Dans notre précédent tutoriel sur les amplificateurs FET, nous avons vu que des amplificateurs à étage unique simples peuvent être réalisés à l’aide de transistors à effet de champ à jonction, ou JFET. Mais il existe d’autres types de transistors à effet de champ qui peuvent être utilisés pour construire un amplificateur, et dans ce tutoriel, nous allons examiner l’amplificateur MOSFET.

Le transistor à effet de champ à oxyde métallique, ou MOSFET pour faire court, est un excellent choix pour les amplificateurs linéaires à petit signal car leur impédance d’entrée est extrêmement élevée, ce qui les rend faciles à polariser. Mais pour qu’un MOSFET produise une amplification linéaire, il doit fonctionner dans sa région de saturation, contrairement au transistor bipolaire à jonction. Mais tout comme le BJT, un MOSFET doit également être polarisé autour d’un point Q fixe central.

Un transistor MOSFET typique

Les MOSFETs laissent passer un courant électrique à travers une région ou un chemin conducteur appelé « le canal ». Nous pouvons élargir ou réduire ce canal conducteur en appliquant un potentiel de porte approprié.

Un champ électrique induit autour de la borne de porte par l’application de ce voltage de porte affecte les caractéristiques électriques du canal, d’où le nom transistor à effet de champ.

En d’autres termes, nous pouvons contrôler le fonctionnement du MOSFET en créant ou en « améliorant » son canal conducteur entre les régions source et drain, produisant ainsi un type de MOSFET couramment appelé MOSFET d’amélioration à canal n. Cela signifie simplement que, sauf si nous les polarisons positivement sur la porte (négativement pour le canal p), aucun courant de canal ne circulera.

Il existe de grandes variations dans les caractéristiques des différents types de MOSFET, et par conséquent, la polarisation d’un MOSFET doit être effectuée individuellement. Comme pour la configuration à émetteur commun du transistor bipolaire, l’amplificateur MOSFET à source commune doit être polarisé à une valeur de quiescent appropriée. Mais d’abord, rappelons-nous des caractéristiques et de la configuration de base des MOSFETs.

MOSFET N-channel d’amélioration

Notez que les différences fondamentales entre un transistor bipolaire à jonction et un FET sont qu’un BJT a des bornes étiquetées Collecteur, Émetteur et Base, tandis qu’un MOSFET a des bornes étiquetées Drain, Source et Porte.

De plus, le MOSFET diffère du BJT en ce sens qu’il n’y a pas de connexion directe entre la porte et le canal, contrairement à la jonction base-émetteur du BJT, puisque l’électrode de la porte en métal est électriquement isolée du canal conducteur, lui donnant le nom secondaire de Transistor à Effet de Champ à Porte Isolée, ou IGFET.

Nous pouvons voir que pour le MOSFET à canal n (NMOS) ci-dessus, le matériau semi-conducteur de substrat est de type p, tandis que les électrodes source et drain sont de type n. La tension d’alimentation sera positive. Polariser la borne de la porte de manière positive attire les électrons dans le substrat semi-conducteur de type p sous la région de la porte vers celle-ci.

Cette abondance d’électrons libres dans le substrat de type p provoque l’apparition ou la croissance d’un canal conducteur au fur et à mesure que les propriétés électriques de la région de type p s’inversent, changeant ainsi efficacement le substrat de type p en un matériau de type n permettant au courant de canal de circuler.

Inversement, pour le MOSFET à canal p (PMOS), un potentiel de porte négatif provoque une accumulation de trous sous la région de la porte car ils sont attirés par les électrons côté extérieur de l’électrode de la porte en métal. Le résultat est que le substrat de type n crée un canal conducteur de type p.

Ainsi, pour notre transistor MOS à type n, plus nous appliquons un potentiel positif sur la porte, plus l’accumulation d’électrons autour de la région de la porte est grande et plus le canal conducteur devient large. Cela améliore l’écoulement d’électrons à travers le canal permettant à un plus grand courant de canal de circuler du drain à la source, ce qui donne le nom d’MOSFET d’amélioration.

Amplificateur MOSFET d’amélioration

Le MOSFET d’amélioration, ou eMOSFET, peut être classé comme un dispositif normalement éteint (non conducteur), c’est-à-dire qu’il ne conduit que lorsqu’une tension de porte à source positive appropriée est appliquée, contrairement aux MOSFETs de type épuisement qui sont des dispositifs normalement allumés conduisant lorsque la tension de la porte est nulle.

Cependant, en raison de la construction et de la physique d’un MOSFET de type amélioration, il y a une tension de seuil minimale à la porte-source, appelée tension de seuil V_TH qui doit être appliquée à la porte avant qu’il ne commence à conduire permettant au courant de drain de circuler.

En d’autres termes, un MOSFET d’amélioration ne conduit pas lorsque la tension porte-source, V_GS est inférieure à la tension de seuil, V_TH, mais à mesure que le biais de porte augmente, le courant de drain, I_D (également connu sous le nom de courant drain-source I_DS) augmentera également, semblable à un transistor bipolaire, ce qui rend l’eMOSFET idéal pour une utilisation dans des circuits amplificateurs MOSFET.

Les caractéristiques du canal conducteur du MOS peuvent être considérées comme un résistor variable contrôlé par la porte. La quantité de courant de drain qui circule à travers ce canal n dépend donc de la tension porte-source et l’une des nombreuses mesures que nous pouvons prendre à l’aide d’un MOSFET est de tracer un graphique des caractéristiques de transfert pour montrer la relation courant-tension entre le courant de drain et la tension de la porte comme montré.

Caractéristiques I-V de l’eMOSFET à canal n

Avec une tension fixée V_DS entre le drain et la source connectée à l’eMOSFET, nous pouvons tracer les valeurs du courant de drain, I_D avec des valeurs variables de V_GS pour obtenir un graphique des caractéristiques DC du MOSFET. Ces caractéristiques donnent la transconductance, gm du transistor.

Cette transconductance relie le courant de sortie à la tension d’entrée représentant le gain du transistor. La pente de la courbe de transconductance à tout point le long de celle-ci est donc donnée par : gm = I_D/V_GS pour une valeur constante de V_DS.

Donc, par exemple, supposons qu’un transistor MOS passe un courant de drain de 2mA lorsque V_GS = 3v et un courant de drain de 14mA lorsque V_GS = 7v. Alors :

Ce rapport est appelé la transconductance statique ou DC du transistor qui est une abréviation pour “transconductance de transfert” et est donné en Siemens (S), car son unité est des ampères par volt. Le gain de tension d’un amplificateur MOSFET est directement proportionnel à la transconductance et à la valeur de la résistance de drain.

À V_GS = 0, aucun courant ne circule à travers le canal du transistor MOS car l’effet de champ autour de la porte est insuffisant pour créer ou « ouvrir » le canal de type n. Donc, le transistor est dans sa zone d’arrêt agissant comme un interrupteur ouvert. En d’autres termes, avec une tension de porte nulle appliquée, le MOSFET à canal n eMOSFET est dit normalement éteint et cet état « OFF » est représenté par la ligne de canal cassée dans le symbole de l’eMOSFET (contrairement aux types d’épuisement qui ont une ligne de canal continue).

À mesure que nous augmentons progressivement la tension porte-source positive V_GS, l’effet de champ commence à améliorer la conductivité des régions du canal et il y a un point où le canal commence à conduire. Ce point est connu sous le nom de tension de seuil V_TH. À mesure que nous augmentons V_GS, le canal conducteur devient plus large (moins de résistance) et le courant de drain, I_D, augmente en conséquence. Rappelez-vous que la porte ne conduit jamais de courant car elle est électriquement isolée du canal, ce qui donne à un amplificateur MOSFET une impédance d’entrée extrêmement élevée.

Par conséquent, le MOSFET à canal n d’amélioration sera en mode d’arrêt lorsque la tension porte-source, V_GS, est inférieure à son niveau de tension de seuil, V_TH, et son canal conduit ou est saturé lorsque V_GS est au-dessus de ce niveau de seuil. Lorsque le transistor eMOS est en opération dans la région de saturation, le courant de drain, I_D est donné par :

Courant Drain de l’eMOSFET

Notez que les valeurs de k (paramètre de conduction) et V_TH (tension de seuil) varient d’un eMOSFET à l’autre et ne peuvent pas être physiquement modifiées. Cela est dû à des spécifications spécifiques liées au matériau et à la géométrie de l’appareil qui sont intégrées lors de la fabrication du transistor.

La courbe des caractéristiques de transfert statiques à droite est généralement de forme parabolique (loi carrée) puis linéaire. L’augmentation du courant de drain, I_D, pour une augmentation donnée de la tension porte-source, V_GS détermine la pente ou le gradient de la courbe pour des valeurs constantes de V_DS.

Nous pouvons donc voir que mettre un transistor MOS d’amélioration « EN » est un processus graduel et afin d’utiliser le MOSFET comme amplificateur, nous devons polariser sa borne de porte à un certain point au-dessus de son niveau de seuil.

Il existe de nombreuses façons différentes de le faire, allant de l’utilisation de deux alimentations séparées, à la polarisation par rétroaction de drain, à la polarisation par diode Zener, etc. Mais quelle que soit la méthode de polarisation que nous utilisons, nous devons nous assurer que la tension de la porte est plus positive que celle de la source d’un montant supérieur à V_TH. Dans ce tutoriel sur l’amplificateur MOSFET, nous utiliserons maintenant le circuit de polarisation par diviseur de tension universel connu.

Polarisation DC du MOSFET

Le circuit de polarisation par diviseur de tension universel est une technique de polarisation populaire utilisée pour établir une condition de fonctionnement DC souhaitée des amplificateurs de transistors bipolaires ainsi que des amplificateurs MOSFET. L’avantage du réseau de polarisation par diviseur de tension est que le MOSFET, ou en effet un transistor bipolaire, peut être polarisé à partir d’une seule alimentation DC. Mais d’abord, nous devons savoir où polariser la porte pour notre amplificateur MOSFET.

Un dispositif MOSFET a trois régions d’opération différentes. Ces régions sont appelées : région ohmique/triode, région de saturation/linéaire et point d’arrêt. Pour qu’un MOSFET fonctionne comme un amplificateur linéaire, nous devons établir un point de fonctionnement quiescent bien défini, ou point Q, il doit donc être polarisé pour fonctionner dans sa région de saturation. Le point Q pour le MOSFET est représenté par les valeurs DC, I_D et V_GS qui positionnent le point de fonctionnement au centre de la courbe des caractéristiques de sortie des MOSFET.

Comme nous l’avons vu ci-dessus, la région de saturation commence lorsque V_GS est supérieure à V_TH niveau de tension de seuil. Par conséquent, si nous appliquons un petit signal AC qui est superposé à ce biais DC à l’entrée de la porte, alors le MOSFET agira comme un amplificateur linéaire comme montré.

Point de Biais DC de l’eMOSFET

Le circuit NMOS à source commune ci-dessus montre que la tension d’entrée sinusoïdale V_i est en série avec une source DC. Cette tension de porte DC sera définie par le circuit de polarisation. Ensuite, la tension totale porte-source sera la somme de V_GS et V_i.

Les caractéristiques DC et donc le point Q (point quiescent) sont toutes fonction de la tension de porte V_GS, de la tension d’alimentation V_DD et de la résistance de charge R_D.

Le transistor MOS est polarisé dans la région de saturation pour établir le courant de drain souhaité qui définira le point Q du transistor. À mesure que la valeur instantanée de V_GS augmente, le point de polarisation se déplace le long de la courbe comme montré, permettant à un courant de drain plus important de circuler tandis que V_DS diminue.

De même, lorsque la valeur instantanée de V_GS diminue (pendant la moitié négative de l’onde sinusoïdale d’entrée), le point de polarisation se déplace vers le bas le long de la courbe et une V_GS plus faible entraîne un courant de drain plus petit et une V_DS plus élevée.

Ensuite, pour établir un grand swing de sortie, nous devons polariser le transistor bien au-dessus du niveau de seuil pour garantir que le transistor reste en saturation sur l’ensemble du cycle d’entrée sinusoïdal. Cependant, il y a une limite à la quantité de polarisation de porte et au courant de drain que nous pouvons utiliser. Pour permettre un maximum de swing de tension à la sortie, le point Q doit être positionné approximativement à mi-chemin entre la tension d’alimentation V_DD et la tension de seuil V_TH.

Donc, par exemple, supposons que nous voulons construire un amplificateur NMOS à source commune à un étage. La tension de seuil, V_TH de l’eMOSFET est de 2,5 volts et la tension d’alimentation, V_DD est de +15 volts. Alors le point de polarisation DC sera 15 – 2,5 = 12,5v ou 6 volts à la valeur entière la plus proche.

Les Caractéristiques I_D – V_DS des MOSFETs

Nous avons vu ci-dessus que nous pouvons construire un graphique des caractéristiques DC du MOSFET en maintenant la tension d’alimentation, V_DD constante et en augmentant la tension de la porte, V_G. Mais afin d’obtenir une image complète du fonctionnement du MOSFET à type n d’amélioration à utiliser dans un circuit amplificateur MOSFET, nous devons afficher les caractéristiques de sortie pour différentes valeurs de V_DD et V_GS.

Comme avec le transistor bipolaire NPN, nous pouvons construire un ensemble de courbes de caractéristiques de sortie montrant le courant de drain, I_D pour des valeurs positives croissantes de V_G pour un transistor MOS à canal n d’amélioration comme montré.

Courbes de Caractéristiques des eMOSFETs de type N

Notez qu’un dispositif eMOSFET à canal p aurait un ensemble très similaire de courbes de caractéristiques de courant de drain, mais la polarité de la tension de la porte serait inversée.

Amplificateur MOSFET de Base à Source Commune

Auparavant, nous avons vu comment établir la condition de fonctionnement DC souhaitée pour polariser l’eMOSFET à type n. Si nous appliquons un petit signal variable dans le temps à l’entrée, alors dans les bonnes circonstances, le circuit MOSFET peut agir comme un amplificateur linéaire à condition que le point Q des transistors soit quelque part près du centre de la région de saturation, et que le signal d’entrée soit suffisamment petit pour que la sortie reste linéaire. Considérons le circuit amplificateur MOSFET de base ci-dessous.

Amplificateur MOSFET de Base

Cette configuration simple d’amplificateur MOSFET à source commune en mode d’amélioration utilise une seule alimentation au drain et génère la tension de porte requise, V_G à l’aide d’un diviseur de résistance. Nous nous souvenons que pour un MOSFET, aucun courant ne circule dans la borne de la porte et à partir de cela, nous pouvons faire les hypothèses suivantes sur les conditions de fonctionnement DC des amplificateurs MOSFET.

Alors, de cela, nous pouvons dire que :

et la tension porte-source du MOSFET, V_GS est donnée par :

Comme nous l’avons vu ci-dessus, pour un fonctionnement correct du MOSFET, cette tension porte-source doit être supérieure à la tension de seuil du MOSFET, c’est-à-dire V_GS > V_TH. Puisque I_S = I_D, la tension de la porte, V_G est donc égale à :

Pour définir la tension de la porte de l’amplificateur MOSFET à cette valeur, nous sélectionnons les valeurs des résistances, R1 et R2 au sein du réseau de diviseur de tension aux valeurs correctes. Comme nous le savons ci-dessus, « aucun courant » ne circule dans la borne de la porte d’un dispositif MOSFET, donc la formule de division de tension est donnée comme :

Tension de Biais de la Porte de l’Amplificateur MOSFET

Notez que cette équation de diviseur de tension ne détermine que le rapport des deux résistances de polarisation, R1 et R2, et non leurs valeurs réelles. Il est également souhaitable de rendre ces deux valeurs de résistances aussi grandes que possible pour réduire leur perte de puissance I²*R et augmenter l’impédance d’entrée de l’amplificateur MOSFET.

Exemple d’Amplificateur MOSFET No1

Un amplificateur MOSFET à source commune doit être construit en utilisant un eMOSFET à canal n qui a un paramètre de conduction de 50mA/V² et une tension de seuil de 2,0 volts. Si la tension d’alimentation est de +15 volts et la résistance de charge est de 470 Ohms, calculez les valeurs des résistances nécessaires pour polariser l’amplificateur MOSFET à 1/3(V_DD). Dessinez le schéma du circuit.

Valeurs données : V_DD = +15v, V_TH = +2.0v, k = 50mA/V² et R_D = 470Ω.

Pour une forme d’onde de sortie non déformée et symétrique, définissez la tension de polarisation DC de la borne de drain à la moitié de la tension d’alimentation.

1. Courant de Drain, I_D

2. Tension Porte-Source, V_GS

3. Tension de la Porte, V_G

Ainsi, en appliquant KVL à travers le MOSFET, la tension drain-source, V_DS, est donnée par :

4. Résistance de Source, R_S

Le rapport des résistances du diviseur de tension, R1 et R2, nécessaires pour donner 1/3V_DD est calculé comme suit :

Si nous choisissons : R1 = 200kΩ et R2 = 100kΩ, cela satisfera la condition de : V_G = 1/3V_DD. Cette combinaison de résistances de polarisation donnera également une impédance d’entrée à l’amplificateur MOSFET d’environ 67kΩ.

Nous pouvons aller un peu plus loin dans ce design en calculant les valeurs des condensateurs de couplage d’entrée et de sortie. Si nous supposons une fréquence de coupure inférieure pour notre amplificateur MOSFET d’environ 20Hz, alors les valeurs des deux condensateurs en tenant compte de l’impédance d’entrée du réseau de polarisation de la porte sont calculées comme suit :

Alors le circuit final pour le circuit d’amplificateur MOSFET à un étage est donné comme suit :

Amplificateur MOSFET à un étage

Résumé de l’Amplificateur MOSFET

Le principal objectif d’un amplificateur MOSFET, ou de tout amplificateur d’ailleurs, est de produire un signal de sortie qui est une reproduction fidèle de son signal d’entrée mais amplifié en magnitude. Ce signal d’entrée pourrait être un courant ou une tension, mais pour qu’un dispositif MOSFET fonctionne comme un amplificateur, il doit être polarisé pour fonctionner dans sa région de saturation.

Il existe deux types de base de MOSFETs en mode d’amélioration, à canal n et à canal p, et dans ce tutoriel sur l’amplificateur MOSFET, nous avons examiné l’amplificateur MOSFET d’amélioration à canal n souvent appelé NMOS, car il peut fonctionner avec des tensions de porte et de drain positives par rapport à la source, contrairement au PMOS à canal p qui fonctionne avec des tensions de porte et de drain négatives par rapport à la source.

La région de saturation d’un dispositif MOSFET est sa zone de courant constant au-dessus de sa tension de seuil, V_TH. Une fois correctement polarisé dans la région de saturation, le courant de drain, I_D, varie en fonction de la tension porte-source, V_GS et non de la tension drain-source, V_DS, puisque le courant de drain est considéré comme saturé.

Dans un MOSFET en mode d’amélioration, le champ électrostatique créé par l’application d’une tension de porte améliore la conductivité du canal, au lieu de l’épuiser comme dans le cas d’un MOSFET en mode d’épuisement.

La tension de seuil est la polarisation de porte minimale requise pour permettre la formation du canal entre la source et le drain. Au-dessus de cette valeur, le courant de drain augmente proportionnellement à (V_GS – V_TH)² dans la région de saturation lui permettant de fonctionner comme un amplificateur.