MOSFET sebagai Penguat (Amplifier)

Penguat Amplifier MOSFET menggunakan transistor silikon oksida logam yang terhubung dalam konfigurasi common source.

Dalam tutorial kami sebelumnya tentang penguat amplifier FET, kami melihat bahwa amplifier satu tahap sederhana dapat dibuat menggunakan junction field effect transistor, atau JFET. Tetapi ada jenis lain dari transistor efek medan yang tersedia yang dapat digunakan untuk membangun dan penguat, dan dalam tutorial ini kita akan melihat Penguat (Amplifier) MOSFET.

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, atau singkatnya MOSFET, adalah pilihan yang sangat baik untuk penguat linier sinyal kecil karena impedansi inputnya sangat tinggi sehingga mudah bias. Tetapi untuk MOSFET untuk menghasilkan amplifikasi linier, ia harus beroperasi di wilayah jenuh, tidak seperti Bipolar Junction Transistor (BJT). Tapi seperti halnya transistor BJT, itu juga perlu bias di sekitar titik-Q yang terpusat.

MOSFET berjalan melalui daerah konduktif atau jalur yang disebut “channel”. Kita dapat membuat channel konduktif ini lebih luas atau lebih kecil dengan menerapkan potensi gate/gerbang yang sesuai.

Medan listrik yang diinduksi di sekitar terminal gerbang oleh penerapan tegangan gerbang ini memengaruhi karakteristik listrik channel, sehingga dinamakan transistor efek medan. Atau dengan kata lain, kita bisa mengontrol MOSFET yang bekerja yaitu dengan membuat atau “meningkatkan” saluran konduktif antara sumber dan area drain yang akan menghasilkan jenis MOSFET yang biasa disebut dengan n-channel Enhancement-mode MOSFET, yang hanya berarti bahwa kecuali kita bias positif di gerbang (negatif untuk saluran-p), tidak ada arus saluran yang akan mengalir.

Ada variasi besar dalam karakteristik berbagai jenis MOSFET, dan karenanya bias MOSFET harus dilakukan secara individual. Seperti dengan konfigurasi transistor bipolar common emitter, penguat MOSFET common source perlu bias pada nilai diam yang sesuai. Tetapi pertama-tama mari kita ingatkan diri kita sendiri tentang karakteristik dan konfigurasi dasar MOSFET.

Peningkatan N-channel MOSFET

Perhatikan bahwa perbedaan mendasar antara Bipolar Junction Transistor dan Field Effect Transistor adalah bahwa Transistor BJT memiliki terminal berlabel Collector, Emitter dan Base, sementara MOSFET memiliki terminal yang masing-masing diberi label Drain, Source, dan Gate.

Juga MOSFET berbeda dari Transistor BJT dalam hal tidak ada koneksi langsung antara gate dan channel, tidak seperti sambungan base-emitter dari transistor BJT, karena elektroda gerbang logam secara elektrik terisolasi dari saluran konduktif sehingga memberinya nama sekunder dari Insulated Gate Field Effect Transistor, atau IGFET.

Kita dapat melihat bahwa untuk n-channel MOSFET (NMOS) di atas bahan semikonduktor substrat adalah tipe-p, sedangkan elektroda sumber dan drain adalah tipe-n. Tegangan supply akan positif. Bila terminal gerbang positif menarik elektron dalam substrat semikonduktor tipe-p di bawah wilayah gerbang ke arahnya.

Kelimpahan lebih dari elektron bebas dalam substrat tipe-p menyebabkan saluran konduktif muncul atau tumbuh ketika sifat listrik dari daerah tipe-p terbalik, secara efektif mengubah substrat tipe-p menjadi bahan tipe-n yang memungkinkan saluran arus mengalir .

Kebalikannya juga berlaku untuk MOSFET saluran-p (PMOS), di mana potensi gerbang negatif menyebabkan pembentukan lubang di bawah wilayah gerbang karena mereka tertarik ke elektron di sisi luar elektroda gerbang logam. Hasilnya adalah substrat tipe-n membuat saluran konduktif tipe-p.

Jadi untuk transistor MOS tipe-n kami, semakin besar potensi positif yang kami taruh di gerbang, semakin besar penumpukan elektron di sekitar wilayah gerbang dan semakin lebar saluran konduktif. Ini meningkatkan aliran elektron melalui saluran yang memungkinkan lebih banyak saluran mengalir dari saluran ke sumber yang mengarah ke Peningkatan atau Enhancement MOSFET .

Penguat Amplifier eMOSFET

Enhancement MOSFET, atau eMOSFET, dapat digolongkan sebagai perangkat yang tidak aktif (non-conducting), yaitu mereka hanya melakukan ketika tegangan positif gerbang-ke-sumber diterapkan, tidak seperti MOSFET tipe deplesi yang biasanya pada perangkat melakukan ketika tegangan gerbang adalah nol.

Namun, karena konstruksi dan fisik dari perangkat tambahan tipe MOSFET, ada tegangan gerbang-ke-sumber minimum, yang disebut tegangan ambang V_TH yang harus diterapkan ke pintu gerbang sebelum mulai melakukan pengaliran yang memungkinkan mengalirnya arus mengalir.

Dengan kata lain, peningkatan MOSFET tidak berjalan ketika tegangan sumber gerbang, V_GS kurang dari tegangan ambang batas, V_TH tetapi karena bias maju meningkat, arus drain, I_D (juga dikenal sebagai arus drain-source I_D ) juga akan meningkat, mirip dengan transistor bipolar, membuat eMOSFET ideal untuk digunakan dalam rangkaian penguat MOSFET.

Karakteristik saluran konduktif MOS dapat dianggap sebagai variabel resistor yang dikendalikan oleh gerbang. Jumlah arus drain yang mengalir melalui saluran-n ini karena itu tergantung pada tegangan gerbang-sumber dan salah satu dari banyak pengukuran yang dapat kita ambil menggunakan MOSFET adalah untuk merencanakan grafik karakteristik transfer untuk menunjukkan hubungan i-v antara arus drain dan tegangan gerbang seperti yang ditunjukkan.

Karakteristik I–V dari N-channel eMOSFET

Dengan tegangan sumber drain V_DS tetap yang terhubung melintasi eMOSFET kita dapat memplot nilai arus drain, I_D dengan nilai V_GS yang bervariasi untuk mendapatkan grafik dari MOSFET yang meneruskan karakteristik DC. Karakteristik ini memberikan transkonduktansi, gm dari transistor.

Transkonduktansi ini menghubungkan arus output ke tegangan input yang mewakili penguatan transistor. Kemiringan kurva transkonduktansi pada setiap titik sepanjang itu karenanya diberikan sebagai: gm = I_D/V_GS untuk nilai konstan V_DS.

Jadi misalnya, asumsikan sebuah transistor MOS melewatkan arus pembuangan 2mA ketika V_GS = 3v dan arus pembuangan 14mA ketika V_GS = 7v. Kemudian:

Rasio ini disebut transistor statis atau transkonduktansi DC yang merupakan kependekan dari “transfer conductance” dan diberikan unit Siemens (S), sebagai amp per voltnya. Gain tegangan penguat MOSFET berbanding lurus dengan transkonduktansi dan nilai resistor drain.

Pada V_GS = 0, tidak ada arus yang mengalir melalui saluran transistor MOS karena efek medan di sekitar gerbang tidak cukup untuk membuat atau “membuka” saluran tipe-n. Kemudian transistor berada di daerah cut-off yang bertindak sebagai sakelar terbuka.

Dengan kata lain, dengan tegangan gerbang nol yang diterapkan eMOSFET n-channel dikatakan normal-off dan kondisi “OFF” ini diwakili oleh garis saluran yang rusak dalam simbol eMOSFET (tidak seperti tipe deplesi yang memiliki saluran saluran kontinu) .

Seperti kita sekarang secara bertahap meningkatkan tegangan sumber gerbang positif V_GS, efek medan mulai meningkatkan konduktivitas daerah saluran dan ada titik di mana saluran mulai berjalan. Titik ini dikenal sebagai ambang tegangan V_TH. Ketika kami meningkatkan V_GS lebih positif, saluran konduktif menjadi lebih luas (lebih sedikit resistansi) dengan jumlah arus drain, I_D meningkat sebagai hasilnya.

Ingatlah bahwa gerbang tidak pernah melakukan arus apa pun karena listriknya terisolasi dari saluran sehingga memberikan amplifier MOSFET impedansi input yang sangat tinggi.

Oleh karena itu MOSFET peningkatan n-channel akan berada dalam mode cut-off ketika tegangan sumber gerbang, V_GS kurang dari level tegangan ambangnya, V_TH dan salurannya berjalan atau jenuh ketika V_GS berada di atas level ambang ini. Ketika transistor eMOS beroperasi di daerah saturasi, arus pembuangan, I_D diberikan oleh:

Arus Drain eMOSFET

I_D = k (V_GS – V_TH)²

Perhatikan bahwa nilai k (parameter konduksi) dan V_TH (tegangan ambang) bervariasi dari satu eMOSFET ke yang berikutnya dan tidak dapat diubah secara fisik. Ini karena mereka adalah spesifikasi spesifik yang berkaitan dengan material dan perangkat geometri yang dibangun selama pembuatan transistor.

Kurva karakteristik transfer statis di sebelah kanan umumnya berbentuk parabola (kuadrat) dan kemudian linier. Peningkatan arus drain, I_D untuk peningkatan tegangan sumber gerbang, V_GS menentukan kemiringan atau gradien kurva untuk nilai konstan V_DS.

Kemudian kita dapat melihat bahwa mengubah transistor MOS perangkat tambahan “ON” adalah proses bertahap dan agar kita dapat menggunakan MOSFET sebagai penguat kita harus membiaskan terminal gate-nya di beberapa titik di atas level ambangnya.

Ada banyak cara kita dapat melakukan ini dari menggunakan dua supply tegangan yang terpisah, untuk mengalirkan umpan balik biasing, ke biasing dioda zener, dll. sumber dengan jumlah yang lebih besar dari V_TH. Dalam tutorial amplifier MOSFET ini kita akan menggunakan rangkaian biasing pembagi tegangan universal yang sekarang familiar.

Bias DC MOSFET

Rangkaian bias pembagi tegangan universal adalah teknik bias populer yang digunakan untuk menetapkan kondisi operasi DC yang diinginkan dari penguat transistor bipolar serta penguat MOSFET.

Kelebihan dari jaringan biasing pembagi tegangan adalah bahwa MOSFET, atau memang transistor bipolar, dapat dibiaskan dari supply DC tunggal. Tapi pertama-tama kita perlu tahu di mana gerbang bias untuk penguat MOSFET kita.

Perangkat MOSFET memiliki tiga wilayah operasi yang berbeda. Wilayah-wilayah ini disebut: Wilayah Ohmic/Triode, Wilayah Saturation/Linear dan Pinch-off point.

Agar MOSFET beroperasi sebagai penguat linier, kita perlu menetapkan titik operasi diam yang terdefinisi dengan baik, atau titik-Q, sehingga ia harus bias beroperasi di wilayah saturasinya. Titik-Q untuk MOSFET diwakili oleh nilai-nilai DC, I_D dan V_GS yang memposisikan titik operasi secara terpusat pada kurva karakteristik output MOSFET.

Seperti yang telah kita lihat di atas, wilayah saturasi dimulai ketika V_GS berada di atas level ambang V_TH. Oleh karena itu jika kita menerapkan sinyal AC kecil yang ditumpangkan ke bias DC ini pada input gerbang, maka MOSFET akan bertindak sebagai penguat linier seperti yang ditunjukkan.

Titik Bias DC eMOSFET

Rangkaian common-source NMOS di atas menunjukkan bahwa tegangan input sinusoidal, V_i adalah seri dengan sumber DC. Tegangan gerbang DC ini akan diatur oleh rangkaian bias. Maka total tegangan sumber gerbang adalah jumlah dari V_GS dan V_i.

Karakteristik DC dan karena itu Q-point (titik diam) semua fungsi dari tegangan gerbang V_GS, tegangan supply V_DD dan resistansi beban R_D.

Transistor MOS bias dalam wilayah saturasi untuk menetapkan arus drain yang diinginkan yang akan menentukan titik-Q transistor. Saat nilai instan V_GS meningkat, titik bias bergerak ke atas kurva seperti yang ditunjukkan memungkinkan aliran drain yang lebih besar untuk mengalir seiring V_DS berkurang.

Demikian juga, ketika nilai sesaat dari V_GS menurun (selama setengah negatif dari gelombang sinus input), titik bias bergerak ke bawah kurva dan hasil V_GS yang lebih kecil menghasilkan arus drain yang lebih kecil dan peningkatan V_DS.

Kemudian untuk membuat ayunan output yang besar, kita harus membuat bias transistor jauh di atas ambang batas untuk memastikan bahwa transistor tetap berada dalam kejenuhan selama siklus input sinusoidal penuh.

Namun, ada batasan jumlah gerbang bias dan arus drain yang bisa kita gunakan. Untuk memungkinkan ayunan tegangan maksimum dari output, titik-Q harus diposisikan kira-kira di tengah-tengah antara tegangan suplai V_DD dan tegangan ambang V_TH.

Baca Juga

Jadi misalnya, mari kita asumsikan kita ingin membangun satu tahap amplifier sumber umum NMOS. Tegangan ambang, V_TH dari eMOSFET adalah 2.5 volt dan tegangan supply, V_DD adalah +15 volt. Kemudian titik bias DC adalah 15 – 2.5 = 12.5v atau 6 volt ke nilai integer terdekat.

Karakteristik MOSFET I_D– V_DS

Kita telah melihat di atas bahwa kita dapat membangun sebuah grafik dari MOSFET meneruskan karakteristik DC dengan menjaga supply tegangan, V_DD konstan dan meningkatkan tegangan gerbang, V_G.

Tetapi untuk mendapatkan gambaran lengkap tentang operasi transistor MOS peningkatan tipe-n untuk digunakan dalam rangkaian penguat MOSFET, kita perlu menampilkan karakteristik output untuk nilai yang berbeda dari V_DD dan V_GS.

Seperti dengan Transistor Bipolar NPN, kita bisa membangun satu set karakteristik output kurva menunjukkan arus drain, I_D untuk meningkatkan nilai-nilai positif dari V_G untuk perangkat tambahan-mode MOS transistor n-channel seperti yang ditunjukkan.

Kurva Karakteristik eMOSFET tipe-N

Perhatikan bahwa perangkat eMOSFET channel-p akan memiliki rangkaian kurva karakteristik arus drain yang sangat mirip tetapi polaritas tegangan gerbang akan dibalik.

Dasar Penguat MOSFET Common Source

Sebelumnya kita melihat bagaimana menetapkan kondisi operasi DC yang diinginkan untuk bias eMOSFET tipe-n.

Jika kita menerapkan sinyal waktu-bervariasi kecil untuk input, maka dalam keadaan yang tepat rangkaian MOSFET dapat bertindak sebagai penguat linier memberikan Transistor titik-Q adalah suatu tempat di dekat pusat wilayah saturasi, dan sinyal input cukup kecil agar output tetap linier. Pertimbangkan rangkaian penguat MOSFET dasar di bawah ini.

Rangkaian Dasar Penguat/Amplifier MOSFET

Peningkatan-modus common-source konfigurasi amplifier MOSFET sederhana ini menggunakan catu daya tunggal di drain dan menghasilkan tegangan gerbang yang diperlukan, V_G menggunakan pembagi resistor.

Kita ingat bahwa untuk MOSFET, tidak ada arus yang mengalir ke terminal gerbang dan dari sini kita dapat membuat asumsi dasar berikut tentang kondisi operasi DC amplifier MOSFET.

Maka dari ini kita dapat mengatakan bahwa:

dan tegangan MOSFET gerbang ke sumber, V_GS diberikan sebagai:

V_GS = V_G – I_S R_S

Seperti yang telah kita lihat di atas, untuk operasi MOSFET yang benar, tegangan sumber gerbang ini harus lebih besar dari tegangan ambang MOSFET, yaitu V_GS > V_TH. Sejak I_S = I_D, tegangan gerbang, V_G karena itu sama juga:

V_GS = V_G – I_D R_S
∴ V_G = V_GS – I_D R_S
atau V_G = V_GS + V_S

Untuk mengatur tegangan gerbang amplifier MOSFET ke nilai ini kami memilih nilai-nilai resistor, R1 dan R2 dalam jaringan pembagi tegangan ke nilai yang benar. Seperti yang kita ketahui dari atas, “tidak ada arus” mengalir ke terminal gerbang perangkat MOSFET sehingga rumus untuk pembagian tegangan diberikan sebagai:

MOSFET Amplifier Gerbang Bias Tegangan

Perhatikan bahwa persamaan pembagi tegangan ini hanya menentukan rasio dari dua bias bias, R1 dan R2 dan bukan nilai aktualnya.Juga diinginkan untuk membuat nilai-nilai dua resistor ini sebagai besar mungkin untuk mengurangi mereka I²*R rugi daya dan meningkatkan resistansi input amplifier MOSFET.

Contoh: Penguat Amplifier MOSFET No.1

Penguat MOSFET common source akan dibangun menggunakan eMOSFET n-channel yang memiliki parameter konduksi 50mA/V 2 dan tegangan ambang 2.0 volt.

Jika tegangan supply +15 volt dan resistor beban adalah 470 Ohm, hitung nilai-nilai resistor yang diperlukan untuk bias penguat MOSFET pada 1/3 (V DD). Gambarkan diagram rangkaian.

Nilai yang diberikan: V_DD = + 15v, V_TH = + 2.0v, k = 50mA/V₂ dan R_D = 470Ω.

1. Arus Drain, I_D

2. Tegangan Sumber-Gerbang (Source-Gate), V_GS

3. Tegangan Gerbang (Gate), V_G

Jadi menerapkan KVL di MOSFET, tegangan Drain-source, V_DS diberikan sebagai:

V_DD = V_D + V_DS + V_S = 15v

∴ V_DS = V_DD – V_D – V_S = 15 – 7.5 – 2.4 = 5.1v

4. Resistansi Sumber, R_S

Rasio resistor pembagi tegangan, R1 dan R2 yang diperlukan untuk memberikan 1/3V_DD dihitung sebagai:

Jika kita memilih: R1 = 200kΩ dan R2 = 100kΩ ini akan memenuhi kondisi: V_G = 1/3V_DD. Juga kombinasi Resistor bias ini akan memberikan resistansi input ke penguat MOSFET sekitar 67kΩ. Kita dapat mengambil desain ini selangkah lebih maju dengan menghitung nilai input dan output kapasitor kopling.

Jika kita mengasumsikan frekuensi cut-off yang lebih rendah untuk penguat MOSFET kami katakanlah, 20Hz, maka nilai-nilai dari dua Kapasitor dengan mempertimbangkan impedansi input dari jaringan biasing gerbang dihitung sebagai:

Kemudian rangkaian terakhir untuk rangkaian penguat MOSFET satu tahap diberikan sebagai:

Rangkaian Penguat MOSFET Single-stage (Satu-tahap)

Ringkasan Penguat MOSFET

Tujuan utama dari penguat MOSFET, atau penguat apa pun dalam hal ini, adalah untuk menghasilkan sinyal output yang merupakan reproduksi sinyal input-nya yang setia tetapi diperkuat dalam besarnya. Sinyal input ini bisa berupa arus atau tegangan, tetapi agar perangkat MOSFET beroperasi sebagai penguat, sinyal tersebut harus bias beroperasi dalam wilayah saturasinya.

Ada dua jenis dasar peningkatan/enhancement-mode MOSFET yaitu: n-channel dan p-channel dan dalam tutorial penguat MOSFET ini kita telah melihat MOSFET peningkatan n-channel sering disebut sebagai NMOS.

Karena dapat dioperasikan dengan gerbang positif dan mengalirkan tegangan relatif ke sumber yang bertentangan dengan PMOS saluran-p yang dioperasikan dengan gerbang negatif dan mengalirkan tegangan relatif ke sumber.

Daerah saturasi perangkat MOSFET adalah wilayah arus konstan di atas tegangan ambangnya, V_TH. Setelah dibiaskan dengan benar pada daerah saturasi, arus drain, I_D bervariasi sebagai akibat dari tegangan gerbang-ke-sumber, V_GS dan bukan oleh tegangan drain-ke-sumber, V_DS karena arus drain disebut saturasi/jenuh.

Dalam MOSFET mode-peningkatan, medan elektrostatik yang dibuat oleh penerapan tegangan gerbang meningkatkan konduktivitas saluran, daripada menghabiskan saluran seperti dalam kasus MOSFET mode-deplesi.

Tegangan ambang adalah bias gerbang minimum yang diperlukan untuk memungkinkan pembentukan saluran antara sumber dan saluran. di atas nilai ini, arus drain meningkat secara proporsional ke (V_GS – V_TH )² di wilayah saturasi yang memungkinkannya beroperasi sebagai penguat atau amplifier.