Amplificatore MOSFET
Un amplificatore MOSFET si basa sulla tecnologia dei semiconduttori a ossido di metallo. È un tipo di transistor ad effetto di campo basato su gate isolato. I transistor ad effetto di campo forniscono un'impedenza o/p inferiore e un'impedenza i/p maggiore quando utilizzati per funzioni di amplificazione.
Circuito e funzionamento dell'amplificatore MOSFET di potenziamento
Di seguito è riportato il circuito per un amplificatore MOSFET. Le lettere 'G', 'S' e 'D' sono utilizzate in questo circuito per indicare le posizioni di gate, source e drain mentre la tensione di drain, la corrente di drain e la tensione gate-source sono state rappresentate da V D , IO D , e V GS .
I MOSFET spesso operano in tre regioni: lineare/ohmica, cut-off e saturazione. Quando i MOSFET vengono utilizzati come amplificatori, funzionano nella zona ohmica di una di queste tre regioni operative, dove il flusso di corrente complessivo del dispositivo aumenta all'aumentare della tensione applicata.
Nell'amplificatore MOSFET, simile a un JFET, una piccola variazione nella tensione di gate comporterà una variazione significativa nella corrente di drain. Di conseguenza, il MOSFET funge da amplificatore rafforzando un segnale debole ai terminali di gate.
Funzionamento dell'amplificatore MOSFET
Il circuito amplificatore MOSFET viene creato aggiungendo una sorgente, uno scarico, un resistore di carico e condensatori di accoppiamento al circuito più semplice mostrato sopra. Il circuito di polarizzazione dell'amplificatore MOSFET è fornito di seguito:
Un partitore di tensione è il componente costitutivo del circuito di polarizzazione di cui sopra e il suo compito principale è polarizzare un transistor in una direzione. Pertanto, questa è la tecnica di polarizzazione utilizzata dai transistor nei circuiti più comunemente polarizzati. Per garantire che la tensione venga divisa e fornita al MOSFET ai livelli corretti, vengono utilizzati due resistori. Due resistori paralleli, R 1 e R 2 , vengono utilizzati per fornire le tensioni di polarizzazione. Il divisore di tensione CC di polarizzazione nel circuito sopra è schermato dal segnale CA che verrà ulteriormente amplificato dal C 1 e C 2 coppia di condensatori di accoppiamento. Il carico come resistore RL riceve l'uscita. La tensione polarizzata è data da:
R 1 e R 2 i valori sono generalmente elevati in questo caso per aumentare l’impedenza di ingresso dell’amplificatore e per limitare le perdite di potenza ohmica.
Tensioni di ingresso e uscita (Vin e Vout)
Assumiamo che non vi sia alcun carico collegato in parallelo al ramo di drenaggio per semplificare le espressioni matematiche. La tensione source-gate VGS, riceve la tensione di ingresso (Vin) dal terminale gate (G). R S xI D fornirà la caduta di tensione sui rispettivi R S resistore. Transconduttanza (g M ) è il rapporto tra la corrente di drenaggio ( I D ) alla tensione gate-source ( V GS ) dopo che è stata applicata una tensione drain-source costante:
Così io D = g M ×V GS e la tensione di ingresso (V In ) può essere calcolato da V GS :
La tensione o/p (V fuori ) nel circuito sopra è:
Guadagno di tensione
Il guadagno di tensione (A IN ) è il rapporto tra le tensioni di ingresso e di uscita. A seguito di tale riduzione, l’equazione diventerà:
Il fatto che l'amplificatore MOSFET esegua l'inversione del segnale o/p proprio come l'amplificatore BJT CE. Il simbolo “-“ rappresenta l'inversione. Lo sfasamento è quindi di 180° o rad per le uscite.
Classificazione dell'amplificatore MOSFET
Esistono tre diversi tipi di amplificatori MOSFET: gate comune (CG), sorgente comune (CS) e drain comune (CD). Ciascun tipo e la relativa configurazione sono descritti in dettaglio di seguito.
Amplificazione mediante MOSFET a sorgente comune
In un amplificatore a sorgente comune, la tensione o/p viene amplificata e raggiunge il resistore sul carico all'interno del terminale di drain (D). In questo caso il segnale i/p viene fornito sia ai terminali gate (G) che source (S). Il terminale di sorgente funge da terminale di riferimento tra i/p e o/p in questa disposizione. A causa del suo elevato guadagno e del potenziale per una maggiore amplificazione del segnale, questa è una configurazione particolarmente preferibile rispetto ai BJT. Di seguito è riportato uno schema del circuito di un amplificatore MOSFET a sorgente comune.
Il resistore “RD” è la resistenza tra lo scarico (D) e la terra (G). Il modello ibrido π, mostrato nella figura successiva, viene utilizzato per rappresentare questo circuito a piccolo segnale. Da questo modello, la corrente prodotta è rappresentata da i = g M In g . Perciò,
I valori dei diversi parametri possono essere stimati come Rin=∞, V io =V loro stessi e V g =V io
Pertanto il guadagno di tensione a circuito aperto è:
Un circuito lineare alimentato da una sorgente può essere sostituito con il suo equivalente di Thevenin o Norton. L'equivalenza di Norton può essere utilizzata per modificare la porzione di uscita del circuito dal circuito a piccolo segnale. L'equivalente Norton è più pratico in questa situazione. Con l'equivalenza assunta, il guadagno di tensione G IN può essere modificato come:
Gli amplificatori MOSFET a sorgente comune hanno un'impedenza di ingresso/uscita infinita, un'elevata resistenza on/off e un guadagno di tensione elevato.
Amplificatore a porta comune (CG)
Gli amplificatori a porta comune (CG) vengono spesso utilizzati come amplificatori di corrente o tensione. Il terminale source del transistor (S) funziona come ingresso nella disposizione CG, mentre il terminale drain funge da uscita e il terminale gate è collegato a terra (G). La stessa disposizione dell'amplificatore gate viene spesso utilizzata per creare un forte isolamento tra l'ingresso e l'uscita per ridurre l'impedenza di ingresso o evitare l'oscillazione. Di seguito sono mostrati i modelli a piccolo segnale e T del circuito equivalente dell'amplificatore a porta comune. La corrente di gate nel modello 'T' è sempre zero.
Se 'Vgs' è la tensione applicata e la corrente alla sorgente è rappresentata da 'V g x g M ', Poi:
Qui, l'amplificatore a gate comune ha una resistenza di ingresso ridotta rappresentata come R In = 1/gr M . Il valore della resistenza di ingresso è generalmente di poche centinaia di ohm. La tensione o/p è data come:
Dove:
Pertanto la tensione a circuito aperto può essere rappresentata come:
Poiché la resistenza di uscita del circuito è R O =R D , il guadagno dell'amplificatore soffre della bassa impedenza i/p. Pertanto, utilizzando la formula del partitore di tensione:
Perché 'R loro stessi ’ è spesso maggiore di 1/g M , la V io ’ è attenuato rispetto a V loro stessi . Il guadagno di tensione appropriato si ottiene quando un resistore di carico 'RL' è collegato all'o/p. Il guadagno di tensione è quindi rappresentato come:
Amplificatore di drenaggio comune
Un amplificatore a drain comune (CD) è quello in cui il terminale sorgente riceve il segnale di uscita e il terminale di gate riceve il segnale di ingresso mentre il terminale di drain (D) viene lasciato aperto. Piccoli carichi o/p vengono spesso pilotati utilizzando questo amplificatore CD come circuito buffer di tensione. Questa configurazione offre un'impedenza o/p molto bassa e un'impedenza i/p estremamente elevata.
Di seguito viene visualizzato il circuito equivalente dell'amplificatore a drain comune per piccoli segnali e il modello T. La sorgente di ingresso i/p in questo circuito può essere identificata dalla tensione equivalente di un resistore (R loro stessi ) e un Thevenin (V loro stessi ). Un resistore di carico (RL) si collega con l'uscita tra il terminale sorgente (S) e il terminale di terra (G).
Dal momento che l'I G è zero, Rin = ∞ Il partitore di tensione per la tensione ai terminali può essere espresso come:
Utilizzando l'equivalente di Thevenin, il guadagno di tensione complessivo risulta simile all'espressione sopra, che può essere valutata considerando R 0 =1/g M COME:
Dal momento che R O = 1/gr M è generalmente un valore piuttosto piccolo rispetto al resistore di carico di grandi dimensioni 'RL', in questo caso il guadagno è inferiore all'unità.
Conclusione
La differenza tra un amplificatore normale e un amplificatore MOSFET è che un amplificatore normale utilizza un circuito elettronico per amplificare il segnale di ingresso per produrre un segnale di uscita con un'ampiezza elevata. Gli amplificatori MOSFET elaborano i segnali digitali con un consumo energetico relativamente ridotto rispetto ai BJT.