ما هو موسفت: بنائه وأنواعه وعمله

MOSFET هو في الأساس ترانزستور يستخدم تأثير المجال. ترمز MOSFET إلى ترانزستور تأثير مجال أكسيد المعادن ، والذي يحتوي على بوابة. يحدد جهد البوابة موصلية الجهاز. اعتمادًا على جهد البوابة هذا ، يمكننا تغيير الموصلية وبالتالي يمكننا استخدامها كمفتاح أو كمكبر للصوت مثل استخدامنا الترانزستور كمفتاح أو كمكبر للصوت.

يحتوي ترانزستور مفرق ثنائي القطب أو BJT على قاعدة وباعث وجامع ، في حين أن MOSFET بها بوابة وتصريف ووصلة مصدر. بخلاف تكوين الدبوس ، يحتاج BJT إلى تيار للتشغيل ويحتاج MOSFET إلى جهد كهربائي.

توفر MOSFET مقاومة عالية جدًا للمدخلات ومن السهل جدًا التحيز. لذلك ، بالنسبة لمكبر الصوت الخطي الصغير ، تعد MOSFET اختيارًا ممتازًا. يحدث التضخيم الخطي عندما نحيز MOSFET في منطقة التشبع وهي نقطة Q ثابتة مركزيًا.

في الصورة أدناه ، يتم عرض البناء الداخلي الأساسي لـ N-channel MOSFETs. يحتوي MOSFET على ثلاثة وصلات استنزاف وبوابة ومصدر. لا يوجد اتصال مباشر بين البوابة والقناة. إلكترود البوابة معزول كهربائيًا ولهذا السبب ، يُشار إليه أحيانًا باسم IGFET أو ترانزستور تأثير حقل البوابة المعزول.

إليكم صورة MOSFET IRF530N المشهورة على نطاق واسع.

أنواع MOSFETs

بناءً على أوضاع التشغيل ، يتوفر نوعان مختلفان من وحدات الترانزستورات الفلورية. هذان النوعان لهما نوعان فرعيان

1. نوع النضوب MOSFET أو MOSFET مع وضع النضوب

• N- قناة MOSFET أو NMOS
• P-Channel MOSFET أو PMOS

1. نوع التحسين MOSFET أو MOSFET مع وضع التحسين

• N- قناة MOSFET أو NMOS
• P-Channel MOSFET أو PMOS

نوع النضوب MOSFET

عادة ما يكون نوع استنفاد MOSFET في وضع التشغيل عند صفر جهد البوابة إلى المصدر. إذا كانت MOSFET هي MOSFET من نوع N-Channel Depletion ، فسيكون هناك بعض عتبات الجهد ، وهو أمر ضروري لإيقاف تشغيل الجهاز. على سبيل المثال ، N-Channel Depletion MOSFET بجهد عتبة يبلغ -3 فولت أو -5 فولت ، يجب سحب بوابة MOSFET سالب -3 فولت أو -5 فولت لإيقاف تشغيل الجهاز. سيكون جهد العتبة هذا سالبًا للقناة N وإيجابيًا في حالة القناة P. يستخدم هذا النوع من MOSFET بشكل عام في الدوائر المنطقية.

نوع التعزيز MOSFET

في نوع التحسين من MOSFETs ، يظل الجهاز مغلقًا عند جهد البوابة صفر. لتشغيل MOSFET ، يجب علينا توفير الحد الأدنى من جهد البوابة إلى المصدر (جهد عتبة Vgs). ولكن ، تيار التصريف يمكن الاعتماد عليه بشكل كبير على هذا الجهد من البوابة إلى المصدر ، إذا زادت Vgs ، فإن تيار التصريف يزيد أيضًا بنفس الطريقة. تعد وحدات MOSFET من نوع التحسين مثالية لبناء دائرة مكبر للصوت. أيضًا ، على نحو مشابه مثل MOSFET المستنفد ، فإنه يحتوي أيضًا على الأنواع الفرعية NMOS و PMOS.

خصائص ومنحنيات MOSFET

من خلال توفير الجهد المستقر عبر الصرف إلى المصدر ، يمكننا فهم المنحنى الرابع للـ MOSFET. كما هو مذكور أعلاه ، يمكن الاعتماد على تيار التصريف بدرجة كبيرة على Vgs ، بوابة جهد المنبع. إذا قمنا بتغيير Vgs ، فسيختلف تيار التصريف أيضًا.

دعنا نرى المنحنى الرابع لل MOSFET.

في الصورة أعلاه ، يمكننا أن نرى المنحدر الرابع لـ N-Channel MOSFET ، تيار التصريف هو 0 عندما يكون جهد Vgs أقل من جهد العتبة ، خلال هذا الوقت يكون MOSFET في وضع القطع. بعد ذلك ، عندما يبدأ الجهد من البوابة إلى المصدر في الزيادة ، يزداد تيار التصريف أيضًا.

دعونا نرى مثالاً عمليًا لمنحنى IV لـ IRF530 MOSFET ،

يوضح المنحنى أنه عندما يكون Vgs هو 4.5V ، فإن أقصى تيار تصريف لـ IRF530 هو 1A عند 25 درجة مئوية ، ولكن عندما نزيد Vgs إلى 5V ، يكون تيار التصريف 2A تقريبًا ، وأخيراً عند 6V Vgs ، يمكن أن يوفر 10A من الصرف الحالي.

انحياز التيار المستمر للـ MOSFET وتضخيم المصدر المشترك

حسنًا ، حان الوقت الآن لاستخدام MOSFET كمضخم خطي. إنها ليست مهمة صعبة إذا قررنا كيفية تحيز MOSFET واستخدامها في منطقة تشغيل مثالية.

تعمل MOSFET في ثلاثة أوضاع تشغيل: أوميك ، وتشبع ، ونقطة إيقاف. تسمى منطقة التشبع أيضًا باسم المنطقة الخطية. هنا نقوم بتشغيل MOSFET في منطقة التشبع ، فهي توفر نقطة Q مثالية.

إذا قدمنا ​​إشارة صغيرة (متغيرة بمرور الوقت) وقمنا بتطبيق تحيز DC عند البوابة أو الإدخال ، فإن MOSFET في الوضع الصحيح يوفر تضخيمًا خطيًا.

في الصورة أعلاه ، يتم تطبيق إشارة جيبية صغيرة (V _gs) على بوابة MOSFET ، مما يؤدي إلى تذبذب تيار التصريف المتزامن مع المدخلات الجيبية المطبقة. للإشارة الصغيرة V _gs ، يمكننا رسم خط مستقيم من النقطة Q التي ميلها g _m = dI _d / dVgs.

يمكن رؤية المنحدر في الصورة أعلاه. هذا هو منحدر الموصلية. إنها معلمة مهمة لعامل التضخيم. عند هذه النقطة ، تكون سعة تيار التصريف

ߡ المعرف = جم × ߡ فغس

الآن ، إذا نظرنا إلى المخطط الموضح أعلاه ، يمكن لمقاومة التصريف R _d التحكم في تيار التصريف وكذلك جهد التصريف باستخدام المعادلة

Vds = Vdd - I _d x Rd (مثل V = I x R)

ستكون إشارة خرج التيار المتردد ߡ Vds =-Id x Rd = -g _m x ߡ Vgs x Rd

الآن من خلال المعادلات ، سيكون الربح

زيادة الجهد المضخم = -g _m x Rd

لذلك ، فإن المكسب الإجمالي لمضخم MOSFET يعتمد بشكل كبير على الموصلية التحويلية ومقاوم الصرف.

مكبر الصوت الأساسي المشترك مع MOSFET واحد

ل جعل مصدر بسيطة مشتركة مكبر للصوت باستخدام قناة N MOSFET واحد ، والشيء المهم هو تحقيق DC يتحامل حالة. لتحقيق هذا الغرض ، تم إنشاء مقسم جهد عام باستخدام مقاومين بسيطين: R1 و R2. هناك حاجة أيضًا لمقاومين آخرين كمقاوم استنزاف ومقاوم مصدر.

لتحديد القيمة نحتاج إلى حساب خطوة بخطوة.

يتم تزويد MOSFET بمقاومة عالية للإدخال ، وبالتالي في حالة التشغيل ، لا يوجد تدفق تيار موجود في طرف البوابة.

الآن ، إذا نظرنا إلى الجهاز ، فسنجد أن هناك ثلاث مقاومات مرتبطة بـ VDD (بدون مقاومات الانحياز). المقاومات الثلاثة هي Rd ، المقاومة الداخلية لـ MOSFET و Rs. لذلك ، إذا طبقنا قانون الجهد في Kirchoff ، فإن الفولتية عبر هذه المقاومات الثلاثة تساوي VDD.

الآن وفقا للقانون أوم، وإذا ضربنا الحالية مع المقاوم وسوف نحصل على التيار الكهربائي وV = I س R. ذلك، وهنا التيار هو تيار استنزاف أو I _D. وبالتالي ، فإن الجهد عبر Rd هو V = I _D x Rd ، وينطبق نفس الشيء على Rs لأن التيار هو نفسه I _D ، وبالتالي فإن الجهد عبر Rs هو Vs = I _D x Rs. بالنسبة إلى MOSFET ، يكون الجهد هو V _DS أو جهد التصريف إلى المصدر.

الآن وفقًا لـ KVL ،

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

يمكننا كذلك تقييمها على أنها

Rd = (V _DD - V _DS / I _D) - يمكن حساب R _S Rs كـ Rs = V _S / I _D

يمكن تحديد قيمتي مقاومات أخرى بواسطة الصيغة V _G = V _DD (R2 / R1 + R2)

إذا لم يكن لديك القيمة ، فيمكنك الحصول عليها من الصيغة V _G = V _GS + V _S.

لحسن الحظ ، يمكن أن تتوفر القيم القصوى من ورقة بيانات MOSFET. بناءً على المواصفات يمكننا بناء الدائرة.

يتم استخدام مكثفات اقتران لتعويض ترددات القطع ومنع التيار المستمر من الإدخال أو الوصول إلى المخرج النهائي. يمكننا ببساطة الحصول على القيم من خلال اكتشاف المقاومة المكافئة لمقسم تحيز التيار المستمر ثم اختيار تردد القطع المطلوب. ستكون الصيغة

C = 1 / 2πf المطلب

لتصميم مضخم عالي الطاقة ، قمنا مسبقًا ببناء مضخم طاقة بقوة 50 وات باستخدام اثنين من MOSFET كتكوين دفع وسحب ، اتبع الرابط للتطبيق العملي.