什么是MOSFET放大器:工作和应用

放大器是一种电气装置,用来增强输入信号的振幅。它是音源的重要组成部分,如唱机或CD播放机,以及其他设备,如均衡器,前置放大器和扬声器。放大器的子类别是场效应晶体管放大器使用场效应晶体管用较少的能量处理数字信号的技术。目前,MOSFET放大器是世界上99%的微芯片的设计选择。


MOSFET放大器是1959年Dawon kang和Mohamed Atalla发明和制造的。在那之后,1960年初,他们在宾夕法尼亚州匹兹堡的“卡耐基梅隆大学”举行的固态器件会议上,以“硅-二氧化硅场诱导表面器件”的名义推出了它。本文讨论了一个MOSFET放大器及其应用的概述。

什么是MOSFET放大器?

使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术的放大器被称为MOSFET放大器。MOSFET又称MOS(金属氧化物硅)晶体管,是一种绝缘栅场效应晶体管。这个晶体管是用硅材料制造的。

这个放大器是最常用的场效应晶体管放大器。场效应晶体管用于放大目的的主要好处是它有较少的o/p阻抗和最大的i/p阻抗。

MOSFET放大电路及其工作原理

一个MOSFET放大电路如下所示。一个MOSFET放大器的简单电路图如下所示。在该电路中,漏极电压(VD)、漏极电流(ID)、门源电压(VGS)以及门、源、漏极的位置用字母“G”、“S”和“D”来表示。

通常,mosfet工作在三个区域,如线性/欧姆或截止和饱和。在这三个区域中,当mosfet被用作放大器时,它们应该工作在欧姆区域,当施加电压增加时,流过器件的电流增加。

MOSFET放大器简单电路
MOSFET放大器简单电路

MOSFET可以作为小信号线性放大器在许多应用中。通常,在放大电路中,场效应晶体管工作在饱和区域内。因此,在这个区域,电流的流动不依赖于漏极电压(VD),而电流只是栅极电压(VG)的主要功能。在这些放大器中,通常工作点在饱和区域内。

PCBWay

在MOSFET放大器中,栅极电压的一个小变化将在漏极电流中产生一个大的变化JFET.因此,MOSFET会增加微弱信号的强度;因此,它起到了放大器的作用。

场效应晶体管放大器工作

一个完整的MOSFET放大电路可以通过包括源、漏极、负载电阻和耦合电容来设计。MOSFET放大器的偏置电路如下图所示。

MOSFET放大器的偏置电路
MOSFET放大器的偏置电路

上述偏置电路包括分压器,分压器的主要功能是使晶体管以一种方式偏置。这是晶体管中最常用的偏置方法。它使用两个电阻来确认电压是分开的和分布到MOSFET在正确的水平。它是通过两个R1和R2并联电阻实现的。电路中的C1和C2耦合电容器保护偏置直流电压不受待放大的交流信号影响。最后,输出给RL电阻形成的负载。偏置或栅电压可以由

Vsupply x (R2/R1+R2)

在这里,R1和R2值通常较大,以增强放大器的输入阻抗,并减少欧姆功率损失。


输入输出电压(Vin和Vout)

为了使它更简单,我们需要考虑没有负载与排水分支并联。输入电压(Vin)可以通过栅极电压(G)给源电压(S),就像VGS。通过RS电阻的电压降可以由RS×ID给出。

根据跨导(gm)的定义,当漏源极电压恒定时,漏极电流与栅源极电压的比值。

(gm) = ID / vg

因此,ID = gm×VGS &输入电压(Vin)可以像下面这样被VGS分解。

Vin = VGSx (1 + gmr)

o/p电压(Vout)是通过漏极电阻(RD)的压降给出的。

Vout = - RD x ID = - gmvgs RD

电压增益

电压增益(AV)是输入电压和输出电压的比值。化简后,方程就变成

Av = - RD/Rs=1/gm

在上面的方程中,符号“-”来自于MOSFET放大器将o/p信号等效于BJT CE放大器的事实。所以相移是180°或π rad。

MOSFET放大器的类型

MOSFET放大器有三种类型,如共源(CS),共栅极(CG)和共漏极(CD),每种类型及其配置在下面讨论。

共源MOSFET放大器

公共源放大器可以定义为当i/p信号在栅极(G)和源极(S)两端都给出时,o/p电压可以被放大并通过漏极(D)端负载的电阻获得。在这种配置中,源终端作为i/p和o/p之间的公共终端。

共源MOSFET放大器与CE(共发射极)放大器有关以下是.这是非常流行的,因为高增益和更大的信号放大可以实现。下图是一个共源MOSFET放大器的小信号和混合π模型。

共源(CS) Mosfet放大器
共源(CS) Mosfet放大器

在下面的小信号CS MOSFET放大器中,“RD”电阻器测量电阻在漏极(D)和地(G)之间。这个小信号电路可以被如下图所示的混合-π模型所代替。因此,o/p端口内感应的电流为i =−gvgs通过电流源指定。因此,

签证官=−克vgsRD

通过检查,我们可以观察到

R=∞,vi = v团体, vgs= v

因此开路的电压增益为

一个签证官= vo/vi =−gRD

我们可以用其等价性来代替由源驱动的线性电路。

在小信号电路中,可以用a来改变电路中的输出分数诺顿的或戴维宁等效。在这种情况下,使用诺顿等价更方便。为了验证诺顿等效电阻,设置vi = 0,使电路为开路,因此没有电流流动。通过测试电流技术,其o/p电阻为

R0= RD

负载电阻(RL)通过RD连接到o/p,则通过分压器的端电压增益可以表示为:

Av = Avo (Rl/ Rl+ Ro) =−gm (RDRl/ Rl+ RD) =−通用(RD| | RL)

由信息Rin =∞,得到vi = vsig。因此,电压增益(Gv)与精确的电压增益(Av)相似,

全球之声= vo/ v团体=−通用(RD| | Rl

因此,CS MOSFET放大器具有无限的i/p阻抗,高o/p电阻和高电压增益。输出电阻可以通过降低RD来降低,但电压增益也可以降低。像大多数晶体管放大器一样,CS MOSFET放大器的高频性能较差。

Common-Gate (CG)放大器

共栅放大器通常用作电压放大器或电流缓冲器。在CG配置源终端(S)晶体管的工作原理就像输入而流失终端工作原理与输出&门口终端连接到地面(G)。普通门放大器之间的配置主要用于提供高隔离在i / p & o / p防止振荡或更少的输入阻抗。

共栅放大器等效电路的小信号模型和T模型如下图所示。在“T”模型中,栅极电流总是为零。

CG场效应晶体管放大器
CG场效应晶体管放大器

如果,施加电压为Vgs,源端电流为Vgs*gm,则:

R = V / I = > R = vg / Vgsgm = 1 /通用

这里,共门放大器的输入电阻更小,可以表示为Rin = 1 /通用。

输入电阻通常是几百欧姆。o/p电压可以表示为

签证官=−红外D

在哪里I =−vi/1/gm =−gmvi

因此,开路电压可以表示为

Avo = vo/vi = gRD

电路的输出电阻为Ro = RD

小的i/p阻抗对放大器增益是有害的。根据分压器的公式,我们可以得到

Vi/vsig = Rin/ Rin + Rsig = 1/gm/1/gm + Rsig

与vsig相比,' vi '衰减,因为' Rsig '通常优于1/gm。

一旦负载电阻' RL '连接到o/p,然后正确的电压增益是

Av = gmRD||

因此,电压增益表示为

全球之声=(1 /通用/ Rsig + 1 / gm)通用(RD | | RL) = RD | | RL / Rsig + 1 /通用

当i/p阻抗较低时,由于最大功率定理,它是通过较低的i/p阻抗匹配源的优秀;然而,它会吸收额外的电流,涉及到信号源的高功率利用率。

因此,共栅MOSFET放大器具有更小的i/p电阻' 1/gm '。所以,这是不可取的,因为它会在通过输入电压时产生巨大的电流。当RD||RL比Rsig + 1/gm大时,CG放大器的电压增益可以与普通源放大器的电压增益相关。当Ro = RD时,o/p电阻可以提高,该放大器的频率性能高。

共漏极放大器或源场效应晶体管跟随器

共漏极(CD)放大器是这样一种放大器,输入信号给门端,输出信号从源端获得,使漏极(D)端与门端共用。CD放大器经常被用作电压缓冲器来驱动小的o/p负载。这种配置提供了极高的i/p阻抗和低的o/p阻抗。

这种常见的漏极放大器电路类似于BJT的发射极跟随器电路。所以,它被用作电压缓冲器。这个放大器是一个单位增益放大器,包括非常大的输入阻抗,尽管较小的o/p阻抗。因此,对于高阻抗电路匹配小阻抗电路或工作在大电流的电路,它是极好的。

普通漏极放大器的小信号t型等效电路如下图所示。在这个电路中,i/p输入源可以通过等效的电压(vsig)和电阻(Rsig)来表示。负载电阻(RL)可以连接在源(S)和地(G)之间的o/p上。

共漏极(CD) MOSFET放大器
共漏极(CD) MOSFET放大器

由于上述电路的栅极电流(IG)为零,

Rin =∞

利用分压器的计算公式,可以看出端电压增益的正确性或端电压增益为

Av = vo/vi = RL/RL + 1/gm

开路的电压增益(RL =∞)& Avo = 1

o/p电阻可以通过改变MOSFET放大器的正确元件,通过戴维宁等效得到。通过在这一端使用测试电流技术,可以将Vi值设置为0,因此

Ro = 1 /通用

由于无端输入阻抗(Rin), vi = vsig,加上总电压增益,当电压增益适当时,Gv与Av相似

Gv = Av = RL/RL + 1/gm

由于Ro = 1/gm通常是小的,通过大负载电阻' RL ',增益比单位低,但接近单位。因此,这是一个源跟随器,因为源电压跟踪i/p电压,然而,它可以向o/p提供比i/p电流更大的电流。

MOSFET放大器问题解决

下面讨论mosfet放大器的例子问题。

例二:

用n通道mosfet设计了具有通用源的mosfet放大器。其阈值电压(Vth)为1.5伏,传导参数(K)为40mA/V2。如果电源电压为+20伏,负载电阻(RL)为450欧姆。找出所需电阻的值偏置MOSFET放大器在1/4(VDD)。对于一个不失真和对称的o/p波形,固定的直流偏置电压的漏极的MOSFET的一半电压供应。

解决方案:

给定的值为VDD = +20v, Vth= +1.5v, k = 40mA/V2, RD = 450Ω。

1)漏极电流(ID

VD= VDD/2 = 20/2 = 10v

D= VD/ RD= 10/450 = 22mA

2).栅源电压(VGS

D= k (VGS- vTH) ^ 2

VGS=√我D/K + v =√0.022/0.04 + 1.5 = 2.241V

3).栅极电压(VG

VG= 1/3 VDD =>

VGVGS+ V年代= >

V年代VG- - - - - - VGS= 6.6 - 2.24 = 4.36v

一旦KVL应用于MOSFET,然后漏源电压和VDS可以给出为

VDD= VD+ VDS+ V年代

VDS= VDD- - - - - - VD- - - - - - V年代

VDS= 20 - 10 - 4.36 = 5.64 v

4)。电源电阻(R年代

R年代= V年代/我D= 4.36/0.022 = 198.18欧姆

分压器电阻比如R1和R2是必要的,以提供1/3VDD测量为;

Vg = VDD (r2 / r1 + r2)

如果我们使用R1 = 100kΩ & R2 = 50kΩ,这将满足VG = 1/3VDD条件。此外,偏置电阻组合将为MOSFET放大器67kΩ提供一个i/p电阻。

我们可以通过测量输入和输出耦合电容的值来获得额外的一步设计。如果mosfet放大器的截止频率较低为20Hz,则用这两个电容值计算栅偏置网络的输入阻抗为:

Rin = R1XR2/R1+R2 = 100X50/100+50 = 33千克欧姆

f(3 db) = 20hz = 1/2πRinC

C = 1/2πfRin => /2πx20x33000 => 1/4144800 => 0.24 uF

因此,单级MOSFET放大器的最终电路为:

单级放大电路
单级放大电路

Example2:

下面的CD MOSFET放大器电路包括了分压器的偏置,两个电阻R1 = 2.5 M Ohm和R2 = 1.5 M Ohm,那么Rin值是多少?

CD场效应晶体管放大器
CD场效应晶体管放大器

给定数据为;R1 = 2.5 M ω, R2 = 1.5 M ω

所以Rin = R1||R2 => R1xR2/R1+R2

代入上式即可得到Rin值。

Rin = 2.5 + 1.5×1.5/2.5

Rin = 2.5 M ω x1.5M ω /4M ω

Rin = 3.75/4 = 937.5 K ω

BJT和MOSFET放大器的区别

Mosfet放大器与晶体管放大器之间的差异下面列出的。

以下是放大器

场效应晶体管放大器

BJT包括发射极、基极和集电极三种端子。 MOSFET包括源极、漏极和栅极三个终端。
这种晶体管采用三种配置,如共发射极、共基极和共集电极。 这种晶体管采用三种配置,如共源、共漏极和共栅。
BJT的输入阻抗更小 在MOSFET放大器中,除CG放大器外,CS和CD具有高输入阻抗
BJT放大器具有较高的跨导 它的跨导较小
BJT很常见,因为它们具有更广泛的商业可访问性和更长的历史。 这些是分立电路放大器

BJT放大器用于需要较少输入阻抗的地方。CB放大器用于前置放大器,动圈式麦克风,UGHF和VHF射频放大器。 MOSFET放大器适用于基于射频的应用,也用于音响系统。mosfet的开关作用可以用来制作斩波电路

MOSFET放大器与普通放大器

mosfet放大器与普通放大器的区别是,放大器是一种电子电路,用于放大信号的幅度,这是给它的i/p终端,并产生一个高振幅信号作为输出。

mosfet放大器是放大器的一个子类,使用mosfet或金属氧化物半导体场效应晶体管技术处理数字信号的功耗相当低。

优势

MOSFET放大器的优点包括以下。

  • Mosfet放大器具有低损耗。
  • 该放大器必威体育怎么登录具有较高的通信速度。
  • 与晶闸管、IGBT等其他器件相比,它的性能更好。
  • Mosfet放大器占用空间少,速度快。
  • 与bjt相比,耗电更少。
  • 场效应晶体管放大器具有非常高的i/p阻抗和低的o/p阻抗。

MOSFET放大器的缺点包括以下。

  • 它的设计与普通设计相比是昂贵的
  • 增益很小

应用程序

MOSFET放大器的应用包括以下。

  • MOSFET放大器用于信号放大。
  • 由于它们的高输入阻抗,使得这些放大器的偏置很容易,所以被用于小信号线性放大器。
  • MOSFET放大器广泛应用于射频应用。
  • MOSFET放大器是最常用的场效应晶体管放大器。

为什么使用MOSFET而不是晶体管?

有很多理由使用MOSFET代替晶体管,像MOSFET更快,有非常高的输入阻抗,和更少的噪声。

哪个功率放大器的效率最高?

D类功率放大器与A类、B类、Betway必威App体育 ,和c类D类放大器采用非线性开关技术,可开启或关闭o/p器件。

哪个放大器的增益最高?

共发射极(CE)晶体管放大器具有最高的电压增益、电流增益和功率增益。

MOSFET会增加电压吗?

最大输入电压可以通过增加额外的p - mosfet串联增加。

一个MOSFET如何作为一个放大器?

栅极电压的微小变化会引起漏极电流的巨大变化,就像在JFET中一样。所以这个事实将使MOSFET放大一个微弱的信号,结果,它作为一个放大器。

因此,这一切都是关于mosfet的概述放大器的类型、工作原理、例题、优缺点及其应用。在这个放大器中,指令信号是一个门信号,它控制在源端(S)和漏端(D)之间的电流流动。

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