تقویت کننده ماسفت (MOSFET)

«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).

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.

 

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 $$V_{TH}$$ نامیده می‌شود. این ولتاژ باید قبل از اینکه ترانزیستور شروع به هدایت کند به گیت اعمال شود.

به عبارت دیگر، وقتی ولتاژ گیت-سورس ($$V_{GS}$$) کم‌تر از ولتاژ $$V_{TH}$$‌ باشد، ماسفت افزایشی، هدایت نمی‌کند. هنگامی که بایاس مستقیم گیت زیاد شود، جریان درین ($$I_D$$) یا همان جریان درین-سورس ($$I_{DS}$$) 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.

 

با ولتاژ درین-سورس ($$V_{DS}$$) ثابت، می‌توان مقادیر جریان درین ($$I_D$$)‌ را نسبت به مقادیر متغیر $$V_{GS}$$ 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 $$gm=I_D/V_{GS}$$ را برای مقدار $$V_{DS}$$ ثابت بیان می‌کند.

برای مثال، فرض کنید وقتی $$V_{GS}=3v$$‌ است، جریان درین ماسفت 2mA باشد. همچنین در حالتی که $$V_{GS}=7v$$ 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 $$V_{GS}=0$$، 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 $$V_{TH}$$ نامیده می‌شود. اگر $$V_{GS}$$ 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 ($$I_D$$) را با رابطه زیر محاسبه کرد:

توجه کنید که مقدار k (پارامتر هدایت) و $$V_{TH}$$ (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 $$V_{DS}$$ 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.

 

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

مشخصه DC و در نتیجه، نقطه کار، توابعی از ولتاژ گیت $$V_{GS}$$، ولتاژ تغذیه $$V_{DD}$$ و مقاومت بار $$R_D$$ 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 $$V_{GS}$$ افزایش یابد، نقطه بایاس بالاتر خواهد رفت و سبب افزایش جریان درین و و کاهش ‌$$V_{DS}$$ می‌شود.

به طریق مشابه، اگر مقدار لحظه‌ای $$V_{GS}$$ کاهش یابد (نیمه منفی ورودی سینوسی)، نقطه بایاس به پایین منحنی حرکت می‌کند و $$V_{DS}$$ کوچک‌تر می‌شود. در نتیجه جریان درین و $$V_{DS}$$‌افزایش 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 $$V_{DD}$$ و ولتاژ ترشولد $$V_{TH}$$ قرار دهیم.