MOSFET에 대해 냥냥김치 알아보자.

FET 증폭기에 대한 이전 튜토리얼에서 우리는 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)를 사용하여 간단한 단일 스테이지 증폭기를 만들 수 있다는 것을 보았습니다. 그러나 구성 및 증폭에 사용할 수 있는 다른 유형의 전계 효과 트랜지스터가 있으며, 이 튜토리얼에서는 MOSFET 증폭기를 살펴보겠습니다 .

금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(줄여서 MOSFET)는 입력 임피던스가 매우 높아 바이어스하기 쉽기 때문에 소신호 선형 증폭기에 탁월한 선택입니다. 그러나 MOSFET이 선형 증폭을 생성하려면 양극성 접합 트랜지스터와 달리 포화 영역에서 작동해야 합니다. 그러나 BJT와 마찬가지로 중앙에 고정된 Q점을 중심으로 편향되어야 합니다.

일반적인 MOSFET 트랜지스터

MOSFET은 "채널"이라고 불리는 전도성 영역이나 경로를 통해 전류를 전달합니다. 적절한 게이트 전위를 적용하여 이 전도성 채널을 더 넓거나 더 작게 만들 수 있습니다.

이 게이트 전압을 가함으로써 게이트 단자 주변에 유도된 전기장은 채널의 전기적 특성에 영향을 미치므로 이름이 전계 효과 트랜지스터입니다 .

 

즉, 일반적으로 n채널 강화 모드 MOSFET이라고 불리는 MOSFET 유형을 생성하는 소스와 드레인 영역 사이의 전도성 채널을 생성하거나 "강화"하여 MOSFET의 작동 방식을 제어할 수 있습니다. 이는 단순히 게이트에서 양으로 바이어스하지 않는 한(p 채널의 경우 음으로) 채널 전류가 흐르지 않는다는 것을 의미합니다.

다양한 유형의 MOSFET의 특성에는 큰 차이가 있으므로 MOSFET의 바이어싱은 개별적으로 수행되어야 합니다. 바이폴라 트랜지스터 공통 이미터 구성과 마찬가지로 공통 소스 MOSFET 증폭기는 적절한 정지 값으로 바이어스되어야 합니다. 하지만 먼저 MOSFET의 기본 특성과 구성을 상기해 보겠습니다.

향상된 N채널 MOSFET

바이폴라 접합 트랜지스터와 FET 간의 근본적인 차이점은 BJT에는 컬렉터, 이미터 및 베이스라는 라벨이 붙은 터미널이 있는 반면 MOSFET에는 각각 드레인, 소스 및 게이트라는 라벨이 붙은 터미널이 있다는 점입니다.

또한 MOSFET은 BJT의 베이스-에미터 접합과 달리 게이트와 채널 사이에 직접적인 연결이 없다는 점에서 BJT와 다릅니다. 금속 게이트 전극이 전도성 채널로부터 전기적으로 절연되어 절연 게이트(Insulated Gate)라는 2차 이름을 갖게 되기 때문입니다. 전계 효과 트랜지스터 또는 IGFET.

n채널 MOSFET(NMOS)의 경우 기판 반도체 재료 위가 p형 이고 소스 및 드레인 전극이 n형임을 알 수 있습니다 . 공급 전압은 양수입니다. 게이트 단자를 양극으로 바이어스하면 게이트 영역 아래의 p형 반도체 기판 내의 전자가 해당 기판쪽으로 끌어당깁니다.

p형 기판 내에 자유 전자가 너무 많으면 p형 영역의 전기적 특성이 반전됨에 따라 전도성 채널이 나타나거나 성장하게 되어 p형 기판을 n형 물질로 효과적으로 변경되어 채널 전류가 흐르게 됩니다. .

p-채널 MOSFET(PMOS)의 경우에도 그 반대가 적용됩니다. 여기서 음의 게이트 전위로 인해 정공이 금속 게이트 전극의 외부 면에 있는 전자에 끌려 게이트 영역 아래에 정공이 형성됩니다. 결과적으로 n형 기판은 p형 전도성 채널을 생성합니다.

따라서 n형 MOS 트랜지스터의 경우 게이트에 더 많은 양의 전위를 가할수록 게이트 영역 주위에 전자가 더 많이 축적되고 전도성 채널이 더 넓어집니다. 이는 채널을 통한 전자 흐름을 향상시켜 더 많은 채널 전류가 드레인에서 소스로 흐르도록 하여 강화 MOSFET 이라는 이름을 갖게 되었습니다 .

강화 MOSFET 증폭기

강화 MOSFET 또는 eMOSFET는 일반적으로 꺼진(비도통) 장치로 분류될 수 있습니다. 즉, 적절한 게이트-소스 양 전압이 적용될 때만 작동합니다. 게이트 전압은 0이다.

그러나 강화형 MOSFET의 구성 및 물리적 특성으로 인해 게이트가 전도를 시작하여 드레인 전류가 흐르기 전에 게이트에 적용되어야 하는 임계 전압 VTH 라고 하는 최소 게이트- 소스 전압이 있습니다.

즉, 강화 MOSFET은 게이트-소스 전압 VGS 가 임계 전압 VTH 보다 낮을 때 전도되지 않지만 게이트 순방향 바이어스가 증가함에 따라 드레인 전류 ID ( 드레인 -소스 전류라고도 함) I DS )도 바이폴라 트랜지스터와 유사하게 증가하여 eMOSFET이 MOSFET 증폭기 회로에 사용하기에 이상적이게 됩니다.

 

MOS 전도성 채널의 특성은 게이트에 의해 제어되는 가변 저항으로 생각할 수 있습니다. 따라서 이 n-채널을 통해 흐르는 드레인 전류의 양은 게이트-소스 전압에 따라 달라지며 MOSFET을 사용하여 수행할 수 있는 많은 측정 중 하나는 전달 특성 그래프를 플롯하여 드레인 전류와 소스 사이의 관계를 보여주는 것입니다. 그림과 같이 게이트 전압.

N채널 eMOSFET IV 특성

eMOSFET 전체에 연결된 고정 V DS 드레인-소스 전압을 사용하여 드레인 전류 값, I D 를 다양한 V GS 값으로 플롯하여 MOSFET 순방향 DC 특성 그래프를 얻을 수 있습니다. 이러한 특성은 트랜지스터의 상호 컨덕턴스( gm) 를 제공합니다.

이 상호 컨덕턴스는 출력 전류를 트랜지스터의 이득을 나타내는 입력 전압과 연관시킵니다. 따라서 임의의 지점에서 상호 컨덕턴스 곡선의 기울기는 다음과 같이 제공됩니다. V DS 의 상수 값에 대해 gm = I D /V GS .

예를 들어, MOS 트랜지스터가 V GS = 3v일 때 2mA의 드레인 전류를 전달하고 V GS = 7v  일 때 14mA의 드레인 전류를 전달 한다고 가정합니다  . 그 다음에:

이 비율을 트랜지스터 정적 또는 DC 상호 컨덕턴스라고 하며 이는 "전송 컨덕턴스"의 약자이며 볼트당 암페어로 Siemens(S) 단위로 표시됩니다. MOSFET 증폭기의 전압 이득은 상호 컨덕턴스와 드레인 저항의 값에 정비례합니다.

V GS  = 0 에서는 게이트 주변의 전계 효과가 n형 채널을 생성하거나 "열기"에 충분하지 않기 때문에 MOS 트랜지스터 채널을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 그런 다음 트랜지스터는 개방 스위치 역할을 하는 차단 영역에 있습니다. 즉, 게이트 전압이 0인 경우 n채널 eMOSFET은 일반적으로 꺼진 상태라고 하며 이 "OFF" 상태는 eMOSFET 기호에서 끊어진 채널 라인으로 표시됩니다(연속적인 채널 라인을 갖는 공핍 유형과 달리). .

이제 양의 게이트-소스 전압 VGS 를 점진적으로 증가 시키면 전계 효과가 채널 영역 전도성을 향상시키기 시작하고 채널이 전도되기 시작하는 지점이 됩니다. 이 지점은 임계 전압 VTH 로 알려져 있습니다 . V GS를 더 긍정적으로 증가시키면 드레인 전류의 양에 따라 전도성 채널이 더 넓어지고(저항이 적어짐) 결과적으로 I D 가 증가합니다. MOSFET 증폭기에 극도로 높은 입력 임피던스를 제공하는 채널과 전기적으로 절연되어 있기 때문에 게이트는 전류를 전혀 전도하지 않는다는 점을 기억하십시오.

따라서 n채널 강화 MOSFET은 게이트-소스 전압 V GS가 임계 전압 레벨 V TH 보다 낮을 때 차단 모드에 있게 되며 V GS가 이 임계 레벨보다 높을 때 채널이 전도되거나 포화됩니다 . eMOS 트랜지스터가 포화 영역에서 작동할 때 드레인 전류 ID 는 다음과 같이 계산됩니다.

eMOSFET 드레인 전류

k (전도 매개변수) 및 VTH ( 임계 전압) 값은 eMOSFET마다 다르며 물리적으로 변경할 수 없습니다. 이는 트랜지스터 제조 중에 내장되는 재료 및 장치 기하학적 구조와 관련된 특정 사양이기 때문입니다.

오른쪽의 정적 전달 특성 곡선은 일반적으로 모양이 포물선(제곱법칙)이며 선형입니다. 주어진 게이트-소스 전압 V GS 의 증가에 대한 드레인 전류 I D 의 증가는 V DS 의 일정한 값에 대한 곡선의 기울기 또는 기울기를 결정합니다 .

그러면 강화 MOS 트랜지스터를 "ON"으로 전환하는 것이 점진적인 과정이라는 것을 알 수 있으며, MOSFET을 증폭기로 사용하려면 임계값 레벨보다 높은 특정 지점에서 게이트 단자를 바이어스해야 합니다.

두 개의 개별 전압 공급 장치를 사용하는 것부터 드레인 피드백 바이어싱, 제너 다이오드 바이어싱 등 다양한 방법으로 이를 수행할 수 있습니다. 그러나 어떤 바이어싱 방법을 사용하든 게이트 전압이 게이트 전압보다 더 양수인지 확인해야 합니다. VTH 보다 많은 양을 소싱 합니다 . 이 MOSFET 증폭기 튜토리얼에서는 이제 친숙한 범용 전압 분배기 바이어싱 회로를 사용합니다.

MOSFET DC 바이어스

범용 전압 분배기 바이어싱 회로는 MOSFET 증폭기뿐만 아니라 바이폴라 트랜지스터 증폭기의 원하는 DC 작동 조건을 설정하는 데 사용되는 널리 사용되는 바이어싱 기술입니다. 전압 분배기 바이어싱 네트워크의 장점은 MOSFET 또는 실제로 바이폴라 트랜지스터가 단일 DC 전원에서 바이어스될 수 있다는 것입니다. 하지만 먼저 MOSFET 증폭기의 게이트를 바이어스할 위치를 알아야 합니다.

MOSFET 장치에는 세 가지 다른 작동 영역이 있습니다. 이러한 영역을 저항/삼극관 영역 , 채도/선형 영역 및 핀치오프 지점 이라고 합니다 . MOSFET이 선형 증폭기로 작동하려면 잘 정의된 대기 동작 지점, 즉 Q점을 설정해야 하므로 포화 영역에서 작동하도록 바이어스되어야 합니다. MOSFET의 Q점은 MOSFET 출력 특성 곡선의 중앙에 동작점을 배치하는 DC 값, I D 및 V GS 로 표시됩니다.

위에서 본 것처럼 포화 영역은 VGS 가 VTH 임계 값 레벨 보다 높을 때 시작됩니다 . 따라서 게이트 입력에서 이 DC 바이어스에 중첩되는 작은 AC 신호를 적용하면 MOSFET은 그림과 같이 선형 증폭기로 작동합니다.

eMOSFET DC 바이어스 포인트

위의 공통 소스 NMOS 회로는 정현파 입력 전압 Vi 가 DC 소스와 직렬로 연결되어 있음을 보여줍니다. 이 DC 게이트 전압은 바이어스 회로에 의해 설정됩니다. 그러면 총 게이트-소스 전압 은 V GS 와 Vi 의 합이 됩니다 .

DC 특성 및 이에 따른 Q점(정지점)은 모두 게이트 전압 V GS , 공급 전압 V DD 및 부하 저항 R D 의 함수입니다 .

MOS 트랜지스터는 포화 영역 내에서 바이어스되어 트랜지스터 Q 지점을 정의하는 원하는 드레인 전류를 설정합니다. V GS 의 순시값이 증가함에 따라 바이어스 포인트는 그림과 같이 곡선 위로 이동하여 V DS가 감소함에 따라 더 큰 드레인 전류가 흐르도록 합니다.

마찬가지로 V GS 의 순간 값 이 감소하면(입력 사인파의 음의 절반 동안) 바이어스 포인트가 곡선 아래로 이동하고 V GS 가 작을수록 드레인 전류가 작아지고 V DS 가 증가합니다 .

그런 다음 큰 출력 스윙을 설정하려면 트랜지스터가 전체 정현파 입력 사이클 동안 포화 상태를 유지하도록 임계값 레벨보다 훨씬 높게 트랜지스터를 바이어스해야 합니다. 그러나 사용할 수 있는 게이트 바이어스 및 드레인 전류의 양에는 제한이 있습니다. 출력의 최대 전압 스윙을 허용하려면 Q 포인트가 공급 전압 V DD 와 임계 전압 V TH 사이의 대략 중간에 위치해야 합니다 .

예를 들어, 단일 스테이지 NMOS 공통 소스 증폭기를 구성한다고 가정해 보겠습니다. eMOSFET의 임계 전압 V TH 는 2.5V이고 공급 전압 V DD 는 +15V입니다. 그러면 DC 바이어스 포인트는 15 – 2.5 = 12.5v 또는 6V(가장 가까운 정수 값)가 됩니다 .

MOSFET I D – V DS 특성

위에서 우리는 공급 전압 V DD 를 일정하게 유지하고 게이트 전압 V G 를 증가시켜 MOSFET 순방향 DC 특성의 그래프를 구성할 수 있다는 것을 확인했습니다 . 그러나 MOSFET 증폭기 회로 내에서 사용할 n형 강화 MOS 트랜지스터의 작동에 대한 완전한 그림을 얻으려면 V DD 및 V GS 의 다양한 값에 대한 출력 특성을 표시해야 합니다 .

NPN 양극성 접합 트랜지스터 와 마찬가지로 n채널 강화 모드 MOS 트랜지스터에 대해 VG 의 양의 값을 증가시키기 위한 드레인 전류, I D 를 보여주는 출력 특성 곡선 세트를 구성할 수 있습니다 .

N형 eMOSFET 특성 곡선

p-채널 eMOSFET 장치는 매우 유사한 드레인 전류 특성 곡선 세트를 갖지만 게이트 전압의 극성은 반전됩니다.

기본 공통 소스 MOSFET 증폭기

이전에는 n형 eMOSFET을 바이어스하기 위해 원하는 DC 작동 조건을 설정하는 방법을 살펴보았습니다. 입력에 작은 시변 신호를 적용하면 올바른 상황에서 MOSFET 회로는 트랜지스터 Q 포인트가 포화 영역의 중심 근처 어딘가에 있고 입력 신호가 충분히 작다면 선형 증폭기로 작동할 수 있습니다. 출력이 선형으로 유지되도록 합니다. 아래의 기본 MOSFET 증폭기 회로를 고려하십시오.

기본 MOSFET 증폭기

이 간단한 강화 모드 공통 소스 MOSFET 증폭기 구성은 드레인에서 단일 전원을 사용하고 저항 분배기를 사용하여 필요한 게이트 전압 VG 를 생성합니다. MOSFET의 경우 게이트 단자로 전류가 흐르지 않는다는 점을 기억하고 이를 통해 MOSFET 증폭기 DC 작동 조건에 대해 다음과 같은 기본 가정을 할 수 있습니다.

그러면 우리는 다음과 같이 말할 수 있습니다.

MOSFET의 게이트-소스 전압 VGS 는 다음과 같이 주어진다.

위에서 본 것처럼 MOSFET의 올바른 작동을 위해서는 이 게이트-소스 전압이 MOSFET의 임계 전압보다 커야 합니다. 즉, V GS  > V TH 입니다 . I S  = I D 이므로 게이트 전압 V G 도 동일합니다.

MOSFET 증폭기 게이트 전압을 이 값으로 설정하기 위해 전압 분배기 네트워크 내의 저항기 R1 및 R2 값을 올바른 값으로 선택합니다. 위에서 알 수 있듯이 "전류 없음"은 MOSFET 장치의 게이트 단자로 흐르므로 전압 분배 공식은 다음과 같습니다.

MOSFET 증폭기 게이트 바이어스 전압

이 전압 분배기 방정식은 두 개의 바이어스 저항 R1 과 R2 의 비율만 결정하며 실제 값은 결정하지 않습니다. 또한 I 2 *R 전력 손실을 줄이고 MOSFET 증폭기 입력 저항을 높이기 위해 이들 두 저항기의 값을 가능한 한 크게 만드는 것이 바람직합니다 .

MOSFET 증폭기 예 No1

공통 소스 MOSFET 증폭기는 전도 매개변수가 50mA/V 2 이고 임계 전압이 2.0V인 n채널 eMOSFET을 사용하여 구성됩니다 . 공급 전압이 +15V이고 부하 저항이 470Ω인 경우 MOSFET 증폭기를 1/3(V DD )로 바이어스하는 데 필요한 저항 값을 계산합니다. 회로도를 그려보세요.

주어진 값: V DD  = +15v , V TH  = +2.0v , k = 50mA/V 2 및 R D  = 470Ω .

왜곡되지 않고 대칭적인 출력 파형을 얻으려면 드레인 단자의 DC 바이어싱 전압을 공급 전압의 절반으로 설정하십시오.

1. 드레인 전류, I D

2. 게이트-소스 전압, V GS

3. 게이트 전압, V G

따라서 MOSFET에 KVL을 적용하면 드레인-소스 전압 VDS 는 다음과 같이 주어진다.

4. 소스 저항, R S

1/3V DD를 제공하는 데 필요한 전압 분배기 저항 R1 과 R2 의 비율은 다음과 같이 계산됩니다.

R1 = 200kΩ 및 R2 = 100kΩ을 선택하면 V G  = 1/3V DD 조건을 충족합니다 . 또한 이러한 바이어스 저항 조합은 MOSFET 증폭기에 약 67kΩ 의 입력 저항을 제공합니다 .

입력 및 출력 커플링 커패시터의 값을 계산하여 이 설계를 한 단계 더 발전시킬 수 있습니다. MOSFET 증폭기의 차단 주파수를 20Hz로 가정하면 게이트 바이어싱 네트워크의 입력 임피던스를 고려한 두 커패시터의 값은 다음과 같이 계산됩니다.

그런 다음 단일 스테이지 MOSFET 증폭기 회로의 최종 회로는 다음과 같습니다.

단일 스테이지 MOSFET 증폭기

MOSFET 증폭기 요약

MOSFET 증폭기 또는 모든 증폭기의 주요 목표는 입력 신호를 충실히 재현하지만 크기가 증폭된 출력 신호를 생성하는 것입니다. 이 입력 신호는 전류 또는 전압일 수 있지만 MOSFET 장치가 증폭기로 작동하려면 포화 영역 내에서 작동하도록 바이어스되어야 합니다.

향상 모드 MOSFET에는 n채널과 p채널이라는 두 가지 기본 유형이 있으며, 이 MOSFET 증폭기 튜토리얼에서는 n채널 향상 MOSFET을 살펴보았습니다. NMOS는 포지티브 게이트로 작동할 수 있으므로 NMOS라고도 합니다. 소스에 대한 음의 게이트 및 드레인 전압으로 작동하는 p-채널 PMOS와는 반대로 소스에 대한 드레인 전압이 있습니다.

MOSFET 장치의 포화 영역 은 임계 전압 VTH 보다 높은 정전류 영역입니다 . 포화 영역에서 드레인 전류가 올바르게 바이어스되면 드레인 전류를 포화라고 부르기 때문에 ID 는 드레인-소스 전압 VDS 가 아니라 게이트-소스 전압 VGS 의 결과로 달라 집니다 .

향상 모드 MOSFET에서는 게이트 전압을 적용하여 생성된 정전기장이 공핍 모드 MOSFET의 경우처럼 채널을 고갈시키는 대신 채널의 전도성을 향상시킵니다.

임계 전압은 소스와 드레인 사이에 채널을 형성하는 데 필요한 최소 게이트 바이어스입니다. 이 값 이상에서는 드레인 전류가 포화 영역의 (V GS – V TH ) 2 에 비례하여 증가하여 증폭기로 작동할 수 있습니다.