V n-kanálovom MOSFETe sú väčšinové nosiče v kanáli elektróny, zatiaľ čo v p-kanálovom MOSFET sú väčšinové nosiče diery. Činnosť MOSFET je založená na modulácii vodivosti kanála napätím aplikovaným na svorku brány. Keď sa na bránu n-kanálového MOSFETu (vzhľadom k zdroju) privedie kladné napätie, cez vrstvu oxidu sa vytvorí elektrické pole, ktoré priťahuje elektróny zo zdroja a z oblasti odtoku do kanála, čím vytvára vodivú cestu medzi zdrojom a odtokom.
DC ovplyvnenie a analýza malého signálu
Pri analýze obvodov často rozdeľujeme analýzu na dve časti: jednosmerné ovplyvnenie a analýzu malého signálu. Jednosmerné predpätie sa používa na stanovenie pracovného bodu (bod Q) MOSFET, ktorý určuje jednosmerné prúdy a napätia v obvode. Po stanovení bodu Q môžeme vykonať analýzu malého signálu, aby sme študovali správanie obvodu v reakcii na malé zmeny vstupného signálu okolo bodu Q.
Model MOSFET s malým signálom je linearizovaný ekvivalentný obvod, ktorý predstavuje správanie MOSFET pri malých zmenách vstupného signálu. Je založený na predpoklade, že odchýlky vo vstupnom signáli sú dostatočne malé na to, aby MOSFET pracoval v lineárnej oblasti okolo bodu Q.
Komponenty modelu malého signálu
Model MOSFET s malým signálom zvyčajne obsahuje nasledujúce komponenty:
Transkonduktancia (gm)
Transkonduktancia (g_m) je mierou vzťahu medzi zmenou kolektorového prúdu (\Delta i_D) a zmenou napätia hradla-zdroj (\Delta v_{GS}) pri konštantnom napätí kolektor-zdroj (v_{DS}). Matematicky je definovaný ako:
[g_m=\frac{\partial i_D}{\partial v_{GS}}\big|{v{DS}=konštantný}]
Transkonduktancia (g_m) je dôležitým parametrom v modeli malého signálu, pretože určuje, do akej miery sa odtokový prúd zmení v reakcii na malú zmenu napätia hradla. Dá sa vypočítať pomocou rôznych vzorcov v závislosti od prevádzkovej oblasti MOSFET. Napríklad v saturačnej oblasti n-kanálového MOSFETu je odtokový prúd daný:
[i_D = \frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(v_{GS}-V_{TH})^2]
kde (\mu_n) je pohyblivosť elektrónu, (C_{ox}) je oxidová kapacita na jednotku plochy, (W) je šírka kanála, (L) je dĺžka kanála a (V_{TH}) je prahové napätie. Ak vezmeme derivát (i_D) vzhľadom na (v_{GS}), dostaneme:
[g_m=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(v_{GS}-V_{TH})]
Výstupný odpor ((r_o))
Výstupný odpor (r_o) predstavuje odpor videný na svorke kolektora MOSFET, keď sa aplikuje malá zmena napätia zdroja kolektora (\Delta v_{DS}), pričom sa napätie hradla-zdroja (v_{GS}) udržiava konštantné. Je definovaný ako:
[r_o=\frac{\partial v_{DS}}{\partial i_D}\big|{v{GS}=konštantný}]
Výstupný odpor (r_o) zodpovedá za neideálne správanie MOSFET, ako je efekt modulácie dĺžky kanála. V oblasti nasýtenia je odtokový prúd daný:
[i_D=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(v_{GS}-V_{TH})^2(1 + \lambda v_{DS})]
kde (\lambda) je parameter modulácie dĺžky kanála. Ak vezmeme derivát (v_{DS}) vzhľadom na (i_D), dostaneme:
[r_o=\frac{1}{\lambda i_D}]
Kapacity
Vo vysokofrekvenčných aplikáciách sa stávajú dôležitými kapacity spojené s MOSFET. Hlavné kapacity v MOSFET sú kapacita hradla – zdroja (C_{gs}), kapacita hradla – odtoku (C_{gd}) a kapacita odtoku – zdroja (C_{ds}). Tieto kapacity ovplyvňujú frekvenčnú odozvu MOSFET a môžu obmedziť jeho výkon pri vysokých frekvenciách.
Ekvivalentný okruh s malým signálom
Na základe vyššie uvedených komponentov je možné nakresliť malý - signálový ekvivalentný obvod MOSFET. Pre konfiguráciu so spoločným zdrojom pozostáva malý ekvivalentný obvod signálu z napätím riadeného zdroja prúdu (g_mv_{gs}) paralelne s výstupným odporom (r_o). Vstupný signál (v_{gs}) sa privádza medzi hradlo a svorky zdroja a výstupný prúd (i_d) tečie cez svorku odtoku.
Malý obvod ekvivalentný signálu nám umožňuje analyzovať obvod MOSFET pomocou techník lineárnej analýzy obvodov, ako sú Kirchhoffove zákony a Ohmov zákon. Môžeme napríklad vypočítať zosilnenie napätia, vstupný odpor a výstupný odpor obvodu zosilňovača MOSFET.
Aplikácie modelu malého signálu
Model MOSFET s malým signálom je široko používaný pri navrhovaní a analýze obvodov založených na MOSFET. Niektoré z bežných aplikácií zahŕňajú:
Dizajn zosilňovača
Pri návrhu zosilňovača sa model malého signálu používa na výpočet napäťového zosilnenia, vstupného odporu a výstupného odporu zosilňovača. Výberom vhodných hodnôt (g_m) a (r_o) môžeme navrhnúť zosilňovače s rôznymi charakteristikami zosilnenia, vstupu a výstupu. Napríklad zosilňovač so spoločným zdrojom môže poskytnúť vysoké napäťové zosilnenie, zatiaľ čo zosilňovač so spoločným odberom (tiež známy ako sledovač zdroja) môže poskytnúť vysoký vstupný odpor a nízky výstupný odpor.
Analýza frekvenčnej odozvy
Model malého signálu vrátane kapacít sa používa na analýzu frekvenčnej odozvy obvodov MOSFET. Ak vezmeme do úvahy vplyv kapacít na obvod s malým ekvivalentom signálu, môžeme vypočítať medzné frekvencie, šírku pásma a fázový posun obvodu. To je dôležité v aplikáciách, ako sú rádiofrekvenčné (RF) zosilňovače a filtre.
Naša ponuka MOSFET
Ako dodávateľ MOS ponúkame širokú škálu vysoko kvalitných MOSFETov s rôznymi špecifikáciami a výkonnostnými charakteristikami. Naše MOSFETy sú navrhnuté tak, aby vyhovovali potrebám rôznych aplikácií, od nízkoenergetických digitálnych obvodov až po vysokovýkonové spínacie aplikácie. Poskytujeme tiež podrobnú technickú podporu a dokumentáciu, aby sme našim zákazníkom pomohli pochopiť a efektívne využívať naše produkty.
Ak máte záujem dozvedieť sa viac o našich produktoch MOSFET, navštívte našu webovú stránkunie. Ponúkame aj ďalšie súvisiace produkty ako naprKvasinkový polysacharidaKvasnice obohatené zinkom, ktoré môžu byť užitočné vo vašich aplikáciách.
Kontaktujte nás kvôli obstarávaniu
Ak máte záujem o kúpu našich MOSFETov alebo máte akékoľvek otázky o našich produktoch, neváhajte nás kontaktovať pre obstarávanie a obchodné diskusie. Náš tím odborníkov je pripravený pomôcť vám nájsť tie správne produkty pre vaše špecifické potreby.
Referencie
- Sedra, AS a Smith, KC (2015). Mikroelektronické obvody. Oxford University Press.
- Razavi, B. (2017). Základy mikroelektroniky. Wiley.
- Gray, PR, Hurst, PJ, Lewis, SH a Meyer, RG (2009). Analýza a návrh analógových integrovaných obvodov. Wiley.
