Ηλεκτρονική MOS Field-Effect Transistors (MOSFETs) (II) Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων

Δομή Παρουσίασης Το FET ως ενισχυτής Πόλωση των FET

Ενισχυτής μικρού σήματος sedr42021_0434.jpg Σχήμα 5.34(α) Υποθετικό κύκλωμα για τη μελέτη της λειτουργίας του MOSFET ως ενισχυτή μικρού σήματος

Γραφική ανάλυση (1/2) sedr42021_0426a.jpg Σχήμα 5.34 (β) Το αποτέλεσμα όταν το σημείο λειτουργίας συγκρατιέται μέσα στην περιοχή κορεσμού

Γραφική ανάλυση (2/2) sedr42021_0426a.jpg Σχήμα 5.34 (γ) Το αποτέλεσμα όταν το σημείο λειτουργίας μεταφέρεται προς την τρίοδο

Αλγεβρική ανάλυση Γνωρίζουμε ότι στην περιοχή κορεσμού: οπότε: Η συνολική τάση πύλης-πηγής θα είναι: οπότε: αν (συνθήκη ασθενούς σήματος) sedr42021_0412.jpg τότε: Προσοχή: κεφαλαία μικρά σύμβολα & δείκτες

Αλγεβρική ανάλυση αφού: μπορώ να γράψω: με: οπότε: ή ή sedr42021_0412.jpg ή ή σύγκριση με BJTs Προσοχή: κεφαλαία μικρά σύμβολα & δείκτες

Η διαγωγιμότητα gm sedr42021_0435.jpg Σχήμα 5.35 Λειτουργία ασθενούς σήματος του ενισχυτή με MOSFET πύκνωσης

Κέρδος τάσης υπό συνθήκες ασθενούς ρεύματος: ή άρα: sedr42021_0436.jpg άρα: Προσοχή: σχέση (5.46) του βιβλίου Σχήμα 5.36 Οι συνολικές στιγμιαίες τάσεις vGS και vD fγια το κύκλωμα του σχήματος 5.34.

Μοντέλα ασθενούς σήματος Σχήμα 5.37 Μοντέλα ασθενούς σήματος για τα MOSFET: (a) αγνοώντας την επίδραση της vDS στο iD (διαμόρφωση καναλιού) και (b) συμπεριλαμβάνοντας μέσω ro την επίδραση της vDS στο iD. sedr42021_0437a.jpg Η πεπερασμένη αντίσταση ro δίνεται από την: και τότε το κέρδος τάσης είναι:

Ισοδύναμο μοντέλο Τ (1/2) sedr42021_0439.jpg Σχήμα 5.39 Η ανάπτυξη του Τ ισοδύναμου κυκλώματος των FET. Για λόγους απλούστευσης η ro έχει προστεθεί ανάμεσα στο D και στο S μόνο στο τελικό στάδιο (d).

Ισοδύναμο μοντέλο Τ (2/2) sedr42021_0440a.jpg Άλλες αναπαραστάσεις του μοντέλου T

Πόλωση των FET σε σταθερή VGS Ο ποιο απλός τρόπος πόλωσης είναι να θέσουμε την τάση πύλης-πηγής σε μια σταθερή τιμή για να επιτύχουμε το επιθυμητό ρεύμα ID. Όμως: sedr42021_0429.jpg Σχήμα 5.41 Υψηλή εξάρτηση του ρεύματος πόλωσης από τις παραμέτρους του στοιχείου αν δεν χρησιμοποιείται η RS. Τα στοιχεία 1 και 2 (device 1 & 2) είναι οι ακραίες περιπτώσεις μη ταιριάσματος για στοιχεία του ίδιου τύπου.

Πόλωση των FET με σταθερή VG και αντίσταση στην πηγή sedr42021_0430a.jpg Σχήμα 5.42 Επιτυγχάνεται σταθερότητα στην πόλωση αν συμπεριληφθεί η RS:Τα στοιχεία 1 και 2 (device 1 & 2) είναι οι ακραίες περιπτώσεις μη ταιριάσματος για στοιχεία του ίδιου τύπου.

Άσκηση Στο κύκλωμα του σχήματος θέλουμε αν δημιουργήσουμε ρεύμα πόλωσης ID=0.5mA. To MOSFET έχει μnCOXW/L=1mA/V2 και Vt=1V. Υπολογίστε την επί τοις εκατό (%) μεταβολή στο ID αν αντικαταστήσουμε το MOSFET με άλλο που έχει το ίδιο μnCOXW/L αλλά Vt=1.5V. sedr42021_0431.jpg

Πόλωση των FET με ανάδραση από την υποδοχή στην πύλη sedr42021_0432.jpg Σχήμα 5.43 Πόλωση του MOSFET με χρήση μεγάλης αντίστασης ανάδρασης RG. Εξασφαλίζεται σταθερότητα στο ρεύμα πόλωσης.

Πόλωση με χρήση σταθερής πηγής ρεύματος sedr42021_0433a.jpg Για το κύκλωμα που είναι γνωστό ως καθρέπτης ρεύματος ισχύει:

Η βασική δομή του ενισχυτή ενός σταδίου sedr42021_0442.jpg VOV: overdrive voltage

Άσκηση Επιπλέον από τα δεδομένα του σχήματος (με μαύρο χρώμα γραμματοσειράς) το Vt=1.5V και το μnCOXW/L=1mA/V2. Βρείτε τα VOV, VGS, VG, VS και VD. Υπολογίστε το gm και την ro υποθέτοντας ότι VA=75V. Ποια είναι η ελάχιστη τιμή τάσης στην υποδοχή για την οποία το MOSFET παραμένει στον κόρο sedr42021_e0430a.jpg

Ενισχυτής κοινής πηγής sedr42021_0443a.jpg Σχήμα 5.46 (a) O ενισχυτής κοινής πηγής με MOSFET (b) Ισοδύναμο κύκλωμα ασθενούς σήματος

Άσκηση Υπολογίστε το κέρδος μικρούς σήματος, την αντίσταση εισόδου και το μέγιστο επιτρεπόμενο σήμα στην είσοδο αν Vt=1.5V, μnCOXW/L=0.25mA/V2 και VA=50V. sedr42021_0438a.jpg

Ενισχυτής κοινής πύλης (1/2) sedr42021_0445a.jpg Figure 5.47 (a) Ο ενισχυτής κοινής πύλης και (b) το μοντέλο ασθενούς σήματος

Ενισχυτής κοινής πύλης (2/2) sedr42021_0445a.jpg Ο ενισχυτής κοινής πύλης έχει παρόμοιο κέρδος με αυτό του ενισχυτή κοινής πηγής (εκτός από την αναστροφή του σήματος) αλλά πολύ μικρότερη αντίσταση εισόδου. Ο ενισχυτής αυτός χρησιμοποιείται ως ενισχυτής με μοναδιαίο κέρδος ρεύματος και συχνά ονομάζεται ακόλουθος ρεύματος

Ενισχυτής κοινής υποδοχής (1/2) sedr42021_0446a.jpg (a) Ενισχυτής κοινής υποδοχής ή ακόλουθος πηγής και (b) μοντέλο ασθενούς σήματος

Ενισχυτής κοινής υποδοχής (1/2) sedr42021_0446a.jpg (c) Ανάλυση μικρού σήματος απ’ ευθείας στο κύκλωμα και (d) κύκλωμα για τον καθορισμό της αντίστασης εξόδου Rout του ακόλουθου πηγής

Σύγκριση Η τοπολογία CS είναι η καλύτερη όταν επιθυμούμε μέγιστο κέρδος σε έναν ενισχυτή (περισσότερα από ένα στάδιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν Η μικρή αντίσταση εισόδου της CG τοπολογίας τις καθιστούν χρήσιμες ως ενισχυτές τάσης που δεν απαιτούν μεγάλη αντίσταση εισόδου (πολύ καλά χαρακτηριστικά στις υψηλές συχνότητες) και ως ενισχυτές ρεύματος μοναδιαίου κέρδους

Σύγκριση O ακόλουθος πηγής χρησιμοποιείται ως απομονωτής τάσης για τη σύνδεση μιας πηγής υψηλής αντίστασης σε ένα φορτίο χαμηλής αντίστασης και ως στάδιο εξόδου σε ενισχυτές πολλών σταδίων