МОП-транзистор как переключатель - когда он в насыщении?

44

Я подключил следующую схему на макете.

введите описание изображения здесь

Я изменяю напряжение на затворе с помощью потенциометра. Вот что меня смущает: согласно википедии, MOSFET находится в насыщении, когда V (GS)> V (TH) и V (DS)> V (GS) - V (TH).

Если я медленно увеличиваю напряжение на затворе, начиная с 0, MOSFET остается выключенным. Светодиод начинает проводить небольшой ток, когда напряжение на затворе составляет около 2,5 В или около того. Яркость перестает увеличиваться, когда напряжение на затворе достигает около 4 В. Яркость светодиода не изменяется, если напряжение на затворе превышает 4 В. Даже если я быстро увеличу напряжение с 4 до 12, яркость светодиода останется неизменной.

Я также отслеживаю напряжение стока до источника, пока увеличиваю напряжение на затворе. Напряжение сток-исток падает с 12 В до 0 В, когда напряжение затвора составляет 4 В или около того. Это легко понять: поскольку R1 и R (DS) образуют делитель напряжения, а R1 намного больше, чем R (DS), большая часть напряжения падает на R1. В моих измерениях около 10 В падает на R1, а остальные на красный светодиод (2 В).

Однако, поскольку V (DS) теперь приблизительно равно 0, условие V (DS)> V (GS) - V (TH) не выполняется, не находится ли МОП-транзистор в насыщении? Если это так, как можно разработать схему, в которой MOSFET находится в насыщении?

Обратите внимание: R (DS) для IRF840 составляет 0,8 Ом. V (TH) составляет от 2 до 4 В. Vcc 12V.



Вот линия нагрузки, которую я построил на моей схеме.

введите описание изображения здесь

Теперь, из того, что я получил из ответов здесь, является то, что для работы MOSFET в качестве переключателя, рабочая точка должна быть слева от линии нагрузки. Я прав в своем понимании?

И если на график выше наложить характеристические кривые MOSFET, то рабочая точка будет находиться в так называемой области «линейный / триод». На самом деле, коммутатор должен достичь этой области как можно быстрее, чтобы работать эффективно. Я понял или я совершенно не прав?

Саад
источник
4
Да, чтобы работать в качестве переключателя, МОП-транзистор должен находиться в линейной / триодной области, и да, вы хотите добраться до этой области как можно быстрее, чтобы минимизировать потери.
Мазурнизация
Большое спасибо. И, наконец, если кто-то сделает аналоговый усилитель класса A из MOSFET - он будет работать в области «насыщения»? Рабочая точка должна двигаться в пределах области насыщения на линии нагрузки?
Саад
1
Да, это правильно - для усилителя класса A МОП-транзистор должен работать в области насыщения.
Мазурнизация
Я думаю, что комментарий мазурнификации на самом деле должен быть принятым ответом, так как он лаконичен и корректен :-)
Джон Ватт,

Ответы:

33

Прежде всего, «насыщенность» у половых насекомых означает, что изменение VDS не приведет к значительному изменению Id (тока утечки). Вы можете думать о полевых МОП-транзисторах как источник тока. То есть независимо от напряжения на VDS (с ограничениями, конечно), ток через устройство будет (почти) постоянным.

Теперь вернемся к вопросу:

Согласно википедии, MOSFET находится в насыщении, когда V (GS)> V (TH) и V (DS)> V (GS) - V (TH).

Это правильно.

Если я медленно увеличиваю напряжение на затворе, начиная с 0, MOSFET остается выключенным. Светодиод начинает проводить небольшой ток, когда напряжение на затворе составляет около 2,5 В или около того.

Вы увеличили Vgs выше Vth NMOS, чтобы канал был сформирован и устройство начало работать.

Яркость перестает увеличиваться, когда напряжение на затворе достигает около 4 В. Яркость светодиода не изменяется, если напряжение на затворе превышает 4 В. Даже если я быстро увеличу напряжение с 4 до 12, яркость светодиода останется неизменной.

Вы увеличили Vgs, заставляя устройство проводить больше тока. При Vgs = 4 В то, что ограничивает величину тока, это уже не транзистор, а резистор, который вы подключаете последовательно с транзистором.

Я также отслеживаю напряжение стока до источника, пока увеличиваю напряжение на затворе. Напряжение сток-исток падает с 12 В до 0 В, когда напряжение затвора составляет 4 В или около того. Это легко понять: поскольку R1 и R (DS) образуют делитель напряжения, а R1 намного больше, чем R (DS), большая часть напряжения падает на R1. В моих измерениях около 10 В падает на R1, а остальные на красный светодиод (2 В).

Здесь все выглядит по порядку.

Однако, поскольку V (DS) теперь приблизительно равно 0, условие V (DS)> V (GS) - V (TH) не выполняется, не находится ли МОП-транзистор в насыщении?

Нет. Он находится в линейной или триодной области. Он ведет себя как резистор в этом регионе. Это увеличение Vds увеличит Id.

Если это так, как можно разработать схему, в которой MOSFET находится в насыщении?

У тебя уже есть. Вам просто нужно позаботиться о рабочей точке (убедитесь, что упомянутые вами условия соблюдены).

A) В линейной области вы можете наблюдать следующее: -> при увеличении напряжения питания, светодиод становится ярче, так как ток через резистор и транзистор будет расти, и, следовательно, через светодиод будет протекать больше.

Б) В области насыщения произойдет что-то другое -> при увеличении напряжения ПОДАЧИ яркость светодиода не изменится. Дополнительное напряжение, которое вы подаете на ПИТАНИЕ, не приведет к увеличению тока. Вместо этого он будет проходить через МОП-транзистор, поэтому напряжение ДРЕНАЖА будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение напряжения на 2 В будет означать увеличение напряжения на стоке почти на 2 В)

mazurnification
источник
Большое спасибо за этот исчерпывающий ответ. Вы заявляете, что «У вас уже есть. Вам просто нужно позаботиться о рабочей точке (убедитесь, что упомянутые вами условия соблюдены)». - пожалуйста, смотрите мои изменения на оригинальный вопрос. Правильно ли я понимаю, что для того, чтобы МОП-транзистор работал в качестве переключателя, рабочая точка должна быть расположена слева? Поскольку обычно напряжение питания не меняется, это означает, что напряжение на затворе должно быть как можно выше?
Саад
Да и Да (самый большой VGS, возможный для уменьшения Rds_on и для устройства, работающего в качестве переключателя, mosfet должен находиться в линейной области)
мазанификация
18

Я интерпретирую значение «насыщенности» в контексте статьи в Википедии следующим образом:

IDVDSVGSVGS

MOSFET Id против Vds кривых - из статьи Wikipedia MOSFET

IDVDSVDS

IDVDSVGS390Ω

Адам Лоуренс
источник
8

Другие ответы здесь дают хорошее объяснение термина «насыщение» применительно к MOSFET.

Я просто отмечу здесь, что это использование сильно отличается от того, что предназначено для биполярных транзисторов и некоторых других классов устройств.

Термин правильно используется для MOSFET, где

  • V (DS)> V (GS) - V (TH)

НО это никогда не должно было быть.
Но это так, так что имейте это в виду.

Биполярный транзистор (а не МОП-транзистор) находится в состоянии "насыщения", когда он включен. Эквивалентное условие в расширенном режиме MOSFET (наиболее распространенный вид) - это когда оно «полностью улучшено», НО соответствующий термин для этого уже украден.


Добавлено:

МОП-транзистор «включается» напряжением, приложенным к затвору относительно источника = Vgs.
Необходимые значения Vgs, когда FET начинает включаться и проводит определенную величину тока, известны как «пороговое напряжение затвора» или просто «пороговое напряжение» и обычно записываются как Vgsth или Vth или аналогичные.
Vth указывает, какое напряжение потребуется для работы полевого транзистора, поскольку переключатель, НО фактическое значение Vgs с полным усилением обычно составляет несколько раз Vgsth. Кроме того, Vgs, необходимые для полного улучшения, зависит от желаемых идентификаторов.

Этот график, скопированный из ответа Madmanguruman, показывает, что при Vgs = 7 В реальная передача Ids / Vds примерно линейна до примерно Ids = 20A, поэтому FET «полностью усилен» и выглядит примерно как резистор примерно до этой точки. Для этого FET Vds составляет около 1,5 В при 20 A, поэтому Rdson составляет около R = V / I = 1,5 / 20 = 75 мОм.
Для этого полевого транзистора существует кривая при Vgs = 1 В, поэтому VGSth = Vth, вероятно, находится в диапазоне 0,5 В-0,8 В, скажем, 100 мкА.

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

Рассел МакМахон
источник
Да. Это то, что я помню, изучая также. Но вот статья в Википедии. Вам нужно будет прокрутить заголовок «Насыщенность или активный режим». en.wikipedia.org/wiki/MOSFET Вы думаете, что это неправильно?
Саад
1
@saad - путаница в том, что они используют термин «насыщенность» для обозначения чего-то вроде «линейной области». Значение на английском языке насыщенности подразумевает быть максимальным, поэтому их использование в лучшем случае плохое и вводящее в заблуждение. Это МОЖЕТ быть стандартным использованием, или нет, но это не хорошо.
Рассел МакМахон
Спасибо. Эта статья сейчас очень запутанная. Будете ли вы достаточно королем, чтобы указать мне книгу или статью, где я мог бы узнать больше о МОП-транзисторах? Определенно предпочел бы избежать путаницы!
Саад
Тот факт, что «насыщенность означает что-то другое, действительно сбивает с толку. Так какой же правильный термин для« включенного »для MOSFET, и как вы выясняете, какое напряжение затвора необходимо для данного MOSFET?
Дункан С.
3
«Hard on», «полностью включен» и «полностью улучшен». Почему я чувствую, что у меня плохая реклама лечения ЭД? «Раскрой себя в полной мере! Почувствуй прилив тока!» :)
Дункан C
4

То, что вам нужно сделать, чтобы увидеть насыщение, это подать достаточное напряжение, чтобы в конечном итоге повышение напряжения не повлияло на ток.
Для этого установите Vgs на статическое значение (> Vth), затем увеличьте напряжение на Vds и измерьте ток. Первоначально он будет расти довольно линейно, находясь в омической или линейной области, но в конечном итоге он будет сглаживаться, и, несмотря на дальнейшее увеличение тока, через МОП-транзистор останется прежним.

Что касается определения насыщенности, я понимаю, что насыщенность / линейность в полевых МОП-транзисторах означает примерно противоположное тому, что они делают в BJT. Этот документ (под характеристикой MOSFET на нескольких страницах) предлагает подобное, хотя до тех пор, пока вы понимаете, как они работают и что вы подразумеваете под термином, у вас должно быть все в порядке (по крайней мере, пока вы не обсудите транзисторы с кем-то :-))

Оли Глейзер
источник
2
Означает ли это, что полевой МОП-транзистор действует как ограничитель тока?
Дункан C
действительно, да, JFETs, есть доступные ограничители тока на основе JFET. Например: 1N5298 en.wikipedia.org/wiki/Constant-current_diode
Jasen
0

Б) В области насыщения произойдет что-то другое -> при увеличении напряжения ПОДАЧИ яркость светодиода не изменится. Дополнительное напряжение, которое вы подаете на ПИТАНИЕ, не приведет к увеличению тока. Вместо этого он будет проходить через МОП-транзистор, поэтому напряжение ДРЕНАЖА будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение напряжения на 2 В будет означать увеличение напряжения на стоке почти на 2 В)

Как же так? Увеличение подачи должно увеличить V ds только на Id X Rds (вкл). Учитывая, что светодиод будет иметь почти такое же прямое падение напряжения, тогда повышенное напряжение должно быть разделено между последовательным резистором и устройством. Поскольку резистор имеет гораздо большее значение (390 Ом по сравнению с 0,8 Ом устройства), основная доля падения напряжения должна приходиться на резистор. Кроме того, безусловно, будет увеличение тока утечки с увеличением сопротивления. Потери MOSFET рассчитываются в состоянии готовности как текущий квадрат, умноженный на Rds (вкл). Таким образом, наблюдение «Напряжение слива будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение напряжения на 2 В будет означать увеличение напряжения слива почти на 2 В)» неверно

Раман
источник