Qué es el amplificador MOSFET : Funcionamiento y sus aplicaciones
Un amplificador es un dispositivo eléctrico que sirve para aumentar la amplitud de la señal de entrada. Es una parte esencial de las fuentes de audio, como un tocadiscos o un reproductor de CD, y también de otros dispositivos, como ecualizadores, preamplificadores y altavoces. La subcategoría del amplificador es el Amplificador MOSFET que utiliza la tecnología MOSFET para procesar las señales digitales utilizando menos energía. En la actualidad, los amplificadores MOSFET son una opción de diseño en el 99% de los microchips de todo el mundo.
El amplificador MOSFET fue inventado y fabricado en 1959 por Dawon Kahng y Mohamed Atalla. Después, lo lanzaron como "dispositivo de superficie inducido por campo de dióxido de silicio" en la reunión de Dispositivos de Estado Sólido celebrada en la "Universidad de Carnegie Mellon" en Pittsburgh, Pensilvania, a principios de 1960. En este artículo se presenta una visión general de un amplificador MOSFET y su funcionamiento con aplicaciones.
¿Qué es un amplificador MOSFET?
Un amplificador que utiliza la tecnología de transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET) se conoce como amplificador MOSFET. El MOSFET también se llama transistor MOS (metal-óxido-silicio) y es un tipo de transistor de efecto de campo de puerta aislada. Este transistor se fabrica con material de silicio.
Este amplificador es el amplificador FET más utilizado. La principal ventaja de un transistor de efecto de campo utilizado con fines de amplificación es que tiene menos impedancia o/p y máxima impedancia i/p.
Circuito amplificador MOSFET y su funcionamiento
A continuación se muestra el circuito de un amplificador MOSFET. A continuación se muestra el diagrama de un circuito simple de un amplificador MOSFET. En este circuito, la tensión de drenaje (VD), la corriente de drenaje (ID), la tensión puerta-fuente (VGS) y las ubicaciones de la puerta, la fuente y el drenaje se mencionan mediante las letras "G", "S" y "D".
Generalmente, los MOSFETs funcionan en tres regiones, como la Lineal/Ohmica o la de Corte y Saturación. Entre estas tres regiones, cuando los MOSFET se utilizan como amplificadores, deben funcionar en una región óhmica en la que el flujo de corriente a través del dispositivo aumenta cuando se incrementa la tensión aplicada.
El MOSFET puede utilizarse como amplificador lineal de pequeña señal en muchas aplicaciones. Normalmente, en los circuitos amplificadores, los transistores de efecto de campo trabajan dentro de la región de saturación. Por tanto, en esta región, el flujo de corriente no depende de la tensión de drenaje (VD), sino que la corriente es la función principal de la tensión de puerta (VG) simplemente. En estos amplificadores, normalmente el punto de funcionamiento está dentro de la región de saturación.
En el amplificador MOSFET, un pequeño cambio en la tensión de puerta generará un gran cambio en la corriente de drenaje como en el JFET. Por tanto, el MOSFET aumentará la fuerza de una señal débil; en consecuencia, actúa como un amplificador.
Funcionamiento del amplificador MOSFET
Se puede diseñar un circuito completo de amplificador MOSFET incluyendo una fuente, un drenaje, una resistencia de carga y capacidades de acoplamiento al circuito anterior. A continuación se muestra el circuito de polarización del amplificador MOSFET.
El circuito de polarización anterior incluye un divisor de tensión, y su función principal es polarizar un transistor en un sentido. Por tanto, éste es el método de polarización más utilizado en los transistores. Utiliza dos resistencias para confirmar que la tensión se separa y & distribuye en el MOSFET en los niveles adecuados. Se realiza mediante dos resistencias paralelas R1 y R2. Los condensadores de acoplamiento C1 y C2 del circuito protegen la tensión continua de polarización de la señal alterna que se va a amplificar. Por último, la salida se entrega a una carga, formada por la resistencia RL. La tensión de polarización o de puerta puede venir dada por
VG = Vsupply x (R2/R1+R2)
Aquí, los valores de R1 y R2 suelen ser grandes para mejorar la impedancia de entrada del amplificador y también para reducir las pérdidas de potencia óhmica.
Tensiones de entrada y salida (Vin y Vout)
Para simplificar, debemos considerar que no hay carga conectada con la rama de drenaje en paralelo. La tensión de entrada (Vin) puede darse a través de la tensión de la puerta (G) a la fuente (S) como VGS. La caída de tensión a través de la resistencia RS puede venir dada por RS×ID.
Según la definición de transconductancia (gm), es la relación entre ID (corriente de drenaje) y VGS (tensión puerta-fuente) una vez que se aplica una tensión de drenaje-fuente constante.
(gm) = ID/VGS
Por tanto, ID = gm×VGS y la tensión de entrada (Vin) puede ser factorizada por VGS de la siguiente manera
Vin = VGS x (1+gmRs)
La tensión de salida (Vout) viene dada simplemente por la caída de tensión en la resistencia de drenaje (RD)
Vout = - RD x ID = -gmVGS RD
Ganancia de tensión
La ganancia de tensión (AV) es la relación entre la tensión de entrada y la de salida. Después de esta simplificación, la ecuación será
Av = - RD/Rs=1/gm
En la ecuación anterior, el signo "-" proviene del hecho de que el amplificador MOSFET invierte la señal o/p en equivalencia con el amplificador BJT CE. Por tanto, el desplazamiento de fase es de 180 ° o π rad.
Tipos de amplificadores MOSFET
Los amplificadores MOSFET están disponibles en tres tipos: de fuente común (CS), de puerta común (CG) y de drenaje común (CD).
Amplificador MOSFET de fuente común
El amplificador de fuente común puede definirse como cuando la señal i/p se da en ambos terminales de la puerta (G) y la fuente (S), la tensión o/p puede amplificarse y alcanzarse a través de la resistencia en la carga dentro del terminal de drenaje (D). En esta configuración, el terminal de la fuente actúa como terminal común entre el i/p y el o/p.
El amplificador MOSFET de fuente común está relacionado con el amplificador CE (de emisor común) de BJT. Es muy popular debido a la alta ganancia y a que se puede conseguir una mayor amplificación de la señal. A continuación se muestra el modelo de señal pequeña e híbrida π de un amplificador MOSFET de fuente común.
En el siguiente amplificador CS MOSFET de pequeña señal, la resistencia "RD" mide la resistencia entre el drenaje (D) y la tierra (G). Este circuito de pequeña señal puede sustituirse por el modelo híbrido-π que se muestra en la siguiente figura. Así, la corriente inducida en el puerto o/p es i = -gmvgs como se especifica a través de la fuente de corriente. Por lo tanto,
vo = -gmvgsRD
Al examinarlo, se observa que
Ren = ∞, vi = vsig, vgs = vi
Por tanto, la ganancia de tensión en circuito abierto es
Avo = vo/vi = -gmRD
Se puede sustituir un circuito lineal accionado por una fuente por su equivalencia Th'evenin.
A partir del circuito de pequeña señal, se puede cambiar la fracción de salida en el circuito por una equivalencia de Norton o de Thevenin. En este caso, es más conveniente utilizar la equivalencia de Norton. Para verificar la resistencia de la equivalencia de Norton, establece vi = 0, de modo que el circuito sea un circuito abierto, por lo que no hay flujo de corriente. Y mediante la técnica de la corriente de prueba, la resistencia o/p es
R0 = RD
La resistencia de carga (RL) está conectada al o/p a través de RD, entonces la ganancia de tensión en los terminales mediante la fórmula del divisor de tensión puede expresarse como
Av = Avo (RL/RL + Ro) = -gm (RDRL/RL + RD) = -gm(RD||RL)
A partir de la información de que Rin = ∞, después vi = vsig. Por tanto, la ganancia de tensión (Gv) es similar a la ganancia de tensión exacta (Av),
Gv = vo/vsig = -gm(RD|| RL)
Así, los amplificadores MOSFET CS tienen una impedancia i/p infinita, una resistencia o/p elevada y una ganancia de tensión alta. La resistencia de salida puede reducirse disminuyendo la RD, pero también la ganancia de tensión. Un amplificador MOSFET CS tiene un mal rendimiento en las altas frecuencias, como la mayoría de los amplificadores de transistores.
Amplificador de puerta común (CG)
Un amplificador de puerta común (CG) se utiliza normalmente como amplificador de tensión o amortiguador de corriente. En la configuración CG, el terminal de fuente (S) del transistor funciona como la entrada, mientras que el terminal de drenaje funciona como la salida y el terminal de puerta está conectado a tierra (G). La configuración de amplificador de puerta común se utiliza principalmente para proporcionar un alto aislamiento entre i/p y o/p para evitar la oscilación o una menor impedancia de entrada.
A continuación se muestran el modelo de señal pequeña y el modelo T de un circuito equivalente de amplificador de puerta común. Aquí, en el modelo "T", la corriente de puerta es siempre cero.
Si la tensión aplicada es "Vgs" y la corriente en la fuente es "Vgs*gm", entonces
R=V/I=>R=Vgs/Vgsgm=1/gm
Aquí, el amplificador de puerta común tiene menos resistencia de entrada, que puede darse como Rin = 1/gm.
La resistencia de entrada suele ser de unos cientos de ohmios. La tensión o/p puede darse como
vo = -iRD
donde i = -vi/1/gm = -gmvi
Por lo tanto, la tensión en circuito abierto puede darse como
Avo = vo/vi = gmRD
La resistencia de salida del circuito es Ro = RD
La pequeña impedancia i/p es perjudicial para la ganancia del amplificador. Así que por la fórmula del divisor de tensión, podemos obtener
Vi/vsig = Rin/ Rin + Rsig = 1/gm/1/gm + Rsig
El "vi" está atenuado respecto al vsig, porque el "Rsig" es normalmente superior a 1/gm.
Una vez que se conecta una resistencia de carga 'RL' al o/p, entonces la ganancia de tensión correcta es
Av = gmRD||
Por lo tanto, la ganancia de tensión se expresa como
Gv = (1/gm/Rsig + 1/gm) gm(RD||RL) = RD|RL/Rsig + 1/gm
Cuando la impedancia i/p es menor, es excelente para adaptar las fuentes a través de una impedancia i/p menor debido al teorema de la potencia máxima; sin embargo, extrae corriente adicional, lo que implica una alta utilización de la potencia de la fuente de la señal.
Así, el amplificador MOSFET de puerta común tiene una resistencia i/p menor '1/gm'. Por lo tanto, esto no es deseable, ya que extraerá una corriente enorme una vez que sea conducido a través de una tensión de entrada. La ganancia de voltaje del amplificador CG puede hacerse en magnitud relacionada con la del amplificador de fuente común una vez que RD||RL puede hacerse grande en comparación con Rsig + 1/gm. La resistencia o/p puede hacerse grande cuando Ro = RD. El rendimiento en frecuencia de este amplificador es alto.
Amplificador de drenaje común o seguidor del MOSFET de fuente
Un amplificador de drenaje común (CD) es aquel en el que la señal de entrada se da al terminal de puerta y la salida se obtiene del terminal de fuente, haciendo que el terminal de drenaje (D) sea común a ambos. El amplificador CD se utiliza con frecuencia como amortiguador de tensión para manejar pequeñas cargas i/p. Esta configuración proporciona una impedancia i/p extremadamente alta y una impedancia o/p baja.
Este circuito amplificador de drenaje común es similar al circuito seguidor de emisor del BJT. Por lo tanto, se utiliza como amortiguador de tensión. Este amplificador es un amplificador de ganancia unitaria que incluye una impedancia de entrada muy grande aunque una impedancia o/p menor. Por tanto, es excelente para la adaptación de un circuito de alta impedancia a un circuito de menor impedancia o a un circuito que funcione con una corriente de alimentación mayor.
A continuación se muestra el circuito equivalente de pequeña señal y modelo T del amplificador de drenaje común. En este circuito, la fuente de entrada i/p puede significarse mediante una tensión equivalente de Thevenin (vsig) y una resistencia (Rsig). Se puede conectar una resistencia de carga (RL) al o/p entre la fuente (S) y la tierra (G).
Dado que la corriente de puerta (IG) es cero para el circuito anterior,
Rin = ∞
Utilizando la fórmula del divisor de tensión, se observa que la ganancia de tensión correcta o la ganancia de tensión de los terminales es
Av = vo/vi = RL/RL + 1/gm
La ganancia de tensión de un circuito abierto (RL = ∞) & Avo = 1
La resistencia o/p se puede obtener cambiando el elemento correcto del amplificador MOSFET mediante la equivalencia de Thevenin. Utilizando la técnica de la corriente de prueba en este extremo, se fija el valor de Vi en 0, y por tanto
Ro = 1/gm
Debido a la impedancia de entrada infinita (Rin), vi = vsig, y la ganancia de tensión global, Gv es similar cuando la ganancia de tensión propia Av
Gv = Av = RL/RL + 1/gm
Como Ro = 1/gm es normalmente pequeño a través de una gran resistencia de carga "RL", la ganancia es inferior a la unidad, aunque se acerca a ella. Por lo tanto, se trata de un seguidor de fuente, ya que la tensión de la fuente sigue la tensión de i/p, pero puede suministrar una corriente mayor hacia el o/p que la corriente de i/p.
Problemas resueltos del amplificador MOSFET
A continuación se analizan los problemas de ejemplo del amplificador mosfet.
Ejemplo1:
Se diseña un amplificador mosfet con fuente común con un MOSFET de canal n. Su tensión umbral (Vth) es de 1,5 voltios y el parámetro de conducción (K) es de 40mA/V2. Si la tensión de alimentación es de +20 voltios y la resistencia de carga (RL) es de 450 ohmios. Averigua los valores de las resistencias necesarias para polarizar el amplificador MOSFET a 1/4(VDD). Para una forma de onda o/p sin distorsión y simétrica, fija la tensión de polarización de CC para el terminal de drenaje del MOSFET a la mitad de la tensión de alimentación.
Solución:
Los valores dados son VDD = +20v, Vth= +1,5v, k = 40mA/V2 y RD = 450Ω.
1). Corriente de drenaje (ID)
VD = VDD/2 = 20/2 = 10V
ID = VD/RD = 10/450 = 22mA
2). Tensión puerta-fuente (VGS)
ID = k(VGS-VTH)^2
VGS = √ID/K + Vth = √0,022/0,04 + 1,5 = 2,241V
3). Tensión de la puerta (VG)
VG = 1/3 VDD => 20/3 = 6,6V
VG = VGS + VS =>
Vs = VG - VGS = 6.6 - 2.24 = 4.36V
Una vez que se aplica el KVL a través del MOSFET, la tensión de la fuente de drenaje y VDS puede darse como
VDD = VD +VDS +VS
VDS = VDD - VD - VS
VDS = 20 - 10 - 4.36 = 5.64 V
4) Resistencia de la fuente (RS)
RS = VS/ID = 4,36/0,022 = 198,18 Ohmios
La relación de las resistencias divisoras de tensión, como R1 y R2, son necesarias para proporcionar 1/3VDD se mide como
VG = VDD (R2/R1+R2)
Si utilizamos R1 = 100kΩ y R2 = 50kΩ, se cumplirá la condición VG = 1/3VDD. Además, la combinación de resistencias de polarización proporcionará una resistencia i/p al amplificador MOSFET de 67kΩ.
Podemos conseguir este diseño un paso más midiendo los valores de los condensadores de acoplamiento de entrada y salida. Si la frecuencia de corte inferior del amplificador MOSFET es de 20 Hz, los valores de los dos condensadores se utilizan para calcular la impedancia de entrada de la red de polarización de puerta como
Rin = R1XR2/R1+R2 = 100X50/100+50 = 33 Kilo Ohmios
f(-3DB) = 20 Hz = 1/2πRinC
C = 1/2πfRin => 1/2πx20x33000 => 1/4144800 => 0,24 uF
Así, el circuito final del amplificador MOSFET de una etapa viene dado como
Ejemplo2:
el siguiente circuito amplificador CD MOSFET incluye un divisor de tensión de polarización, las dos resistencias como R1 = 2,5 M Ohm y R2 = 1,5 M Ohm respectivamente, entonces ¿cuál es el valor de Rin?
Los datos dados son: R1 = 2,5 M Ohm, R2 = 1,5 M Ohm
Entonces, Rin = R1||R2 => R1xR2/R1+R2
Sustituyendo los valores en la ecuación anterior, podemos obtener el valor de Rin.
Rin = 2,5×1,5/2,5+1,5
Rin = 2,5 M Ohm x1,5M Ohm/4M Ohm
Rin = 3,75/4 = 937,5 K Ohmios
Diferencia entre amplificador BJT y MOSFET
El diferencia entre el amplificador Mosfet y el amplificador de transistores se enumeran a continuación.
|
Amplificador BJT |
Amplificador MOSFET |
| El BJT incluye tres terminales como emisor, base y colector. | El MOSFET incluye tres terminales: fuente, drenaje y puerta. |
| Este transistor utiliza tres configuraciones como emisor común, base común y colector común. | Este transistor utiliza tres configuraciones como fuente común, drenaje común y puerta común. |
| Los BJT tienen menos impedancia de entrada | En los amplificadores MOSFET, excepto el amplificador CG, el CS y el CD tienen una alta impedancia de entrada |
| Los amplificadores BJT tienen una mayor transconductancia | Tiene menor transconductancia |
| Los BJT son comunes debido a su mayor accesibilidad comercial y a su larga historia. | Son amplificadores de circuito discreto |
| El amplificador BJT se utiliza cuando es necesaria una menor impedancia de entrada. El amplificador CB se utiliza en preamplificadores, micrófonos de bobina móvil, amplificadores de RF UGHF y VHF. | Los amplificadores MOSFET son aplicables en aplicaciones basadas en RF y también se utilizan en sistemas de sonido. La acción de conmutación de los MOSFETs puede utilizarse para hacer circuitos chopper |
Amplificador MOSFET frente a un amplificador normal
La diferencia entre amplificador mosfet vs amplificador normal es que el amplificador es un circuito electrónico que se utiliza para amplificar la amplitud de la señal que se da a sus terminales i/p y genera una señal de gran amplitud como salida.
Un amplificador mosfet es una subcategoría en los amplificadores que utilizan la tecnología de transistores de efecto de campo MOSFET o de óxido metálico-semiconductor para procesar señales digitales con un consumo de energía bastante menor.
Ventajas
El ventajas del amplificador MOSFET son las siguientes
- El amplificador Mosfet tiene bajas pérdidas.
- La velocidad de comunicación de este amplificador es alta.
- Es mejor en comparación con otros dispositivos como el tiristor, el IGBT, etc.
- Los amplificadores Mosfet ocupan menos espacio y son más rápidos.
- Consumen menos energía en comparación con los BJT.
- Los amplificadores FET tienen una impedancia i/p muy alta y una impedancia o/p baja.
El desventajas del amplificador MOSFET incluyen las siguientes.
- Su diseño es caro en comparación con los diseños normales
- La ganancia es muy pequeña
Aplicaciones
El aplicaciones de un amplificador MOSFET incluyen las siguientes.
- El amplificador MOSFET se utiliza para la amplificación de la señal.
- Se utilizan en los amplificadores lineales de pequeña señal debido a su alta impedancia de entrada, que hace que la polarización de estos amplificadores sea fácil.
- Los amplificadores MOSFET se utilizan mucho en aplicaciones de radiofrecuencia.
- El amplificador MOSFET es el amplificador FET más utilizado.
¿Por qué utilizar un MOSFET en lugar de un transistor?
Hay muchas razones para utilizar un MOSFET en lugar de un transistor: el Mosfet es más rápido, tiene una impedancia de entrada muy alta y es menos ruidoso.
¿Qué amplificador de potencia tiene la mayor eficiencia?
El amplificador de potencia de clase D tiene la mayor eficiencia en comparación con otros amplificadores como los de clase A, clase B, clase AB y clase C. El amplificador de clase D utiliza una tecnología de conmutación no lineal y los dispositivos de o/p pueden activarse o desactivarse.
¿Qué amplificador tiene la mayor ganancia?
El amplificador de transistor de emisor común (CE) tiene la mayor ganancia de tensión, de corriente y de potencia.
¿Un MOSFET aumenta la tensión?
La tensión máxima de entrada puede aumentarse añadiendo MOSFETs P adicionales en serie.
¿Cómo actúa un MOSFET como amplificador?
Un pequeño cambio en la tensión de puerta genera un gran cambio en la corriente de drenaje como en el JFET. Este hecho hace que el MOSFET amplifique una señal débil, por lo que actúa como amplificador.
Por tanto, se trata de una visión general del mosfet amplificador, tipos, funcionamiento, ejemplos de problemas, ventajas, desventajas y sus aplicaciones. En este amplificador, la señal de mando es una señal de puerta que controla el flujo de corriente entre la Fuente (S) y el Drenaje (D). Aquí tienes una pregunta, ¿qué es un amplificador BJT?
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