Ch2 - FET as small signal amplifier.pptx

Dr. N.M. Safri/SEE2253_FET 1

SEE 2253

LITAR ELEKTRONIK

(ELECTRONIC CIRCUITS)

Chapter 2

Field Effect Transistor (FET)

Dr. Norlaili Mat Safri


In this chapter, we will learn:

1. JFET construction and schematic symbol

2. MOSFET construction and schematic symbol(Depletion and Enhancement MOSFET)

3. I-V characteristics & operating region

4. JFET & MOSFET biasing circuit

5. DC Analysis

6. AC Analysis


Background:Transistor kesan medan (Field Effect Transistor) @ FET merupakan

transistor ekakutub (unipolar) di mana pengaliran arus hanya disebabkan oleh pembawa arus majoriti sahaja iaitu samada lubang (hol) atau elektron.

Keadaan ini berbeza dengan BJT yang merupakan peranti dwikutub (bipolar) di mana pengaliran arus disebabkan kedua-dua pembawa arus majoriti dan minoriti iaitu elektron dan lubang (hol).

FET merupakan pernati kawalan voltan di mana voltan pada satu terminal iaitu VGS mengawal jumplah arus ID yang mengalir melalui peranti tersebut. Manakala BJT adalah peranti kawalan arus di mana arus IB mengawal arus IC.

FET terbahagi kepada dua jenis iaitu transistor kesan medan simpang (Junction FET@JFET) dan transistor kesan medan separuh pengalir oksida logam (Metal Oxide Semiconductor FET@MOSFET).


Background:

FET mempunyai beberapa kelebihan berbanding BJT seperti berikut:-

1. Mempunyai rintangan masukan yang tinggi iaitu beberapa M untuk FET berbanding dengan beberapa k untuk BJT.

2. FET sesuai digunakan untuk merekabentuk get-get logik kerana is tidak menghasilkan voltan ofset.

3. FET kurang dipengaruhi oleh hingar berbanding BJT di mana ia sesuai digunakan pada peringkat masukan untuk penguat tahap-rendah terutamanya dalam sistem audio.

4. FET lebih stabil dar isegi suhu berbanding dengan BJT dimana titik-Q bagi FET tidak mudah berubah dengan perubahan suhu berbanding BJT.

5. FET adalah lebih kecil berbanding BJT dari segi saiz pembuatan. Oleh itu FET terutamanya jenis MOSFET menggunakan ruang yang lebih kecil dalam litar bersepadu (Integrated Circuit@IC) berbanding BJT.


JFET Construction & Schematic Symbol

ppnn

Drain (D)

Source (S)

Gate (G)pp

nn

pp

nn

nnGate (G)

Drain (D)

Source (S)

Fig.1: N-channel JFET


JFET Construction & Schematic Symbol

Drain (D)

nn

pp

nn

nnGate (G)

Source (S)

Fig.2: Schematic symbol of N-channel JFET

D

S

G


MOSFET Construction & Schematic Symbol

Fig.3: N-channel MOSFET

Depletion-type MOSFET Enhancement-type MOSFET

pp

nn

Gate (G) Substrate

(b) N-channel enhancement-type MOSFET

Insulating material

(eg: SiO2)

nn

Drain (D)

Source (S)

(a) N-channel depletion-type MOSFET

ppnnGate (G) Substrate

Insulating material

(eg: SiO2) Drain (D)

Source (S)


MOSFET Construction & Schematic Symbol

Fig.4: Schematic symbols of N-channel MOSFET

Depletion-type MOSFET Enhancement-type MOSFET

(b) N-channel enhancement-type MOSFET

(a) N-channel depletion-type MOSFET

pp

nn

Gate (G) Substrate

Insulating material

(eg: SiO2)

nn

Drain (D)

Source (S)

ppnnGate (G) Substrate

Insulating material

(eg: SiO2)Drain (D)

Source (S)

D

S

G

D

S

G


JFET I-V Characteristics

pp

nn

D

S

Gpp

Fig.1: N-channel JFET (Drain characteristics)

+

－VDD

ID

VDS (V)Vp

D

S

G



pp

nn

D

S

Gpp

Fig.1: N-channel JFET (Drain characteristics)

+

－VDD > Vp

ID

VDS (V)Vp

VGS = 0 VIDSS

D

S

G


Ohm

ic region

Cutoff region

Active region


Fig.1: N-channel JFET (Output characteristics)Fig.1: N-channel JFET (Drain characteristics)

+

－VDD

VGG+

－

ID

VDS (V)

VGS = 0 VIDSS

Vp

VGS = -ve

VGS = - Vp = VGS (off)

D

S

G

pp

nn

D

S

Gpp



Fig.2: N-channel JFET (Input characteristics)

ID

VDS (V)Vp

VGS = 0 VIDSS

VGS = -ve

VGS = - Vp = VGS (off)VGS (V)

ID

IDSS

- Vp

VGS (off)

-1-2-3

2

)(

1

offGS

GSDSSD V

VII


D-MOSFET I-V Characteristics

Fig.3: N-channel D-MOSFET (Drain characteristics)

ppnnGSS

Insulating material

(eg: SiO2)

D

S

D

S

GID

VDS (V)Vp

+

－VDD




ppnnGSS

Insulating material

(eg: SiO2)

D

S

D

S

G

+

－VDD > Vp

ID

VDS (V)Vp

VGS = 0 VIDSS




pp

nn

GSS

Insulating material

(eg: SiO2)

D

S

D

S

G

+

－VDD > Vp

Ohm

ic region

Cutoff region

Active region

ID

VDS (V)

VGS = 0 VIDSS

Vp

VGS = -ve

VGS = - Vp = VGS (off)

VGG+

－

IG = 0



Fig.4: N-channel D-MOSFET (Input characteristics)

ID

VDS (V)Vp

VGS = 0 VIDSS

VGS = -ve


ID

IDSS

- Vp

VGS (off)

-1-2-3

2

)(

1

offGS

GSDSSD V

VII



Fig.4: N-channel D-MOSFET (Input characteristics)

ID

VDS (V)Vp

VGS = 0 VIDSS

VGS = -ve


ID

IDSS

- Vp

VGS (off)

-1-2-3

2

)(

1

offGS

GSDSSD V

VII VGS = +ve

Depletion mode

(0 ID IDSS)Enhancement mode

(ID > IDSS)


E-MOSFET I-V Characteristics

Fig.5: N-channel E-MOSFET (Drain characteristics)

ID

VDS (V)

+

－VDD

D

S

G

pp

nn

G SS

Insulating material

(eg: SiO2)

nn

D

S




ID

VDS (V)

+

－VDD

D

S

G

pp

nn

G SS

Insulating material

(eg: SiO2)

nn

D

S

+

－VGG

VGS = VTh

VGS = +ve

TGSDS VVV




ID

VDS (V)VGS = VTh

VGS = +ve

TGSDS VVV ID

VGS (V)VTh

2)(ThGSGSD VVkI


Kealiran-pindah hadapan punca-sepunya (Common source forward transconductance)

gm (juga dikenali sebagai gfs)Unit gm ialah Siemens (S)

PARAMETER ARUS-ULANGALIK (AU) JFET

Dimana;

)(

1offGS

GSmom V

Vgg

)(

2

offGS

DSSmo

V

Ig iaitu nilai kealiran pindah

semasa VGS = 0V



VGS (V)

ID

IDSS

- Vp

VGS (off)

-1-2-3

Titik-Q

ID

VGS

DSQVGS

Dm V

Ig

Nilai gm juga boleh diperolehi dari graf ciri pindah:



DSS

D

offGS

DSSm

DSS

D

offGS

GS

offGS

GSDSSD

offGS

GS

offGS

DSSm

I

I

V

IgMaka

I

I

V

Vatau

V

VIItetapi

V

V

V

Ig

)(

)(

2

)(

)()(

2

1

1

12

Secara penghampiran, rumus untuk menentukan nilai gm ialah


JFET PINCANGAN DIRI 1. Rajah berikut menunjukkan litar pe nguat JFET pincangan diri

dengan pemuat CS bagi konfigurasi sumber sepunya (CS). Diberi IDSS = 8 mA, VGS(off) = -4 V dan YOS = 40 S.

i. Kirakan titik kendalian AT iaitu nilai arus IDQ dan voltan

VGSQ.

ii. Kirakan nilai-nilai parameter model hibrid- iaitu gm dan

rd.

iii. Lukiskan litar setara AU pada frekuensi pertengahan.

iv. Kirakan galangan masukan Zi dan galangan keluaran Zo.

v. Kirakan gandaan voltan Av = Vo / Vi dan gandaan arus

Ai = io / ii.


JFET PINCANGAN DIRI

+ VDD (+12 V)

RD

ID

RL10k VoVi

C1

C2

IG

iiio

ZiZo

2.2k

CS RS750

RG10M

VGS


+ VDD (+12 V)

RD

ID

RL10k VoVi

C1

C2

IG

iiio

ZiZo

2.2k

CS RS750

RG10M

VGS

JFET PINCANGAN DIRI-Analisis AT (DC Analysis)-

i. Analisis AT

Semua pemuat (capacitor) hendaklah dilitarbukakan.



+ VDD (+12 V)

RD

ID

RL10k VoVi

C1

C2

IG

iiio

ZiZo

2.2k

CS RS750

RG10M

VGS

Analisis AT

Semua pemuat (capacitor) hendaklah dilitarbukakan.

+ VDD(+12 V)

RD

IDIG=0 A

2.2k

RS750

RG10M

VGS



+ VDD(+12 V)

RD

IDIG=0 A

2.2k

RS750

RG10M

VGS

I

1. Gelung I

2

2)(

2

)(

)4(

)(1)8(

)()4(

1)8(

,48

1

)(

0ker

00

SDD

GSD

offGSDSS

offGS

GSDSSD

SDGS

DSG

SSGSGG

RSGSGS

RImI

atasdipersamaandalamkeipersamaanMasukkan

VmI

makaVVdanmAIDiberiV

VIIjugaDiketahui

iRIV

IIdanAIanaOleh

RIVRIVVV


+ VDD(+12 V)

RD

IDIG=0 A

2.2k

RS750

RG10M

VGS

I

1. Gelung I

mAImakaIIanaOlek

mAmAI

mI

a

acbbI

rumusnmenggunakaDengan

mIIsamb

D

DSSD

D

D

D

DD

42.2,ker

[email protected])25.281(2

)8)(25.281(4)4(4

2

4

08425.281.

2

2

2



I

1. Gelung I

mAIIdanVVadalahsebenarVchNbagiVVanaOleh

VVmV

IVirumusDari

mAISekiranya

VVmV

IVirumusDari

mAISekiranyasamb

DS

GSGS

offGSGS

GS

GS

DGS

D

GS

GS

DGS

D

42.282.1

)(ker

86.8)750)(81.11(

)750()(

81.11

82.1)750)(42.2(

)750()(

42.2.

)(

+ VDD(+12 V)

RD

IDIG=0 A

2.2k

RS750

RG10M

VGS



ii. - Kealiranpindah gm - Rintangan rd

)(18.2

)4(

)82.1(1

4

)8(2

12

)()(

mS

m

V

V

V

Ig

offGS

GS

offGS

DSSm

)(2540

1

1@

kS

Yrr

OSdsd

JFET PINCANGAN DIRI-Analisis AU (AC Analysis)-


iii. Litar setara AU adalah seperti di bawah.

vgs

ioig=0

rds

gmvgs

g

s

d

vi voRD

ii

RG RL

ZiZo

Analisis AU

Semua bekalan voltan (cth VCC) dan semua pemuat (cth C1 dan C2) hendaklah dipintaskan.



iv. - Galangan masukan Zi - Galangan keluaran Zo

vgs

g

s

RG

Zi

ii ig=0A

)(10

MRZ Gi

d

RC

Zo

rds

kkk

rRZ dsDo

02.2252.2



v. - Gandaan voltan Av - Gandaan arus Ai

78.3

)68.1)(25.2(

kmRrRg

v

vA

LdsDm

i

ov

3781

)10)(25.2(1002.2

02.2)(

MmSkk

k

ZgRrR

rRi

iA

imLdsD

dsD

i

oi

)(

)(

gsmLO

Oo

iigsi

LdsDgsmo

vgRZ

Zi

ZivvRrRvgv


Documents

Ch2 - FET as small signal amplifier.pptx