5 Schaltungen mit MOS-Feldeffekttransistoren
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Das Kleinsignalersatzschaltbild 5-1 5 Schaltungen mit MOS-Feldeffekttransistoren 5.1 Das Kleinsignalersatzschaltbild Äquivalent zum Bipolartransistor kann man auch den MOS-Feldeffekttransistor als spannungsgesteuerte Stromquelle auffassen. C gd G D g u m GS uGS C gs g d S Cds u DS S Der Eingangskreis wird durch die Kapazitäten zwischen Gate und Source (Cgs) sowie Gate und Drain (Cds) gebildet. Die Gate/Source Kapazität ist meist viel größer als die Gate/Drain Kapazität, die für eine meist ungewünschte Rückkopplung von Drain auf das Gate verantwortlich ist. Obwohl Cgd meist kleiner 1 pF ist, kann es über den Rückkopplungseffekt zu einer hohen Eingangskapazität beitragen. Die Berechnung der Verstärkung, der Eingangs- und Ausgangswiderstände erfolgt äquivalent zum Bipolartransistor. - S + G U GS n+ D n+ p 5-2 Schaltungen mit MOS-Feldeffekttransistoren Kleinsignalersatzschaltbild unter dem Einfluß einer Substratspannung (ohne Kondensatoren) G gmuGS uGS gmBuBS rDS D uDS D G S S uBS B U DS S G U GS D U BS n+ n n+ p B Zusätzliche Steilheit: gmB = ∂iD ∂uBS uGS = konst uDS = konst = χ ⋅ gm B c = 0,1...0,3 Die Arbeitspunkteinstellung 5-3 5.2 Die Arbeitspunkteinstellung Für einen n-Kanal-MOS-FET (selbstleitend) wird meist folgende Schaltung für die Arbeitspunkteinstellung verwendet (Beispiel Sourceschaltung): Uo R D CK u CK u e R G RS U G UGS + URS − UG = 0 Wegen IG = 0 ist UG = 0 daher: UGS = −URS = −RS ID Sättigung: UDS ≥ UGS − US ; ID = ID,sat UGS = −RS ID,sat = −RS K (UGS − US )2 I D ,Sat U GS = U S 1 + KU S2 RS = U GS ID = US I 1 + D ,Sat I D ,Sat KU S2 C U RS B a 5-4 Schaltungen mit MOS-Feldeffekttransistoren 5.3 Die Sourceschaltung Korrespondenzen mit dem Bipolartransistor IC → I D gm → gm IE → IS rBE → rGS ≈ ∞ I B → IG ≈ 0 rCE → rDS = 1/g d UCE → U DS β → g m ⋅ rGS ≈ 0 U BE → UGS RC → RD Spannungsverstärkung: v u = − gm (RD rDS ) Maximale Spannungsverstärkung (RD → ∞): v u ,max = − g m ⋅ rDS Die Drainschaltung, Sourcefolger 5-5 5.4 Die Drainschaltung, Sourcefolger Uo CK CK u u e R G vU = 1 1+ a RS 1 g m (RS rDS ) ≅ g m RS 1 + g m RS rE = RG ra = RS 1 = gm RS 1 g m RS + gm = RS 1 + g m RS 5-6 Schaltungen mit MOS-Feldeffekttransistoren 5.5 Der Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand ID ID UDS UDS Transistor im Triodenbereich: 2 U DS ID = 2K (UGS − U S ) U DS − 2 RDS = = RDS ≅ U DS = ID U DS 2 U DS 2K (UGS − US )U DS − 2 2K (UGS 1 − U S ) − K U DS 1 1 = g m 2 K (UGS − U S ) U DS ≤ UGS − U S Die Stromquelle 5-7 5.6 Die Stromquelle U0 R0 ID1 ID2 D T1 T2 Sättigung: ID1 = K1(UGS − Us1 )2 (1) Uo = ID1 ⋅ Ro + UGS (2) ID2 = K2 (UGS − Us2 )2 Mit Us1 = Us2 = Us und Gl. (2) in Gl. (1) eingesetzt gilt 2 UGS - (2Us - 1 U )UGS + Us2 - o = 0 RoK1 RoK1 ID 2 = K 2 (UGS - Us )2 ID1 = K1(UGS - Us )2 ID1 K1 = ID 2 K2 5-8 Schaltungen mit MOS-Feldeffekttransistoren 5.7 Common Gate Amplifier (Kleinsignalverhalten) u0 uGS2 T3 T2 R0 T1 u2 uR u1 UR ist eine Referenzgleichspannung. UGS2 wird über Ro konstant gehalten, d.h. uGS2 = 0 . Damit wirkt T2 als Wechselstromwiderstand rDS2 . Als Ersatzschaltbild ergibt sich damit: R gm1uGS1 uGS1 u1 rDS1 u2 rDS2 u1 Wegen uGS = −u1 gilt: gm1u1 u1 rDS1 rDS2 u2 Common Gate Amplifier Spannungsverstärkung: vU = u2 1 = + g m1 (rDS1 rDS 2 ) u1 rDS1 mit 1 / rDS1 ⟨⟨g m1 v U = g m1 (rDS1 rDS 2 ) Eingangswiderstand: re = 1 rDS 2 1+ gm1 rDS1 5-9 5-10 Schaltungen mit MOS-Feldeffekttransistoren 5.8 NMOS-Verstärkerstufe U0 ID2 T2 ID1 u2 T1 u1 ID1 = ID 2 US1 = US 2 = US ID 2 = K 2 (UGS2 − US )2 ID 2 = K 2 (U0 − u2 − US ) UGS2 = UDS 2 = U0 − u2 2 T1 in Sättigung: u2 ≥ (UGS1 − US ) ID 1 = K1(u1 − US )2 u1 − US = K2 (U0 − u2 − US ) K1 u2 = U0 − US + K1 K1 US − u1 K2 K2 Für die Kleinsignal-Spannungsverstärkung ergibt sich: vU = u2 K1 =− u1 K2 NMOS-Verstärkerstufe 5-11 Am Übergang vom Sättigungsbereich zum Triodenbereich des Transistors T1 (Punkt B) gilt allgemein UDS = UGS - US und damit in der vorliegenden Schaltung: u2Ü = UGS − US = u1Ü − US U0 + u1Ü = 1+ u2Ü = K1 US K2 K1 K2 U0 − US K1 1+ K2 Schaltcharakteristik u2 U0-US B U2Ü u1 US U1Ü
