Amplificador MOSFET

En nuestro tutorial anterior sobre amplificadores JFET, vimos que se pueden fabricar amplificadores simples de una sola etapa utilizando transistores de efecto de campo de unión o JFET. Pero hay otros tipos de transistores de efecto de campo disponibles que se pueden usar para construir y amplificar, y en este tutorial veremos el Amplificador MOSFET.

El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico, o MOSFET para abreviar, es una excelente opción para amplificadores lineales de señal pequeña, ya que su impedancia de entrada es extremadamente alta, lo que los hace fáciles de polarizar. Pero para que un MOSFET produzca amplificación lineal, tiene que operar en su región de saturación, a diferencia del transistor de unión bipolar. Pero al igual que el BJT, también debe estar sesgado en torno a un punto Q fijo centralmente.

Un típico amplificador MOSFET

Los MOSFETS se conducen a través de una región o ruta conductora llamada «el canal». Podemos hacer que este canal conductor sea más ancho o más pequeño aplicando un potencial de puerta adecuado. Un campo eléctrico inducido alrededor del terminal de la puerta por la aplicación de este voltaje de la puerta afecta las características eléctricas del canal, de ahí el nombre de transistor de efecto de campo.

En otras palabras, podemos controlar cómo opera el MOSFET creando o «mejorando» su canal conductor entre la fuente y las regiones de drenaje produciendo un tipo de mosfet comúnmente llamado MOSFET de modo de mejora de canal n, lo que simplemente significa que a menos que los sesgamos positivamente en la puerta (negativamente para el canal p), no fluirá corriente de canal.

Existen grandes variaciones en las características de los diferentes tipos de MOSFETS y, por lo tanto, el sesgo de un MOSFET debe realizarse individualmente. Al igual que con la configuración de emisor común de transistor bipolar, el amplificador MOSFET de fuente común debe polarizarse a un valor de reposo adecuado. Pero primero recordemos las características básicas y la configuración de los MOSFETS.

MOSFET de canal mejorado N

Tenga en cuenta que las diferencias fundamentales entre un transistor de unión bipolar y un FET son que un BJT tiene terminales etiquetados como colector, emisor y base, mientras que un MOSFET tiene terminales etiquetados como drenaje, fuente y puerta, respectivamente.

Además, el MOSFET se diferencia del BJT en que no hay una conexión directa entre la puerta y el canal, a diferencia de la unión base-emisor del BJT, ya que el electrodo de la puerta de metal está aislado eléctricamente del canal conductor, lo que le da el nombre secundario de transistor de efecto de campo de puerta aislada o IGFET.

Podemos ver que para el MOSFET de canal n (NMOS) por encima del sustrato, el material semiconductor es de tipo p, mientras que los electrodos de fuente y drenaje son de tipo n. La tensión de alimentación será positiva y el sesgo positivo del terminal de puerta atrae electrones dentro del sustrato semiconductor de tipo p debajo de la región de la puerta hacia él.

Esta sobreabundancia de electrones libres dentro del sustrato de tipo p hace que un canal conductor aparezca o crezca a medida que las propiedades eléctricas de la región de tipo p se invierten, cambiando efectivamente el sustrato de tipo p en un material de tipo n que permite que fluya la corriente del canal. 

Lo contrario también es cierto para el MOSFET de canal p (PMOS), donde un potencial de puerta negativo provoca una acumulación de agujeros debajo de la región de la puerta, ya que son atraídos por los electrones en el lado exterior del electrodo de puerta de metal. El resultado es que el sustrato de tipo n crea un canal conductor de tipo p.

Entonces, para nuestro transistor MOS tipo n, cuanto más potencial positivo ponemos en la puerta, mayor es la acumulación de electrones alrededor de la región de la puerta y más ancho se vuelve el canal conductor. Esto mejora el flujo de electrones a través del canal, lo que permite que fluya más corriente del canal desde el drenaje a la fuente, lo que lleva al nombre de MOSFET de mejora.

Amplificador MOSFET de mejora

El MOSFET de mejora o eMOSFET, puede clasificarse como dispositivos normalmente apagados (no conductores), es decir, solo conducen cuando se aplica un voltaje positivo de puerta a fuente adecuado, a diferencia de los mosfets de tipo agotamiento que están normalmente encendidos los dispositivos que conducen cuando el voltaje de la puerta es cero.

Sin embargo, debido a la construcción y la física de un mosfet de mejora, existe un voltaje mínimo de puerta a fuente, llamado voltaje umbral VTH, que debe aplicarse a la puerta antes de que comience a conducir, permitiendo que fluya la corriente de drenaje.

En otras palabras, un mosfet de mejora no conduce cuando el voltaje de la fuente de la puerta, VGS es menor que el voltaje de umbral, VTH, pero a medida que aumenta la polarización directa de las puertas, la corriente de drenaje, ID (también conocida como corriente de fuente de drenaje, IDS) también aumentará, similar a un transistor bipolar, lo que hace que el eMOSFET sea ideal para su uso en circuitos amplificadores mosfet.

Las características del canal conductor MOS se pueden considerar como una resistencia variable controlada por la puerta. La cantidad de corriente de drenaje que fluye a través de este canal n, por lo tanto, depende del voltaje de la fuente-puerta y una de las muchas medidas que podemos tomar usando un mosfet es trazar un gráfico de características de transferencia para mostrar la relación iv entre la corriente de drenaje y el voltaje de la puerta como se muestra:

Características del eMOSFET IV de canal N

Con un fijo voltaje VDS de fuente de drenaje conectado a través del eMOSFET, podemos trazar los valores de la corriente de drenaje, ID con valores variables de VGS para obtener un gráfico de las características de CC de avance de los mosfets. Estas características dan la transconductancia, gm del transistor.

Esta transconductancia relaciona la corriente de salida con el voltaje de entrada que representa la ganancia del transistor. Por lo tanto, la pendiente de la curva de transconductancia en cualquier punto a lo largo de ella se da como: gm = ID/ VGS para un valor constante de VDS.

Entonces, por ejemplo, suponga que un transistor MOS pasa una corriente de drenaje de 2mA cuando VGS = 3v y una corriente de drenaje de 14mA cuando VGS = 7v. Entonces:

Esta relación se denomina transistores estática o transconductancia de CC, que es la abreviatura de «conductancia de transferencia» y se le da la unidad de Siemens (S), como sus amperios por voltio. La ganancia de voltaje de un amplificador mosfet es directamente proporcional a la transconductancia y al valor de la resistencia de drenaje.

En VGS = 0, no fluye corriente a través del canal de transistores MOS porque el efecto de campo alrededor de la puerta es insuficiente para crear o «abrir» el canal de tipo n. Entonces el transistor está en su región de corte actuando como un interruptor abierto. En otras palabras, con un voltaje de puerta cero aplicado, se dice que el eMOSFET de canal n está normalmente apagado y esta condición de «APAGADO» está representada por la línea de canal rota en el símbolo del eMOSFET (a diferencia de los tipos de agotamiento que tienen una línea de canal continua) .

A medida que ahora aumentamos gradualmente el voltaje positivo de la fuente-puerta VGS , el efecto de campo comienza a mejorar la conductividad de las regiones del canal y se convierte en un punto en el que el canal comienza a conducir. Este punto se conoce como voltaje umbral VTH. A medida que aumentamos VGS más positivo, el canal conductor se vuelve más ancho (menos resistencia) con la cantidad de corriente de drenaje, ID como resultado aumenta. Recuerde que la puerta nunca conduce ninguna corriente ya que está aislada eléctricamente del canal, lo que le da a un amplificador mosfet una impedancia de entrada extremadamente alta.

Por lo tanto, el mosfet de mejora de canal n estará en su modo de corte cuando el voltaje de la fuente de puerta, VGS sea ​​menor que su nivel de voltaje de umbral, VTH y su canal conduzca o se sature cuando VGS esté por encima de este nivel de umbral. Cuando el transistor eMOS está operando en la región de saturación, la corriente de drenaje, ID viene dada por:

eMOSFET drenaje de corriente

Tenga en cuenta que los valores de k (parámetro de conducción) y VTH (voltaje de umbral) varían de un eMOSFET al siguiente y no pueden ser cambiado físicamente. Esto se debe a que son especificaciones específicas relacionadas con el material y la geometría del dispositivo que se incorporan durante la fabricación del transistor.

La curva de características de transferencia estática de la derecha es generalmente de forma parabólica (ley del cuadrado) y luego lineal. El aumento en la corriente de drenaje, ID para un aumento dado en el voltaje de la fuente-puerta, VGS determina la pendiente o gradiente de la curva para valores constantes de VDS.

Entonces podemos ver que encender un transistor MOS de mejora es un proceso gradual y para que podamos usar el MOSFET como amplificador debemos polarizar su terminal de puerta en algún punto por encima de su nivel de umbral.

Hay muchas formas diferentes de hacer esto, desde el uso de dos suministros de voltaje separados, para drenar la polarización de retroalimentación, para la polarización del diodo Zener, etc. Pero sea cual sea el método de polarización que usemos, debemos asegurarnos de que el voltaje de la puerta sea más positivo que la fuente en una cantidad mayor que VTH. En este tutorial de amplificador mosfet usaremos el ahora familiar circuito de polarización del divisor de voltaje universal.

Polarización de CC del MOSFET

El circuito de polarización del divisor de voltaje universal es una técnica de polarización popular que se utiliza para establecer una condición de funcionamiento de CC deseada de los amplificadores de transistores bipolares y de los amplificadores mosfet. La ventaja de la red de polarización del divisor de voltaje es que el MOSFET, o de hecho un transistor bipolar, puede polarizarse desde una única fuente de CC. Pero primero necesitamos saber dónde desviar la puerta de nuestro amplificador mosfet.

Un dispositivo mosfet tiene tres regiones de funcionamiento diferentes. Estas regiones se denominan: región óhmica / región de saturación / lineal y punto de pellizco. Para que un mosfet funcione como un amplificador lineal, necesitamos establecer un punto de funcionamiento inactivo bien definido, o punto Q, por lo que debe estar sesgado para operar en su región de saturación. El punto Q para el mosfet está representado por los valores de CC, ID y VGS que colocan el punto de funcionamiento en el centro de la curva de características de salida del mosfet.

Como hemos visto anteriormente, la región de saturación comienza cuando VGS está por encima del VTH nivel de umbral. Por lo tanto, si aplicamos una pequeña señal de CA que se superpone a esta polarización de CC en la entrada de la puerta, entonces el MOSFET actuará como un amplificador lineal como se muestra:

Punto de polarización de CC de eMOSFET

El circuito NMOS de fuente común anterior muestra que el voltaje de entrada sinusoidal, Vi, está en serie con una fuente de CC. Este voltaje de puerta de CC será establecido por el circuito de polarización. Entonces, el voltaje total de la fuente de la puerta será la suma de VGS y Vi.

Las características de corriente continua y, por tanto, Q-punto (punto de reposo) son todas las funciones de tensión de puerta VGS, tensión de alimentación VDD y resistencia de carga RD.

El transistor MOS está polarizado dentro de la región de saturación para establecer la corriente de drenaje deseada que definirá el punto Q de los transistores. A medida que el valor instantáneo de VGS aumenta, el punto de polarización se mueve hacia arriba en la curva como se muestra, lo que permite que fluya una corriente de drenaje mayor a medida que VDS disminuye.

Asimismo, a medida que el valor instantáneo de VGS disminuye (durante la mitad negativa de la onda sinusoidal de entrada), el punto de polarización se mueve hacia abajo de la curva y un más pequeño VGS da como resultado una corriente de drenaje más pequeña y un VDS aumentando.

Luego, para establecer una gran oscilación de salida, debemos polarizar el transistor muy por encima del nivel de umbral para garantizar que el transistor permanezca en saturación durante todo el ciclo de entrada sinusoidal. Sin embargo, existe un límite en la cantidad de polarización de la puerta y corriente de drenaje que podemos usar. Para permitir la variación máxima de voltaje de la salida, el punto Q debe colocarse aproximadamente a la mitad entre el voltaje de suministro VDD y el voltaje umbral VTH.

Entonces, por ejemplo, supongamos que queremos construir un amplificador de fuente común NMOS de una sola etapa. El voltaje de umbral, VTH del eMOSFET es de 2.5 voltios y el voltaje de suministro, VDD es de +15 voltios. Entonces el punto de polarización de CC será 15 – 2.5 = 12.5v o 6 voltios al valor entero más cercano.

Las características de MOSFETS ID -VDS

Hemos visto anteriormente que podemos construir una gráfica de los MOSFETs transmitan características de CC, manteniendo la tensión de alimentación, VDD constante y el aumento de la tensión de puerta, VG. Pero para obtener una imagen completa del funcionamiento del transistor MOS de mejora de tipo n para usar dentro de un circuito amplificador mosfet, necesitamos mostrar las características de salida para diferentes valores de VDD y VGS.

Al igual que con el transistor de unión bipolar NPN, podemos construir un conjunto de curvas de características de salida que muestren la corriente de drenaje, ID para valores positivos crecientes de VG para un transistor MOS en modo de mejora de canal n, como se muestra:

Curvas de características de eMOSFET de tipo N

Tenga en cuenta que un dispositivo eMOSFET de canal p tendría un conjunto muy similar de curvas de características de corriente de drenaje, pero la polaridad del voltaje de la puerta se invertiría.

Amplificador básico de MOSFET de fuente común

Anteriormente, analizamos cómo establecer la condición de funcionamiento de CC deseada para polarizar el eMOSFET de tipo n. Si aplicamos una pequeña señal variable en el tiempo a la entrada, entonces, en las circunstancias adecuadas, el circuito mosfet puede actuar como un amplificador lineal siempre que el punto Q de los transistores esté en algún lugar cerca del centro de la región de saturación y la señal de entrada sea lo suficientemente pequeña, para que la salida permanezca lineal. Considere el circuito amplificador mosfet básico a continuación:

Amplificador MOSFET básico

Esta configuración de amplificador mosfet de fuente común en modo de mejora simple utiliza una fuente única en el drenaje y genera el voltaje de puerta requerido, VG, usando un divisor de resistencia. Recordamos que para un MOSFET, no fluye corriente hacia el terminal de la puerta y, a partir de esto, podemos hacer las siguientes suposiciones básicas sobre las condiciones de funcionamiento de CC de los amplificadores MOSFET.

Luego, a partir de esto, podemos decir que:

Y el voltaje de puerta a fuente del mosfet, VGS se da como:

Como hemos visto anteriormente, para el funcionamiento adecuado del mosfet, este voltaje de la fuente de la puerta debe ser mayor que el voltaje de umbral de el mosfet, es decir, VGS > VTH. Dado que IS = ID, el voltaje de la puerta, VG, por lo tanto, también es igual:

Para establecer el voltaje de la puerta del amplificador mosfet en este valor, seleccionamos los valores de las resistencias, R1 y R2 dentro de la red del divisor de voltaje a los valores correctos. Como sabemos de arriba, «no hay corriente» fluye hacia el terminal de la puerta de un dispositivo mosfet, por lo que la fórmula para la división de voltaje se da como:

Voltaje de polarización de la puerta del amplificador MOSFET 

Tenga en cuenta que esta ecuación del divisor de voltaje solo determina la relación de las dos resistencias de polarización, R1 y R2 y no sus valores reales. También es deseable hacer que los valores de estas dos resistencias sean lo más grandes posible I2* R para reducir su pérdida de potencia y aumentar la resistencia de entrada de los amplificadores mosfet.

Ejemplo de amplificador MOSFET No.1

Se construirá un amplificador mosfet de fuente común utilizando un eMOSFET de canal n que tiene un parámetro de conducción de 50mA / V2 y un voltaje umbral de 2,0 voltios. Si la tensión de alimentación es de +15 voltios y la resistencia de carga es de 470 ohmios, calcule los valores de las resistencias necesarias para polarizar el amplificador MOSFET a 1/3 (VDD). Dibuja el diagrama del circuito.

Valores dados: VDD = + 15v, VTH = + 2.0v, k = 50mA / V2 y RD = 470Ω.

1. Corriente de drenaje, ID

2. Voltaje de puerta-fuente, VGS

3. Voltaje de puerta, VG

Por lo tanto, aplicando KVL a través del mosfet, el voltaje de drenaje-fuente, VDS se da como:

4. Resistencia de fuente, RS

La relación de las resistencias divisoras de voltaje, R1 y R2 requeridas para dar 1 / 3VDD se calcula como:

Si elegimos: R1 = 200kΩ y R2 = 100kΩ, esto satisface la condición de: VG = 1 / 3VDD. Además, esta combinación de resistencias de polarización dará una resistencia de entrada al amplificador mosfet de aproximadamente 67 kΩ.

Podemos llevar este diseño un paso más allá calculando los valores de los condensadores de acoplamiento de entrada y salida. Si asumimos una frecuencia de corte más baja para nuestro amplificador mosfet de, digamos, 20Hz, entonces los valores de los dos condensadores teniendo en cuenta la impedancia de entrada de la red de polarización de la puerta se calcula como:

Luego, el circuito final para la etapa simple del circuito de un amplificador MOSFET se da como:

Amplificador de etapa simple MOSFET

Resumen del amplificador MOSFET 

El objetivo principal de un amplificador MOSFET, o cualquier amplificador, es producir una señal de salida que sea una reproducción fiel de su señal de entrada pero amplificada en magnitud. Esta señal de entrada podría ser una corriente o un voltaje, pero para que un dispositivo mosfet funcione como amplificador, debe estar polarizado para que funcione dentro de su región de saturación.

Hay dos tipos básicos de MOSFET de modo de mejora, canal n y canal p, y en este tutorial de amplificador mosfet hemos analizado el MOSFET de mejora de canal n que a menudo se conoce como NMOS, ya que se puede operar con compuerta positiva y voltajes de drenaje con respecto a la fuente en contraposición al PMOS de canal p que funciona con voltaje negativo de puerta y drenaje con respecto a la fuente.

La región de saturación de un dispositivo mosfet es su región de corriente constante por encima de su umbral de voltaje, VTH. Una vez polarizada correctamente en la región de saturación, la corriente de drenaje, ID varía como resultado del voltaje de fuente a puerta, VGS y no por el voltaje de drenaje a fuente, VDS, ya que la corriente de drenaje se llama saturada.

En un MOSFET de modo de mejora, el campo electrostático creado por la aplicación de un voltaje de puerta mejora la conductividad del canal, en lugar de agotar el canal como en el caso de un MOSFET de modo de agotamiento.El voltaje de umbral es la polarización de puerta mínima requerida para permitir la formación del canal entre la fuente y el drenaje. Por encima de este valor, la corriente de drenaje aumenta en proporción a (VGS – VTH)2 en la región de saturación, lo que le permite funcionar como amplificador.