ماسفت چیست؟ راه اندازی و انواع ترانزیستور ماسفت

ماسفت اساسا ترانزیستوری است که از اثر میدانی استفاده می کند. ماسفت مخفف Metal Oxide Field Effect Transister است که یک گیت دارد. ولتاژ گیت رسانایی دستگاه را تعیین می کند. بسته به این ولتاژ گیت ، می توانیم رسانایی را تغییر بدهیم و بنابراین می توانیم از آن به عنوان سوئیچ یا آمپلی فایر استفاده کنیم مثلا استفاده از ترانزیستور عنوان یک سوئیچ یا آمپلی فایر. ترانزیستور Bipolar Junction یا BTJ دارای بیس ، امیتر و کالکتر است درحالیکه یک ماسفت ، گیت ، درین و منبع اتصال دارد. غیر از پیکربندی پین ، BTJ برای عملکرد به جریان نیاز دارد و MOSFET به ولتاژ نیاز دارد.

ماسفت امپدانس ورودی بسیار بالایی را ارائه می دهد و برای بایاس بسیار راحت است. بنابراین ، برای یک آمپلی فایر کوچک خطی ، MOSFET انتخابی عالی است. تقویت خطی هنگامی اتفاق می افتد که ما ماسفت را در ناحیه ی اشباع بایاس کنیم که یک نقطه ی ثابت در مرکز است.

در تصویر زیر ، یک ساختار داخلی پایه ایِ N-channel MOSFETs نشان داده شده است. MOSFET سه اتصال Drain , Gate و Source دارد. هیچ اتصال مستقیمی بین گیت و کانال وجود ندارد. اکترود گیت عایق الکتریکی است و به همین دلیل ، گاهی اوقات به عنوان IGFET یا Insulated Gate Field Effect Transister ( ترانزیستور اثر میدانی گیت عایق شده) نامیده می شود.

در اینجا تصویر MOSFET IRF530N بسیار محبوب قرار داده شده است.

انواع ماسفت

بر اساس حالت های عملیاتی ، دو نوع مختلف ماسفت در دسترس است. این دو نوع دارای دو زیرگروه دیگر هستند.

1. نوع کاهشی ماسفت یا ماسفت با حالت کاهشی

• N-Channel MOSFET یا NMOS
• P-Channel MOSFET یا PMOS

2. نوع تقویت کننده ماسفت یا ماسفت با حالت افزایشی

• N-Channel MOSFET یا NMOS
• P-Channel MOSFET یا PMOS

ماسفت کاهشی

نوع کاهش ماسفت به طور معمول در ولتاژ منبع گیت صفر روشن می شود. اگر ماسفت از نوع N-Channel Depletion-MOSFET باشد ، ولتاژ آستانه ای وجود خواهد داشت که برای خاموش کردن دستگاه لازم است. به عنوان مثال ، یک MOSFET N-Channel Depletion با ولتاژ آستانه  -3v یا -5V ، برای خاموش کردن دستگاه باید گیت ماسفت به منفی -3V یا -5V کشیده شود. این ولتاژ آستانه برای کانال N منفی و در مورد کانال P مثبت خواهد بود. این نوع MOSFET  معمولاً در مدارهای logic استفاده می شود.

ماسفت تقویت کننده

در نوع افزایشی MOSFET ، دستگاه با ولتاژ گیت صفر خاموش می ماند. برای روشن کردن ماسفت ، ما باید حداقل ولتاژ گیت را به منبع (ولتاژ Vgs Threshold) ارائه دهیم. اما ، جریان تخلیه بسیار وابسته به ولتاژ گیت به منبع است ، اگر Vgs افزایش یابد ، جریان تخلیه نیز به همان میزان افزایش می یابد. نوع تقویت کننده MOSFET  برای ساخت مدار آمپلی فایر ، ایده آل است. همچنین ، مانند نوع کاهشیِ MOSFET ، دارای زیرگروه های NMOS و PMOS نیز هست.

ویژگی ها و منحنی های MOSFET

با تأمین ولتاژ ثابت در مسیر تخلیه به منبع، می توانیم منحنی I_V یک ماسفت را درک کنیم. همانطور که در بالا بیان شد، جریان درین بسیار به vgs، ولتاژ گیت به منبع، وابسته است. اگر ما Vgs را تغییر دهیم، جریان درین نیز تغییر خواهد کرد.

بیایید منحنی I_V یک MOSFET را ببینیم.

در تصویر بالا، ما می‌توانیم شیب I_V يک N_channel MOSFET را ببینیم، جریان درین صفر است وقتی که ولتاژ Vgs زیر ولتاژ آستانه است، در طول این زمان ماسفت در حالت cut_off است. پس از آن وقتی ولتاژ گیت به منبع، شروع به افزایش کند، جریان درین نیز افزایش می یابد.

بیایید یک مثال عملی از منحنی IRF530 MOSFET’s I-V را ببینید.

منحنی نشان می‌دهد که وقتی Vgs = 4.5v است، حداکثر جریان درین IRF530، در 25 درجه سانتی گراد 1A است. اما وقتی Vgs به 5 ولت افزایش یابد، جریان درین تقریبا 2A است، و در آخر با Vgs شش ولتی، می تواند جریان درین 10A را فراهم کند.

بایاس DC ماسفت و منبع مشترک تقویت

خوب، اکنون زمان آن رسیده است که از ماسفت به عنوان یک آمپلی فایر خطی استفاده کنید. اگر تعیین کنیم که چگونه ماسفت را بایاس کنیم و آن را در یک ناحیه عملیاتی درست استفاده کنیم، کار سختی نیست.

ماسفت در سه حالت عملیاتی کار می کند : اهمی، اشباع و pinch off point. ناحیه اشباع نیز به عنوان ناحیه خطی نامیده‌ می شود. در اینجا ما MOSFET را در ناحیه اشباع راه اندازی می کنیم، این نقطه کار درستی را فراهم می کند.

اگر ما یک سیگنال کوچک (متغیر زمان) ارائه دهیم و DC را در گیت یا ورودی بایاس کنیم ، پس از وضعیت مناسب ماسفت ،  تقویت خطی را فراهم می کند.

در تصویر بالا ، یک سیگنال سینوسی کوچک (Vgs) بر روی گیت MOSFET اعمال می شود و در نتیجه ، نوسان جریانِ جاریِ درین، همزمان با ورودی سینوسی انجام می شود. برای سیگنال کوچک Vgs ، می توانیم یک خط مستقیم از نقطه Q بکشیم که دارای شیب gm = dId / dVgs باشد.

شیب را می توان در تصویر بالا مشاهده کرد.  این شیب، ترا رسانایی است که پارامتر مهمی برای ضریب تقویت است.  در این مرحله دامنه جریان درین است

ߡId = gm x ߡVgs

حال اگر به طرح بالا توجه کنیم ، می بینیم که مقاومت درین Rd می تواند جریان درین و همچنین ولتاژ درین را با استفاده از معادله کنترل کند.

Vds = Vdd - Id x Rd (as V = I x R)

سیگنال خروجی خواهد بود: ߡVds = -ߡId x Rd = -gm x ߡVgs x Rd

توسط معادلات ، بهره حاصل خواهد بود:

Amplified Voltage Gain = -gm x Rd

بنابراین ، بهره کلی آمپلی فایر ماسفت به ترا رسانایی (ضریب هدایت متقابل) و مقاومت درین بسیار وابسته است.

ساختار آمپلی فایر منبع مشترک اصلی با ماسفت منفرد

برای ساخت یک آمپلی فایر منبع مشترک ساده با استفاده از N کانال ماسفت منفرد ، نکته ی مهم ، دستیابی به بایاسینگ DC است. به این منظور ، یک تقسیم کننده ی ولتاژ عمومی با استفاده از دو مقاومت ساده ساخته می شود : R1 و R2 . دو مقاومت دیگر نیز به عنوان مقاومت Drain و مقاومت Source مورد نیاز است.

برای تعیین مقدار مورد نیاز ، باید قدم به قدم محاسبه کنیم. یک ماسفت با امپدانس ورودی بالا ارائه می شود ، بنابراین در حالت اجرایی ، هیچ جریان جاری ای درپایانه ی گیت وجود ندارد.

حالا اگر به دستگاه نگاه کنیم ، خواهیم فهمید که ۳ مقاومت مرتبط با VDD وجود دارد (به جز مقاومت بایاسینگ). این 3 مقاومت Rd, مقاومت داخلی ماسفت و Rs هستند. بنابراین، اگر ما قانون ولتاژ کیرشهوف را اعمال کنیم، سپس ولتاژهای موجود در هر ۳ مقاومت برابر با VDD است.

حال اگر طبق قانون اهم، جریان را در مقاومت ضرب کنیم ولتاژ را به صورت V=I×R دریافت خواهیم کرد. بنابراین، در اینجا جریان، جریان Drain  یا ID است. پس ولتاژ در سراسر Rd برابر V=ID×Rd است، همین نیز برای RS به کار می رود زیرا جریان همان ID است، بنابراین ولتاژ در سراسر Rs برابر Vs=ID×Rs است. برای ماسفت نیز ولتاژ VDS یا ولتاژ منبع Drain است. حال طبق هر  KVL،

VDD = ID x Rd + VDS + ID x Rs
VDD = ID (Rd + Rs) + VDS
(Rd + Rs) = VDD – VDS / ID

می توانیم آن را بیشتر محاسبه کنیم به عنوان

Rd = (VDD – VDS / ID)  - RS
Rs can caluculated as Rs = VS / ID

مقدار دو مقاومت دیگر را می توان با فرمول VG = VDD (R2 / R1 + R2) تعیین کرد. اگر مقدار آن را ندارید ، می توانید آن را با فرمول VG = VGS + VS بدست آورید. خوشبختانه ، حداکثر مقادیر از صفحه داده های ماسفت قابل دسترسی است. بر اساس مشخصات میتوانیم مدار را بسازیم.

از دو جفت خازن ، برای جبران اتصال بسامد های قطع و جلوگیری از ورود DC یا بدست آوردن خروجی نهایی استفاده میشود. ما به سادگی میتوانیم با پیدا کردن مقاومت تقسیم کننده بایاس DC  و سپس با انتخاب بسامد قطع مورد نظر معادله را بدست آوریم.

فرمول به شکل زیر خواهد بود:

C = 1 / 2πf Requirement

برای طراحی آمپلی فایر با قدرت بالا ، ما قبلاً یک آمپلی فایر قدرت 50 وات با استفاده از دو ماسفت به عنوان پیکربندی Push-pull ساختیم ، برای کاربرد عملی لینک را دنبال کنید.