Bộ khuếch đại MOSFET
Bộ khuếch đại MOSFET dựa trên công nghệ Bán dẫn Metal-Oxide. Nó là một loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường dựa trên cổng cách điện. Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường cung cấp trở kháng o/p thấp hơn và trở kháng i/p cao hơn khi được sử dụng cho các chức năng khuếch đại.
Mạch & Hoạt động của Bộ khuếch đại MOSFET cải tiến
Mạch cho bộ khuếch đại MOSFET được đưa ra dưới đây. Các chữ cái 'G,' 'S' và 'D' được sử dụng trong mạch này để biểu thị vị trí của cổng, nguồn và cống trong khi điện áp thoát, dòng thoát và điện áp nguồn cổng được biểu thị bằng V D , TÔI D và V GS .
MOSFET thường hoạt động ở ba vùng: tuyến tính/ohmic, vùng cắt và vùng bão hòa. Khi MOSFET được sử dụng làm bộ khuếch đại, chúng hoạt động ở vùng ohmic của một trong ba vùng hoạt động này, nơi dòng điện tổng thể của thiết bị tăng khi điện áp đặt vào tăng.
Trong bộ khuếch đại MOSFET, tương tự như JFET, một chút thay đổi về điện áp cổng sẽ dẫn đến sự thay đổi đáng kể về dòng thoát của nó. Do đó, MOSFET đóng vai trò như một bộ khuếch đại bằng cách tăng cường tín hiệu yếu ở các cực cổng.
Hoạt động của bộ khuếch đại MOSFET
Mạch khuếch đại MOSFET được tạo ra bằng cách thêm một nguồn, cống, điện trở tải và tụ điện ghép vào mạch đơn giản hơn được trình bày ở trên. Mạch phân cực của bộ khuếch đại MOSFET được cung cấp dưới đây:
Bộ chia điện áp là thành phần xây dựng của mạch phân cực ở trên và công việc chính của nó là phân cực bóng bán dẫn theo một hướng. Vì vậy, đây là kỹ thuật phân cực mà các bóng bán dẫn sử dụng trong các mạch phân cực phổ biến nhất. Để đảm bảo điện áp được phân chia và đưa vào MOSFET ở mức thích hợp, hai điện trở được sử dụng. Hai điện trở song song R 1 và R 2 , được sử dụng để cung cấp điện áp phân cực. Bộ chia điện áp DC phân cực trong mạch trên được bảo vệ khỏi tín hiệu AC sẽ được khuếch đại thêm bởi C 1 và C 2 cặp tụ điện ghép. Tải dưới dạng điện trở RL nhận đầu ra. Điện áp phân cực được cho bởi:
R 1 và R 2 các giá trị này thường cao trong trường hợp này để tăng trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại và hạn chế tổn thất điện trở ohmic.
Điện áp đầu vào và đầu ra (Vin & Vout)
Chúng tôi giả sử rằng không có tải nào được nối song song với nhánh cống để đơn giản hóa các biểu thức toán học. Điện áp cổng nguồn VGS, nhận điện áp đầu vào (Vin) từ cực cổng (G). R S x tôi D sẽ cung cấp điện áp rơi trên R tương ứng S điện trở. Độ dẫn điện (g tôi ) là tỉ số dòng thoát (I D ) đến điện áp nguồn cổng ( V GS ) sau khi đặt điện áp nguồn thoát không đổi:
Vì vậy, tôi D = g tôi ×V GS & điện áp đầu vào (V TRONG ) có thể được tính từ V GS :
Điện áp o/p (V ngoài ) trong mạch trên là:
Tăng điện áp
Độ lợi điện áp (A TRONG ) là tỷ số giữa điện áp đầu vào và đầu ra. Sau sự giảm đó, phương trình sẽ trở thành:
Thực tế là bộ khuếch đại MOSFET thực hiện đảo ngược tín hiệu o/p giống như Bộ khuếch đại BJT CE. Ký hiệu “-“ tượng trưng cho sự đảo ngược. Do đó, độ dịch pha là 180° hoặc rad đối với đầu ra.
Phân loại khuếch đại MOSFET
Có ba loại bộ khuếch đại MOSFET khác nhau: cổng chung (CG), nguồn chung (CS) và cống chung (CD). Mỗi loại và cấu hình của nó được trình bày chi tiết dưới đây.
Khuếch đại bằng MOSFET nguồn chung
Trong bộ khuếch đại nguồn chung, điện áp o/p được khuếch đại và nó chạm tới điện trở ở tải bên trong cực máng (D). Tín hiệu i/p được cung cấp ở cả đầu cuối cổng (G) và nguồn (S) trong trường hợp này. Thiết bị đầu cuối nguồn đóng vai trò là thiết bị đầu cuối tham chiếu giữa i/p và o/p trong cách sắp xếp này. Do mức tăng cao và khả năng khuếch đại tín hiệu nhiều hơn, đây là cấu hình đặc biệt thích hợp hơn các BJT. Dưới đây là sơ đồ mạch khuếch đại MOSFET nguồn chung.
Điện trở “RD” là điện trở giữa cống (D) và đất (G). Mô hình π lai, được hiển thị trong hình tiếp theo, được sử dụng để biểu diễn mạch tín hiệu nhỏ này. Từ mô hình này, dòng điện sinh ra được biểu thị bằng i = g tôi TRONG gs . Vì thế,
Giá trị của các tham số khác nhau có thể được ước tính là Rin=∞, V Tôi =V chúng tôi và V gs =V Tôi
Do đó, mức tăng điện áp mạch hở là:
Mạch tuyến tính được cấp nguồn bằng nguồn có thể được hoán đổi bằng mạch tương đương Thevenin hoặc Norton. Sự tương đương của Norton có thể được sử dụng để sửa đổi phần đầu ra của mạch từ mạch tín hiệu nhỏ. Tương đương Norton thực tế hơn trong tình huống này. Với sự tương đương giả định, mức tăng điện áp G TRONG có thể được sửa đổi như:
Bộ khuếch đại MOSFET nguồn chung có trở kháng đầu vào/đầu ra vô hạn, điện trở bật/tắt cao và mức tăng điện áp cao.
Bộ khuếch đại cổng chung (CG)
Bộ khuếch đại cổng chung (CG) thường được sử dụng làm bộ khuếch đại dòng điện hoặc điện áp. Cực nguồn (S) của bóng bán dẫn đóng vai trò là đầu vào trong cấu trúc CG, trong khi cực cực máng đóng vai trò là đầu ra và cực cổng được liên kết với đất (G). Cách bố trí bộ khuếch đại cổng tương tự thường được sử dụng để tạo sự cách ly mạnh mẽ giữa đầu vào và đầu ra nhằm giảm trở kháng đầu vào hoặc tránh dao động. Các mô hình T và tín hiệu nhỏ tương đương của mạch khuếch đại cổng chung được hiển thị bên dưới. Dòng cổng trong mô hình 'T' luôn bằng 0.
Nếu ‘Vgs’ là điện áp đặt vào và dòng điện tại nguồn được biểu thị bằng ‘V gs x g tôi ', sau đó:
Ở đây, bộ khuếch đại cổng chung đã giảm điện trở đầu vào biểu thị bằng R TRONG = 1/g tôi . Giá trị của điện trở đầu vào thường là vài trăm ohm. Điện áp o/p được cho là:
Ở đâu:
Do đó, điện áp mạch hở có thể được biểu diễn dưới dạng:
Vì điện trở ra của mạch là R ồ = R D , mức khuếch đại của bộ khuếch đại phải chịu trở kháng i/p thấp. Do đó, sử dụng công thức chia điện áp:
Bởi vì ‘R chúng tôi ’ thường lớn hơn 1/g tôi , chữ ‘V Tôi ’ bị suy giảm so với V chúng tôi . Mức tăng điện áp thích hợp đạt được khi điện trở tải 'RL' được kết nối với o/p. Do đó, mức tăng điện áp được biểu diễn dưới dạng:
Bộ khuếch đại cống chung
Bộ khuếch đại cống chung (CD) là bộ khuếch đại trong đó cực nguồn nhận tín hiệu đầu ra và cực cổng nhận tín hiệu đầu vào trong khi cực thoát (D) được để mở. Các tải o/p nhỏ thường được điều khiển bằng cách sử dụng bộ khuếch đại CD này làm mạch đệm điện áp. Cấu hình này cung cấp trở kháng o/p rất thấp và trở kháng i/p cực cao.
Mạch tương đương của bộ khuếch đại cống chung cho tín hiệu nhỏ và mô hình T được hiển thị bên dưới. Nguồn đầu vào i/p trong mạch này có thể được xác định bằng điện áp tương đương của điện trở (R chúng tôi ) và Thevenin (V chúng tôi ). Một điện trở tải (RL) kết nối với đầu ra ở giữa cực nguồn (S) và cực nối đất (G).
Kể từ khi tôi G bằng 0, Rin = ∞ Bộ chia điện áp cho điện áp đầu cực có thể được biểu thị như sau:
Bằng cách sử dụng giá trị tương đương của Thevenin, mức tăng điện áp tổng thể được tìm thấy tương tự như biểu thức trên, có thể được đánh giá trong khi xem xét R 0 =1/g tôi BẰNG:
Vì R ồ = 1/g tôi nói chung là một giá trị khá nhỏ so với điện trở tải lớn 'RL', mức tăng nhỏ hơn mức đơn vị trong trường hợp này.
Phần kết luận
Sự khác biệt giữa amp thông thường và amp MOSFET là amp thông thường sử dụng mạch điện tử để khuếch đại tín hiệu đầu vào để tạo ra tín hiệu đầu ra có biên độ cao. Bộ khuếch đại MOSFET xử lý tín hiệu số với mức tiêu thụ điện năng tương đối ít so với BJT.