تقویت کننده ماسفت (MOSFET)

همان‌گونه که قبلاً بیان کردیم، می‌توان تقویت‌‌کننده‌های یک‌طبقه ساده را با ترانزیستورهای پیوندی اثر میدان یا JFETها ساخت. اما انواع دیگری از ترانزیستورهای اثر میدان وجود دارند که می‌توان از آن‌ها در ساختن تقویت‌کننده‌ها بهره گرفت. در این آموزش، تقویت‌کننده ماسفت (MOSFET) را بررسی می‌کنیم.

«ترانزیستور اثر میدان نیمه‌رسانای اکسید فلز» (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) یا ماسفت، یک گزینه عالی برای تقویت‌کننده‌های خطی سیگنال کوچک است، زیرا امپدانس ورودی آن‌ بسیار زیاد است که بایاس آن‌ را ساده می‌کند. برای اینکه یک ماسفت، خاصیت تقویت‌کنندگی خطی داشته باشد، برخلاف ترانزیستور دوقطبی، باید در ناحیه اشباع کار کند. اما، مانند ترانزیستور دوقطبی باید حول یک نقطه کار ثابت مرکزی بایاس شود.

ماسفت‌ها در ناحیه هدایت خود جریان را عبور می‌دهند که «کانال» (Channel) نامیده می‌شود. با اعمال ولتاژ مناسب به گیت، می‌توان این کانال هدایت را بزرگ‌تر یا کوچک‌تر کرد. اعمال این ولتاژ گیت به ترانزیستور، بر مشخصه الکتریکی کانال اثر خواهد گذاشت و یک میدان الکتریکی حول پایه گیت القا می‌کند. به همین دلیل است که این ترانزیستر، اثر میدان نامیده می‌شود.

به عبارت دیگر، با ایجاد یا افزایش کانال هدایت ماسفت بین ناحیه سورس و درین، می‌توان آن را کنترل کرد. با این کار، ترانزیستور، «ماسفت مُد افزایشی کانال n» یا (n-channel Enhancement-mode MOSFET) نامیده می‌شود که باید گیت آن را بایاس مثبت کرد تا جریان از آن عبور کند (بایاس منفی برای کانال p).

یک ترانزیستور ماسفت

مشخصه انواع مختلف ماسفت‌ها، تفاوت‌های زیادی با هم دارد، بنابراین باید هر کدام را به صورت منحصر به فرد بایاس کرد. مشابه پیکربندی امیتر مشترک ترانزیستور دوقطبی، تقویت‌کننده ماسفت سورس مشترک را نیز باید در یک مقدار مناسب بایاس نمود. قبل از توضیح درباره این کار، ابتدا مشخصات و پیکربندی پایه ماسفت ها را بیان می‌کنیم.

ماسفت افزایشی کانال N

تفاوت یک BJT با FET این است که پایه‌های BJT، کلکتور، امیتر و بیس هستند، در حالی که یک ماسفت به ترتیب دارای پایه‌های درین، سورس و گیت است. یک تفاوت دیگر این است که برخلاف پیوند بیس-امیتر در یک BJT، از آنجایی که الکترود فلزی گیت از نظر الکتریکی نسبت به کانال رسانایی ایزوله شده است، ارتباط مستقیمی بین گیت و کانال ماسفت وجود ندارد. از همین رو، این ترانزیستور را ترانزیستور اثر میدان با گیت ایزوله (IGFET) نیز می‌نامند.

ماسفت افزایشی کانال n

همان‌طور که می‌بینیم، ماده نیمه‌رسانای لایه ماسفت کانال n یا NMOS از نوع p است، در حالی که الکترودها از نوع n هستند. ولتاژ تغذیه مثبت است. بایاس مثبت پایه گیت، الکترون‌ها را به لایه نیمه‌رسانای نوع p در زیر ناحیه گیت جذب خواهد کرد.

این فراوانی الکترون‌های آزاد در لایه p سبب ایجاد یا تقویت کانال می‌شود که مشخصات الکتریکی ناحیه p را عکس می‌کند. درنتیجه، لایه p به یک ماده نوع n تبدیل شده و جریان در کانال برقرار می‌شود.

عکس همین مطلب، برای ماسفت کانال p یا PMOS نیز برقرار است. ولتاژ منفی گیت، سبب ایجاد حفره‌هایی در زیر ناحیه گیت می‌شود زیرا الکترون‌ها به قسمت بیرونی الکترود گیت جذب می‌شوند. در نتیجه، لایه نوع n، یک کانال هدایت نوع p می‌سازد.

بنابراین، برای ماسفت نوع n، با اعمال ولتاژ مثبت بیش‌تر به گیت، الکترون‌های حول ناحیه گیت، کانال هدایت بزرگ‌تری می‌سازند. این افزایش جریان الکترون‌ها در کانال، سبب می‌شود جریان بیش‌تری از درین به سورس برقرار شود و به همین دلیل این ترانزیستور را ماسفت افزایشی می‌نامند.

تقویت‌کننده ماسفت افزایشی

ماسفت افزایشی یا eMOSFET را می‌توان در دسته قطعات «در حالت نرمال، قطع» (normally-off) دسته‌بندی کرد. این قطعات فقط وقتی هدایت می‌کنند که یک ولتاژ مثبت مناسب به گیت-سورس اعمال شود؛ برخلاف ماسفت‌های کاهشی که در حالت عادی روشن هستند و وقتی هدایت می‌کنند که ولتاژ گیت صفر باشد.

با توجه به ساختار و فیزیک ماسفت‌های افزایشی، یک ولتاژ گیت-سورس حداقل وجود دارد که «ولتاژ ترشولد» (Threshold voltage) یا VTH نامیده می‌شود. این ولتاژ باید قبل از اینکه ترانزیستور شروع به هدایت کند به گیت اعمال شود.

به عبارت دیگر، وقتی ولتاژ گیت-سورس (VGS) کم‌تر از ولتاژ VTH‌ باشد، ماسفت افزایشی، هدایت نمی‌کند. هنگامی که بایاس مستقیم گیت زیاد شود، جریان درین (ID) یا همان جریان درین-سورس (IDS) نیز افزایش خواهد یافت. این امر سبب می‌شود eMOSFET گزینه ایده‌آلی برای استفاده در مدارهای تقویت‌کننده باشد.

مشخصه کانال هدایت ماسفت را می‌توان به عنوان یک مقاومت متغیر کنترل شده با گیت در نظر گرفت. مقدار جریان درین که از کانال n می‌گذرد به ولتاژ گیت-سورس وابسته است. یکی از اندازه‌گیری‌هایی که می‌توانیم با استفاده از یک ماسفت انجام دهیم، رسم یک مشخصه انتقال است که رابطه i-v را بین جریان درین و ولتاژ سورس نشان می‌دهد.

مشخصه I-V یک ماسفت افزایشی کانال n

با ولتاژ درین-سورس (VDS) ثابت، می‌توان مقادیر جریان درین (ID)‌ را نسبت به مقادیر متغیر VGS برای به دست آوردن نمودار مشخصه DC مستقیم ماسفت رسم کرد. این مشخصه، هدایت انتقالی gm را نتیجه خواهد داد.

هدایت انتقالی، جریان خروجی را به ولتاژ ورودی مرتبط می‌کند و بهره ترانزیستور را نشان می‌دهد. شیب منحنی هدایت انتقالی در هر نقطه، مقدار gm=ID/VGS را برای مقدار VDS ثابت بیان می‌کند.

برای مثال، فرض کنید وقتی VGS=3v‌ است، جریان درین ماسفت 2mA باشد. همچنین در حالتی که VGS=7v است، این مقدار برابر با 14mA باشد. بنابراین، داریم:

این نسبت،‌ هدایت انتقالی استاتیک یا DC نامیده می‌شود که به اختصار آن را هدایت انتقالی می‌گوییم و واحد آن، «زیمنس» (S) یا Siemens (آمپر بر ولت) است. بهره ولتاژ یک تقویت‌کننده ماسفت، با هدایت انتقالی و مقدار مقاومت درین رابطه مستقیم دارد.

در VGS=0، هیچ جریانی در کانال ترانزیستور برقرار نیست، زیرا اثر میدان در گیت، برای ایجاد یک کانال n «باز»، کافی نیست. بنابراین، ترانزیستور در ناحیه قطع است و مانند یک سوئیچ باز عمل می‌کند. به عبارت دیگر، با اعمال ولتاژ صفر به گیت کانال n ماسفت افزایشی، می‌گوییم ترانزیستور در حالت عادی، OFF است و این OFF، با یک خط کانال شکسته در نماد ماسفت نشان داده می‌شود (برخلاف نوع کاهشی که یک خط کانال پیوسته دارد).

حال اگر به تدریج ولتاژ مثبت گیت-سورس را افزایش دهیم، اثر میدان، هدایت کانال را زیاد می‌کند و به نقطه‌ای می‌رساند که ترانزیستور شروع به هدایت می‌کند. این نقطه، ولتاژ ترشولد یا VTH نامیده می‌شود. اگر VGS را بیش‌تر کنیم، کانال هدایت بزرگ‌تر می‌شود (مقاومت کمتر)، در نتیجه، جریان درین افزایش خواهد یافت. قبلاً گفتیم که گیت هرگز نباید هدایت کند، زیرا از نظر الکتریکی نسبت به کانال ایزوله است. این امر سبب می‌شود تقویت‌کننده ماسفت، امپدانس ورودی بسیار بزرگی داشته باشد.

به عنوان نتیجه‌گیری می‌توان گفت اگر ولتاژ گیت-سورس کمتر از ولتاژ ترشولد باشد، ماسفت افزایشی کانال n در حالت قطع قرار می‌گیرد و وقتی که بیش‌تر از آن باشد، کانال آن هدایت می‌کند یا اشباع می‌شود. اگر ماسفت افزایشی در ناحیه اشباع کار کند، می‌توان جریان درین (ID) را با رابطه زیر محاسبه کرد:

توجه کنید که مقدار k (پارامتر هدایت) و VTH (ولتاژ ترشولد) ماسفت‌های مختلف، با هم تفاوت دارند. دلیل این تفاوت این است که مشخصه ترانزیستورها به نوع ماده سازنده، طراحی و فرایند ساخت بستگی دارد.

شکل منحنی مشخصه انتقال استاتیک سمت راست فرمول، معمولاً سهمی (مجذور) و سپس خطی است. افزایش جریان درین به دلیل افزایش ولتاژ گیت-سورس، شیب یا گرادیان منحنی را به ازای مقادیر ثابت VDS تعیین می‌کند.

روشن کردن یک ماسفت افزایشی، امری تدریجی است و برای اینکه از آن به عنوان یک تقویت‌کننده بهره ببریم، باید گیت آن را در نقطه‌ای بالاتر از ولتاژ ترشولد بایاس کنیم.

راه‌های مختلفی برای بایاس وجود دارد؛ مثلاً استفاده از دو منبع ولتاژ جدا، بایاس با فیدبک درین، بایاس با دیود زنر و غیره. اما، از هر روشی برای بایاس استفاده کنیم، باید مطمئن شویم که ولتاژ گیت مثبت‌تر از ولتاژ سورس است (به اندازه ولتاژ ترشولد). در این آموزش، از مدار بایاس مقسم ولتاژ استفاده می‌کنیم.

بایاس DC ماسفت

مدار بایاس مقسم ولتاژ، یک روش بایاس محبوب است که برای ایجاد نقطه کار DC در تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری دوقطبی و ماسفت به کار می‌رود. مزیت بایاس مقسم ولتاژ این است که ماسفت یا ترانزیستور دوقطبی را می‌توان با یک منبع تغذیه DC بایاس کرد.

ماسفت سه ناحیه مختلف کاری دارد. این ناحیه‌ها عبارت‌اند از: ناحیه اهمی/تریود، ناحیه اشباع/خطی و ناحیه تنجیدگی یا پینچ آف (Pinch off). برای ماسفتی که در ناحیه خطی کار می‌کند، باید یک نقطه کار مناسب ایجاد کنیم که در ناحیه اشباع بایاس شود. نقطه کار ماسفت، با مقادیر DC جریان درین و ولتاژ گیت-سورس نشان داده می‌شود. این نقطه کار باید در وسط منحنی مشخصه خروجی ماسفت باشد.

همان‌طور که در بالا دیدیم، ناحیه اشباع وقتی شروع می‌شود که ولتاژ گیت-سورس بیشتر از ولتاژ ترشولد است. اگر یک سیگنال AC‌ کوچک را که روی این بایاس DC سوار شده به ورودی گیت اعمال کنیم، ماسفت مانند یک تقویت‌کننده خطی عمل می‌کند.

بایاس DC ماسفت افزایشی

ماسفت کانال n سورس مشترک بالا نشان می‌دهد که ورودی سینوسی Vi با یک منبع DC سری است. ولتاژ DC‌ گیت با مدار بایاس تنظیم خواهد شد. بنابراین، ولتاژ گیت-سورس نهایی، برابر با مجموع VGS و Vi است.

مشخصه DC و در نتیجه، نقطه کار، توابعی از ولتاژ گیت VGS، ولتاژ تغذیه VDD و مقاومت بار RD هستند.

ماسفت، در ناحیه اشباع بایاس می‌شود و‌ جریان درین مطلوب را ایجاد خواهد کرد که نقطه کار ترانزیستور را تعریف می‌کند. وقتی مقدار لحظه‌ای VGS افزایش یابد، نقطه بایاس بالاتر خواهد رفت و سبب افزایش جریان درین و و کاهش ‌VDS می‌شود.

به طریق مشابه، اگر مقدار لحظه‌ای VGS کاهش یابد (نیمه منفی ورودی سینوسی)، نقطه بایاس به پایین منحنی حرکت می‌کند و VDS کوچک‌تر می‌شود. در نتیجه جریان درین و VDS‌افزایش خواهند یافت.

برای داشتن یک خروجی بزرگ‌تر، باید ترانزیستور را به خوبی بالای سطح ترشولد بایاس کنیم تا در تمام سیکل ورودی سینوسی در ناحیه اشباع بماند. هرچند، محدودیت‌هایی برای استفاده از مقادیر بایاس گیت و جریان درین وجود دارد. برای آنکه حداکثر ولتاژ در خروجی نوسان کند، نقطه کار را باید تقریباً بین ولتاژ تغذیه VDD و ولتاژ ترشولد VTH قرار دهیم.

برای مثال، فرض کنید می‌خواهیم یک تقویت‌کننده سورس مشترک NMOS بسازیم. ولتاژ ترشولد برابر 2.5 ولت و ولتاژ تغذیه 15+ ولت است. بنابراین، نقطه بایاس DC، برابر با 15−2.5=12.5V‌ است.

مشخصه ID−VDS ماسفت

دیدیم که می‌توان نمودار مشخصه DC مستقیم یک ماسفت را با ثابت نگه داشتن ولتاژ تغذیه VDD و افزایش ولتاژ گیت VG رسم کرد. اما، برای داشتن تصویر کاملی از عملکرد ماسفت برای به کار بردن آن در مدار تقویت‌کننده، باید مشخصه خروجی را برای مقادیر مختلف VDD و VGS رسم کنیم.

مشابه یک ترانزیستور دوقطبی NPN، می‌توانیم مجموعه‌ای از منحنی‌های ID را برای مقادیر مختلف VG رسم کنیم. شکل زیر، این منحنی‌ها را نشان می‌دهد.

منحنی‌های مشخصه ماسفت افزایشی نوع n

مشخصه‌های جریان درین ماسفت نوع p بسیار شبیه به شکل بالاست، با این تفاوت که پلاریته ولتاژ گیت عکس است.

تقویت‌کننده ماسفت سورس مشترک

نحوه بایاس DC نقطه کار ماسفت نوع n را بررسی کردیم. اگر یک سیگنال متغیر با زمان را به ورودی اعمال کنیم، در شرایط کارکرد مناسب، ماسفت به عنوان یک تقویت‌کننده خطی عمل خواهد کرد و نقطه کار آن وسط ناحیه اشباع خواهد بود.

تقویت‌کننده ماسفت پایه

این تقویت‌کننده ماسفت سورس مشترک مد افزایشی ساده، یک تغذیه در درین دارد که ولتاژ گیت لازم را با استفاده از یک مدار مقاومت مقسم ولتاژ تامین می‌کند. در یک ماسفت، جریانی از پایه گیت عبور نمی‌کند و به همین جهت، می‌توان فرضیات زیر را برای شرایط عملکرد DC تقویت‌کننده‌های ماسفت در نظر گرفت.

بنابراین، می‌توان نوشت:

و در نتیجه، ولتاژ گیت-سورس به صورت زیر خواهد بود:

پیش‌تر گفتیم که برای عملکرد صحیح ماسفت، ولتاژ گیت-سورس باید بیش‌تر از ولتاژ ترشولد باشد (VGS>VTH). از آنجایی که IS=ID است، ولتاژ گیت با رابطه زیر محاسبه می‌شود:

برای تنظیم ولتاژ گیت روی این مقدار، باید مقادیر صحیح مقاومت‌های R1 و R2‌ را در شبکه مقسم ولتاژ انتخاب کنیم. می‌دانیم که جریانی از گیت عبور نمی‌کند، بنابراین، فرمول تقسم ولتاژ زیر را داریم:

این معادله تقسیم ولتاژ، فقط نسبت دو مقاومت را تعیین می‌کند و مقادیر آن‌ها را ارائه نمی‌دهد. همچنین، مقدار مقاومت‌ها باید حتی‌الامکان بزرگ انتخاب شود تا تلفات توان (I2∗R) کاهش یافته و مقاومت ورودی تقویت‌کننده افزایش پیدا کند.

مثال

یک تقویت‌کننده ماسفت سورس مشترک کانال n را در نظر بگیرید که پارامتر هدایت آن، 50mA/V2 و ولتاژ ترشولد آن، 2 ولت است. اگر ولتاژ تغذیه 15+ ولت و مقاومت بار 470 اهم باشد، مقادیر مقاومت‌های لازم برای را برای آنکه ولتاژ بایاس 1/3(VDD) باشد، محاسبه کنید. مدار را نیز رسم کنید.

مقادیر داده شده: VDD=+15v، VTH=+2v، k=50mA/V2 و RD=470Ω.

1. جریان درین (ID):

2. ولتاژ گیت-سورس (VGS):

3. ولتاژ گیت (VG):

با استفاده از KVL روی ماسفت، ولتاژ درین-سورس (VDS) به صورت زیر به دست می‌آید:

4. مقاومت منبع (RS):

نسبت ترانزیستورهای مقسم R1 و R2 برای آنکه ولتاژ گیت 1/3 ولتاژ تغذیه باشد، به صورت زیر است:

اگر R1=200kΩ و R2=100Ω را انتخاب کنیم، شرط VG=1/3VDD برقرار خواهد بود. با این مقادیر، مقاومت ورودی تقویت‌کننده ماسفت، تقریباً برابر با 67kΩ است.

می‌توانیم طراحی را با محاسبه خازن‌های کوپلاژ ورودی و خروجی، یک گام جلوتر ببریم. اگر فرکانس قطع پایین تقویت‌کننده ماسفت را 20Hz فرض کنیم، مقادیر دو خازن با توجه به امپدانس ورودی شبکه بایاس گیت به صورت زیر محاسبه می‌شوند:

مدار نهایی تقویت‌کننده به صورت زیر خواهد بود:

جمع‌بندی

هدف اصلی یک تقویت‌کننده ماسفت یا هر تقویت‌کننده دیگر، تولید یک سیگنال خروجی است که سیگنال ورودی را به خوبی بازتولید و اندازه آن را تقویت کند. این سیگنال ورودی ممکن است جریان یا ولتاژ باشد. هر ماسفتی که به عنوان تقویت‌کننده به کار می‌رود باید در ناحیه اشباع بایاس شود.

دو نوع اصلی ماسفت افزایشی نوع n و نوع p وجود دارد که در این آموزش، نوع n را بررسی کردیم. ولتاژ گیت این ترانزیستور برای کار کردن باید مثبت باشد.

ناحیه اشباع ماسفت، ناحیه جریان ثابت آن است که بالاتر از ولتاژ ترشولد قرار دارد. در یک ماسفت مد افزایشی، با اعمال ولتاژ گیت، میدان الکترواستاتیک ایجاد می‌شود و هدایت کانال را افزایش می‌دهد.

ولتاژ ترشولد، حداقل مقدار لازم بایاس گیت است که کانال بین سورس و درین را فعال می‌کند. بایاس بیش از این مقدار، جریان درین را متناسب با (VGS−VTH)2 در ناحیه اشباع افزایش می‌دهد و موجب می‌شود تقویت‌کننده در این ناحیه کار کند.