#42 انحياز الموسفت بمقسم جهد: تحميل الدخل رغم البوابة المفتوحة

تجد أدناه جميع الأسطر المكتوبة في الدفتر مع النص الكامل للشرح الصوتي.

1. 1. نتتبع الإشارة قبل الترانزستور

   

   مولد ثم شبكة دخل ثم موسفت ثم خرج؛ هل تصل ⁦1 [mV]⁩ كلها للبوابة المفتوحة؟

   قد توهن مقاومة خارج الترانزستور الدخل؛ نميز كسبي المرحلة والمجموعة

   نص الشرح الصوتي

   نبدأ بمسار الإشارة كاملا: مولد الإشارة، وشبكة دخل المضخم، والموسفت، ثم الخرج. يولد المولد ملي فولت واحدا. لا تستقبل بوابة الموسفت المثالية تيار إشارة. فهل يصل إليها الملي فولت كله بالضرورة؟ راقب مؤشري جهد المولد والبوابة معا. يمكن لمقاومة خارج الترانزستور أن تغير الإجابة. هدفنا تفسير أين يظهر جهد الإشارة الناقص، ثم توقع الخرج دون الخلط بين كسب المضخم وكسب المجموعة الكاملة التي تضم المولد والمضخم.

2. 2. نتتبع الإشارة قبل الترانزستور

   

   تحدد ⁦R₁⁩ و⁦R₂⁩ انحياز البوابة؛ تجاوز R_S وربط الدخل يعزل المستمر

   R_sig مقاومة المولد الخارجية وليست R_S؛ نغيرها دون تغيير الانحياز

   نص الشرح الصوتي

   تصل آر واحد التغذية بالبوابة، وتصل آر اثنان البوابة بالأرضي. لطرف المصدر مقاومته آر إس، وعلى التوازي معها مكثف تجاوز. يتصل المصرف بالتغذية عبر آر دي. يفصل مكثف ربط الدخل مولد الإشارة عن انحياز البوابة المستمر. انتبه للأسماء: مقاومة مولد الإشارة الخارجية هي آر سيغ، وليست مقاومة طرف المصدر آر إس. سنغير آر سيغ مع إبقاء المضخم ونقطة تشغيله المستمرة دون تغيير.

3. 3. نحدد نقطة تشغيل مستمر صالحة

   المكثفات مفتوحة للمستمر؛ ⁦V_G=12×300/(900+300)=3 V⁩

   تيار المقسم ⁦10 [μA]⁩ رغم انعدام تيار البوابة؛ نفصل المستمر عن الإشارة

   نص الشرح الصوتي

   نحلل أولا المستمر، حيث تكون مكثفات الربط والتجاوز دوائر مفتوحة. نهمل تسرب البوابة، ولذلك يمر التيار نفسه في مقاومتي المقسم. مع تغذية اثني عشر فولت، جهد البوابة يساوي اثني عشر في ثلاثمئة مقسوما على مجموع تسعمئة وثلاثمئة: ثلاثة فولت. تيار المقسم عشرة ميكروأمبير. انعدام تيار البوابة لا يعني انعدام التيار في كل ما حولها. فالمقسم يوفر أصلا مسارا من التغذية إلى الأرضي. هذه مقادير مستمرة، وسنحسب تغيرات الإشارة بصورة منفصلة.

4. 4. نحدد نقطة تشغيل مستمر صالحة

   تعزيز ⁦V_TH=1 V; k=1 [mA]/V⁩² يتضمن النصف؛ الجذران ⁦I_D=1⁩ أو⁦4 [mA]⁩

   الجذر ⁦4 [mA]⁩ يعطي تجاوزا سالبا فنرفضه؛ ⁦I_D=1 [mA]⁩ و⁦V_OV=1 V⁩

   نص الشرح الصوتي

   نستخدم موسفت تعزيز بقناة إن، بجهد عتبة فولت واحد، ومعامل كيه يساوي ملي أمبير واحدا لكل فولت مربع. يتضمن تعريف كيه هنا عامل النصف بالفعل. جهد المصدر يساوي تيار المصرف في واحد كيلو أوم. بعد التعويض في قانون التربيع نحصل على مرشحين جبريين للتيار: واحد وأربعة ملي أمبير. نختبرهما قبل الاختيار. أربعة ملي أمبير تجعل جهد المصدر أربعة فولت، وتعطي جهدا زائدا عن العتبة سالبا، فلا ينتمي هذا الجذر إلى فرع التوصيل في نموذجنا. التيار الصالح واحد ملي أمبير، والجهد الزائد عن العتبة فولت واحد.

5. 5. نحدد نقطة تشغيل مستمر صالحة

   

   $\displaystyle V_{S}=1 V; V_{\mathrm{GS}}=2 V$

   $\displaystyle V_{D}=7.3 V; V_{\mathrm{DS}}=6.3 V>V_{\mathrm{OV}}=1 V$

   نؤكد التشبع قبل التحليل الخطي للإشارة الصغيرة

   نص الشرح الصوتي

   نتحقق الآن من اتساق منطقة التشبع المفترضة. واحد ملي أمبير في مقاومة المصدر يعطي جهد مصدر مقداره فولت واحد. يصبح جهد البوابة إلى المصدر فولتين. تهبط مقاومة المصرف أربعة فاصلة سبعة فولت من تغذية الاثني عشر، فيبقى عند المصرف سبعة فاصلة ثلاثة فولت. نطرح جهد المصدر، فنحصل على جهد مصرف إلى مصدر مقداره ستة فاصلة ثلاثة فولت. يتجاوز ذلك الجهد الزائد عن العتبة البالغ فولت واحدا. إذن نقطة التشغيل صالحة لنموذج التربيع المحدد، ويمكننا الآن إجراء التحليل الخطي حولها بدلا من تطبيق كسب متناوب على انحياز لم نتحقق منه.

6. 6. نحدد مقاومتي الدخل والخرج

   

   نطاق متوسط مثالي: التغذية أرضي متناوب والربط والتجاوز قصر؛ ⁦v_s=0⁩ لكن ⁦V_S=1 V⁩ للمستمر

   ⁦v_gs=v_g; r_o→⁩∞؛ تبقى R_S مهمة للمستمر

   نص الشرح الصوتي

   في نموذج المتناوب المثالي للحزمة المتوسطة، تصبح التغذية الثابتة أرضي المتناوب. نقرب مكثف الربط ومكثف تجاوز المصدر بقصر. يثبت ذلك تغير جهد المصدر عند الصفر، وليس جهده الكلي. يبقى انحياز المستمر البالغ فولت واحد. ومع ثبات المصدر للمتناوب، تساوي إشارة البوابة إلى المصدر إشارة البوابة. نهمل أيضا تعديل طول القناة، فنأخذ مقاومة خرج الترانزستور لا نهائية. تبسط هذه الافتراضات دائرة التغيرات، لكنها لا تلغي مقاومة المصدر من حساب المستمر السابق.

7. 7. نحدد مقاومتي الدخل والخرج

   

   تصل المقاومتان لأرضي المتناوب:

   $\displaystyle R_{\mathrm{in}}=R_{1} ∥ R_{2}$

   ⁦900 kΩ⁩ ∥ ⁦300 kΩ=225 kΩ⁩؛ دخل مضخم محدود وبوابة ذاتية مفتوحة

   نص الشرح الصوتي

   ننظر إلى دخل المضخم، لا إلى طرف البوابة المجرد وحده. تصل آر اثنان إلى الأرضي أصلا. وتصل آر واحد الآن أيضا إلى أرضي المتناوب، لأن طرفها الآخر هو التغذية الثابتة. يجتمع تيارا الإشارة فيهما رغم أن تيار البوابة صفر. لذلك تكون مقاومة دخل المضخم آر واحد على التوازي مع آر اثنان. تسعمئة كيلو أوم على التوازي مع ثلاثمئة كيلو أوم تعطي مئتين وخمسة وعشرين كيلو أوم. لا تعارض بين بوابة مفتوحة ومقاومة دخل مضخم محدودة؛ فكل منهما يصف حدودا مختلفة للدائرة.

8. 8. نحدد مقاومتي الدخل والخرج

   نصفر الإشارة ونفصل الحمل ومع r_o اللانهائية:

   $\displaystyle R_{\mathrm{out}}=R_{D}=4.7 k\Omega$

   الحمل الخارجي منفصل عن مقاومة منفذ المضخم

   نص الشرح الصوتي

   لإيجاد مقاومة خرج المضخم، نصفر إشارة الدخل المستقلة ونفصل أي حمل خارجي عند الخرج. تصبح إشارتا جهد البوابة والمصدر صفرا، فيصبح مصدر التيار المتحكم فيه صفرا. ومع آر أو لا نهائية، يدفع جهد اختبار عند المصرف تيارا عبر آر دي فقط. لذلك تعطي قسمة جهد الاختبار على تياره آر دي، أي أربعة فاصلة سبعة كيلو أوم هنا. هذه مقاومة خرج المضخم نفسه. إذا أضفنا حملا لاحقا، فعلينا إدخاله بصورة منفصلة عند حساب جهد الخرج الذي يصل إليه.

9. 9. نميز بين كسبين مختلفين

   

   ارتفاع البوابة يزيد التيار فيخفض المصرف؛ ⁦A_gate=−g_m R_D⁩

   g_m=2kV_OV=2I_D/V_OV=2 mS

   ⁦A_gate=−9.4⁩؛ انعكاس الإشارة لا مقاومة سالبة

   نص الشرح الصوتي

   مع وجود الإشارة، تزيد الزيادة الموجبة عند البوابة تيار المصرف بمقدار جي إم في تغير جهد البوابة إلى المصدر. يزيد تيار المصرف هبوط الجهد عبر آر دي، فينخفض جهد المصرف. يكون الكسب من البوابة إلى الخرج سالب جي إم في آر دي. ومن قانون التربيع، تساوي جي إم ضعفي كيه في الجهد الزائد عن العتبة، أو ضعفي تيار الانحياز مقسوما على ذلك الجهد. يعطينا واحد ملي أمبير وفولت واحد اثنين ملي سيمنز. وبعد الضرب في أربعة فاصلة سبعة كيلو أوم، يكون الكسب من البوابة إلى الخرج سالب تسعة فاصلة أربعة. تصف الإشارة السالبة الانعكاس، لا مقاومة سالبة.

10. 10. نميز بين كسبين مختلفين

    ⁦v_g=v_sig R_in/(R_sig+R_in)⁩؛ كسب المولد يساوي كسب البوابة في كسر الدخل

    الانحياز وg_m ثابتان؛ التوهين قبل الترانزستور؛ نحدد دخل نسبة الكسب

    نص الشرح الصوتي

    نعيد الآن مولد الإشارة الخارجي. تشكل مقاومته آر سيغ مع مقاومة دخل المضخم مقسم جهد آخر، لكن هذه المرة للإشارة المتغيرة. تستقبل البوابة جهد المولد مضروبا في آر إن مقسومة على مجموع آر سيغ وآر إن. يحدث هذا التوهين قبل الترانزستور. لذلك يكون الكسب الكامل من المولد إلى الخرج مساويا للكسب من البوابة إلى الخرج مضروبا في كسر الدخل هذا. لم تتغير جي إم ولا نقطة الانحياز المستمرة؛ تغير الجهد الذي يصل فعليا إلى البوابة. حدد دائما جهد الدخل في نسبة الكسب قبل مقارنة كسبين مذكورين.

11. 11. نقارن المضخم نفسه مع مصدرين

    ⁦R_sig=0⁩: مولد ⁦+1 [mV] →⁩ بوابة ⁦+1 [mV] →⁩ تغير مصرف ⁦−9.4 [mV]⁩

    يبقى المصرف الفعلي قرب ⁦7.3 V⁩؛ تغير الخرج ليس تغذية سالبة

    نص الشرح الصوتي

    نستخدم أولا مولد جهد مثاليا بمقاومة داخلية صفرية. عند قمة جهد المولد الموجبة البالغة ملي فولت واحدا، تستقبل البوابة أيضا ملي فولت واحدا. يبقى تغير جهد طرف المصدر صفرا بسبب افتراض التجاوز المثالي. نضرب تغير البوابة في سالب تسعة فاصلة أربعة، فيكون تغير المصرف سالب تسعة فاصلة أربعة ملي فولت. نقرأ هذه القيم كتغيرات حول نقطة التشغيل. يبقى جهد المصرف الفعلي قريبا من سبعة فاصلة ثلاثة فولت؛ ولم يتحول إلى تغذية سالبة. تتيح المقاييس الثابتة مقارنة التجربة التالية دون تكبير آلي مضلل.

12. 12. نقارن المضخم نفسه مع مصدرين

    ⁦R_sig=R_in=225 kΩ⁩: مولد ⁦+1 [mV] →⁩ بوابة ⁦+0.5 [mV]⁩

    الكسب نفسه ⁦A_gate=−9.4⁩؛ ⁦v_o=−4.7 [mV]⁩

    بقية ⁦0.5 [mV]⁩ على R_sig؛ التيار في مقاومتي الانحياز لا في البوابة المثالية

    نص الشرح الصوتي

    نضيف الآن مقاومة مولد مقدارها مئتان وخمسة وعشرون كيلو أوم. لمقاومة دخل المضخم القيمة نفسها تماما، فتتقاسم المقاومتان إشارة المولد بالتساوي. عند قمة المولد الموجبة نفسها، أي ملي فولت واحد، تستقبل البوابة نصف ملي فولت. ما زالت مرحلة الترانزستور تضرب دخل بوابتها في سالب تسعة فاصلة أربعة. لذلك يكون تغير المصرف سالب أربعة فاصلة سبعة ملي فولت. يظهر نصف الملي فولت الآخر عبر مقاومة المولد الخارجية. يمر التيار في مقاومتي الانحياز، لا داخل البوابة المثالية. هذا تحميل عادي للدخل رغم البوابة المعزولة.

13. 13. نجيب عن السؤال ونحدد الحدود

    

    تقلل r_o المحدودة والحمل مقاومة المصرف؛ يحد التجاوز والربط وسعة البوابة النطاق

    إشارة صغيرة وانحياز تشبع ثابت؛ نفصل اصطلاحات g_m الخاصة بالأجهزة

    نص الشرح الصوتي

    لصيغة الكسب المختصرة حدود. تقلل مقاومة خرج الترانزستور المحدودة المقاومة الفعالة عند المصرف، ويقللها الحمل الخارجي أكثر. لا يقصر مكثف تجاوز حقيقي المصدر عند كل تردد، فتعود تغذية المصدر الراجعة عندما تصبح ممانعته مؤثرة. تحد مكثفات الربط وسعة البوابة أيضا من مجال التردد المفيد. افترضنا إشارات صغيرة وانحياز تشبع ثابتا، لا قصا للإشارة ولا انجرافا حراريا. القول إن آر أو أكبر بكثير من آر دي تقريب، لا مساواة تامة. ونفصل صيغ الناقلية الخاصة بكل نوع في المذكرة الأصلية بدلا من خلط معاملات التعزيز والاستنزاف.

14. 14. نجيب عن السؤال ونحدد الحدود

    الجواب: تسحب مقاومات الانحياز تيار إشارة؛ المقاومتان المتساويتان تعطيان ⁦1→0.5→−4.7 [mV]⁩

    يحتفظ طرف المصدر بمستمر ⁦1 V⁩ ومتغير مثالي صفر؛ نتتبع الشبكة كاملة

    نص الشرح الصوتي

    نعود إلى مؤشري المولد والبوابة. لماذا لم يصل نصف الإشارة إلى بوابة مثالية لا تستقبل تيارا؟ لأن دخل المضخم يشمل مقاومتي انحيازه. تشكل مقاومتهما المتوازية مع مقاومة المولد الخارجية مقسم جهد. مع تساوي المقاومتين، يصبح ملي فولت واحد عند المولد نصف ملي فولت عند البوابة، ثم سالب أربعة فاصلة سبعة ملي فولت عند المصرف. يحتفظ طرف المصدر بانحيازه المستمر البالغ فولت واحدا، بينما يبقى تغير إشارته المتجاوز مثاليا صفرا. تتبع الشبكة كاملة، وحدد الجهد المستخدم في نسبة الكسب، فيظهر أين ذهب نصف الإشارة الذي بدا مفقودا.

الفيديو المصدر: أساسيات الإلكترونيات #42 | تيار البوابة صفر، فأين ذهب نصف الإشارة؟ (10:05)