MOSFETは基本的に電界効果を利用したトランジスタです。MOSFETはMetalOxide Field Effect Transistorの略で、ゲートがあります。ゲート電圧はデバイスの導電率を決定します。このゲート電圧に応じて導電率を変更できるため、トランジスタをスイッチまたはアンプとして使用するように、スイッチまたはアンプとして使用できます。
バイポーラ接合トランジスタまたはBJTにはベース、エミッタ、およびコレクタがありますが、MOSFETにはゲート、ドレイン、およびソース接続があります。ピン構成以外に、BJTは動作のために電流を必要とし、MOSFETは電圧を必要とします。
MOSFETは非常に高い入力インピーダンスを提供し、バイアスをかけるのは非常に簡単です。したがって、リニア小型アンプの場合、MOSFETは優れた選択肢です。線形増幅は、中央に固定されたQポイントである飽和領域でMOSFETにバイアスをかけると発生します。
以下の画像では、基本的なNチャネルMOSFETの内部構造が示されています。MOSFETには、ドレイン、ゲート、ソースの3つの接続があります。ゲートとチャネルの間に直接接続はありません。ゲート電極は電気的に絶縁されているため、IGFETまたは絶縁ゲート電界効果トランジスタと呼ばれることもあります。
これは広く普及しているMOSFETIRF530Nの画像です。
MOSFETの種類
動作モードに基づいて、2つの異なるタイプのMOSFETが利用可能です。これらの2つのタイプには、さらに2つのサブタイプがあります
- 空乏型MOSFETまたは空乏モードのMOSFET
- NチャネルMOSFETまたはNMOS
- PチャネルMOSFETまたはPMOS
- エンハンスメント型MOSFETまたはエンハンスメントモード付きMOSFET
- NチャネルMOSFETまたはNMOS
- PチャネルMOSFETまたはPMOS
空乏型MOSFET
空乏型のMOSFETは通常、ゲート-ソース間電圧がゼロのときにオンになります。MOSFETがNチャネル空乏型MOSFETの場合、デバイスをオフにするために必要ないくつかのしきい値電圧があります。たとえば、しきい値電圧が-3Vまたは-5VのNチャネル空乏MOSFETの場合、デバイスをオフにするには、MOSFETのゲートを負の-3Vまたは-5Vにプルする必要があります。このしきい値電圧は、Nチャネルの場合は負になり、Pチャネルの場合は正になります。このタイプのMOSFETは、一般的に論理回路で使用されます。
エンハンスメント型MOSFET
エンハンスメントタイプのMOSFETでは、デバイスはゼロゲート電圧でオフのままです。MOSFETをオンにするには、最小のゲート-ソース間電圧（Vgsスレッショルド電圧）を提供する必要があります。ただし、ドレイン電流はこのゲート-ソース間電圧に大きく依存します。Vgsが増加すると、ドレイン電流も同じように増加します。エンハンスメントタイプのMOSFETは、アンプ回路の構築に最適です。また、空乏MOSFETと同様に、NMOSおよびPMOSサブタイプもあります。
MOSFETの特性と曲線
ドレインからソースに安定した電圧を供給することにより、MOSFETのIV曲線を理解することができます。上記のように、ドレイン電流はVgs、ゲートからソースへの電圧に大きく依存します。Vgsを変えると、ドレイン電流も変わります。
MOSFETのIV曲線を見てみましょう。
上の画像では、NチャネルMOSFETのIVスロープを見ることができます。この間、MOSFETはカットオフモードであり、Vgs電圧がしきい値電圧を下回るとドレイン電流は0になります。その後、ゲート-ソース間電圧が増加し始めると、ドレイン電流も増加します。
IRF530MOSFETのIV曲線の実際的な例を見てみましょう。
Vgsが4.5Vの場合、IRF530の最大ドレイン電流は25℃で1Aであることを示す曲線です。しかし、Vgsを5Vに増やすと、ドレイン電流はほぼ2Aになり、最終的に6VVgsで10Aを供給できます。ドレイン電流の。
MOSFETのDCバイアスとソース接地増幅
さて、今度はMOSFETを線形増幅器として使用する時です。MOSFETにバイアスをかけ、完全な動作領域で使用する方法を決定するのは難しい作業ではありません。
MOSFETは、オーム、飽和、ピンチオフポイントの3つの動作モードで動作します。線形領域とも呼ばれる飽和領域。ここでは、MOSFETを飽和領域で動作させ、完全なQポイントを提供します。
小信号（時変）を提供し、ゲートまたは入力にDCバイアスを適用すると、適切な状況下でMOSFETが線形増幅を提供します。
上の画像では、小さな正弦波信号（V gs）がMOSFETゲートに印加され、印加された正弦波入力に同期してドレイン電流が変動します。小信号Vgsの場合、g m = dI d / dVgsの傾きを持つQ点から直線を引くことができます。
上の画像に傾斜が見られます。これが相互コンダクタンスの傾きです。これは、増幅率の重要なパラメータです。この時点で、ドレイン電流の振幅は次のようになります。
id=gmx Vgs
ここで、上記の回路図を見ると、ドレイン抵抗R dは、式を使用してドレイン電流とドレイン電圧を制御できます。
Vds = Vdd-I d x Rd（V = I x Rとして）
AC出力信号はߡVdsであろう=-ߡIdがRdの= -g xはM XߡVgsはX RDは
方程式により、ゲインは次のようになります。
増幅された電圧ゲイン= -g m x Rd
したがって、MOSFETアンプの全体的なゲインは、相互コンダクタンスとドレイン抵抗に大きく依存します。
シングルMOSFETを使用した基本的なソース接地増幅器の構造
NチャネルシングルMOSFETを使用して単純なソース接地増幅器を作成するには、DCバイアス条件を実現することが重要です。この目的を果たすために、一般的な分圧器は、R1とR2の2つの単純な抵抗を使用して構成されています。ドレイン抵抗とソース抵抗として、さらに2つの抵抗が必要です。
値を決定するには、段階的な計算が必要です。
MOSFETには高い入力インピーダンスが備わっているため、動作状態ではゲート端子に電流は流れません。
ここで、デバイスを調べると、VDDに関連付けられた3つの抵抗があることがわかります（バイアス抵抗なし）。3つの抵抗は、Rd、MOSFETの内部抵抗、およびRsです。したがって、キルヒホッフの電圧法則を適用すると、これら3つの抵抗の両端の電圧はVDDに等しくなります。
今、オームの法則あたりとして、乗算我々 V =私はR.そうにXと私たちは、電圧取得する抵抗と電流の場合、ここでの電流は、電流またはIドレインであるD。したがって、Rdの両端の電圧はV = I D x Rdであり、電流が同じI Dであるため、Rsにも同じことが当てはまります。したがって、Rsの両端の電圧はVs = I D xRsです。MOSFETの場合、電圧はVDSまたはドレイン-ソース間電圧です。
今KVLに従って、
VDD = I D x Rd + V DS + I D x Rs VDD = I D（Rd + Rs）+ V DS （Rd + Rs）= V DD – V DS / I D
さらに評価することができます
RD =（V DD - V DS / I D） - R S Rはできcaluculatedルピー= VとしてS / I D
他の2つの抵抗値は、式V G = V DD（R2 / R1 + R2）によって決定できます。
あなたが値を持っていない場合は、式Vからそれを得ることができるG = V GS + V S
幸い、最大値はMOSFETのデータシートから入手できます。仕様に基づいて、回路を構築できます。
2つのカップリングコンデンサを使用して、カットオフ周波数を補償し、入力からのDCまたは最終出力に到達するDCをブロックします。DCバイアス分周器の等価抵抗を見つけて、目的のカットオフ周波数を選択することで、簡単に値を取得できます。式は次のようになります
C = 1 /2πf要件
ハイパワーアンプの設計では、以前にプッシュプル構成として2つのMOSFETを使用して50ワットのパワーアンプを構築しました。実際のアプリケーションについては、リンクをたどってください。