#44 موسفت ببوابة مشتركة: بوابة ثابتة ومصرف يرتفع

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

1. 1. نحرك المصدر، لا البوابة

   

   هل يضخم مع بوابة ثابتة؟ الدخل من المصدر والخرج من المصرف والبوابة مرجع مشترك

   نرفع المصدر ونتوقع اتجاه المصرف ولماذا يسحب الدخل تيارا

   نص الشرح الصوتي

   هل يستطيع الموسفت تضخيم إشارة بينما تبقى بوابته ثابتة؟ نحدد أولا أطرافه الثلاثة. تدخل الإشارة اليوم من المصدر، ونأخذ الخرج من المصرف. البوابة هي مرجع الإشارة الثابت. تخيل رفع المصدر بمقدار صغير جدا. هل يرتفع خرج المصرف أم ينخفض؟ سنتتبع جهد البوابة إلى المصدر وتغير تيار المصرف والهبوط عبر مقاومة المصرف للإجابة. ثم نفسر لماذا يسحب دخل المصدر هذا تيارا رغم أن بوابة الموسفت نفسها معزولة.

2. 2. نحرك المصدر، لا البوابة

   

   R_D للتغذية وR_S للأرضي؛ نربط الدخل بالمصدر والخرج بالمصرف ونؤرض البوابة للمتناوب

   أرضي المتناوب لا يعني صفرا للمستمر؛ لا نتجاوز R_S كي لا نقصر الدخل

   نص الشرح الصوتي

   تتصل مقاومة المصرف آر دي بالتغذية. تصل آر إس المصدر بالأرضي، ونربط إشارة الدخل بعقدة المصدر هذه. ونربط الخرج من المصرف. يثبت مكثف البوابة عند أرضي المتناوب ضمن المجال الترددي المطلوب. لا يشترط أرضي المتناوب أن يكون جهد البوابة المستمر صفرا؛ فهذان وصفان مختلفان. في مثال انحيازنا الإضافي، يتصل مسار رجوع البوابة المستمر بالأرضي أيضا. لا نضع مكثف تجاوز عبر آر إس هنا، لأنه سيقصر كذلك دخل المصدر الذي نحاول قيادته.

3. 3. نتتبع جهد التحكم والإشارات

   

   استنزاف ⁦V_TH=−2 V; k=1 [mA]/V⁩² يتضمن النصف؛ ⁦R_S=1 kΩ; R_D=4.7 kΩ; V_DD=12 V⁩

   $\displaystyle I_{\mathrm{DQ}}=1 \left[\mathrm{mA}\right]; V_{S}=1 V; V_{\mathrm{GS}}=-1 V; V_{D}=7.3 V; V_{\mathrm{DS}}=6.3 V$

   ⁦V_DS>V_OV=1 V; g_m=2 mS⁩؛ نهمل مقاومة الخرج وتأثير الجسم

   نص الشرح الصوتي

   نستخدم موسفت استنزاف بقناة إن في مثال البوابة المؤرضة للمستمر هذا. نختار عتبة سالب فولتَين، وكيه بمقدار ملي أمبير واحد لكل فولت مربع، ومقاومة مصدر واحد كيلو أوم، ومقاومة مصرف أربعة فاصلة سبعة كيلو أوم، وتغذية اثني عشر فولت. يتضمن كيه النصف في قانون التربيع. تيار الانحياز الصالح واحد ملي أمبير. المصدر عند فولت واحد، وجهد البوابة إلى المصدر سالب فولت واحد. المصرف عند سبعة فاصلة ثلاثة فولت، فيكون جهد المصرف إلى المصدر ستة فاصلة ثلاثة فولت. يتجاوز هذا الجهد الزائد البالغ فولت واحدا، ويعطي جي إم محلية مقدارها اثنان ملي سيمنز. نهمل آر أو وتأثير الجسم في نموذج المتناوب.

4. 4. نتتبع جهد التحكم والإشارات

   

   $\displaystyle v_{\mathrm{gs}}=v_{g}-v_{s}=-v_{\mathrm{in}}; \Delta i_{d}=-g_{m} v_{\mathrm{in}}$

   ارتفاع المصدر يخفض v_gs وتيار المصرف وهبوط R_D فيرتفع المصرف

   نص الشرح الصوتي

   جهد التحكم هو جهد البوابة ناقص جهد المصدر. لأن تغير البوابة صفر وتغير المصدر هو دخلنا، تساوي إشارة البوابة إلى المصدر سالب الدخل. لذلك يقلل دخل مصدر موجب جهد التحكم. تغير تيار المصرف هو جي إم في هذا التغير السالب، فينخفض التيار. يعني التيار الأقل هبوطا أقل عبر آر دي، فيرتفع خرج المصرف. لم نعكس قانون تحكم الترانزستور؛ بل حركنا الطرف الآخر لفرق جهد التحكم. هذا أصل كسب الجهد الموجب في البوابة المشتركة.

5. 5. نتتبع جهد التحكم والإشارات

   $\displaystyle v_{o}=-\Delta i_{d} R_{D}=+g_{m} R_{D} v_{\mathrm{in}}; A_{\mathrm{stage}}=+g_{m} R_{D}$

   مقاومة خرج لا نهائية ودون حمل؛ نستخدم R_D ∥ R_L للكسب المحمل لا R_out الذاتية

   نص الشرح الصوتي

   نكتب حجة الإشارات نفسها بالمعادلات. تغير تيار المصرف هو جي إم في في جي إس، أي سالب جي إم في في إن. وتغير الخرج هو سالب تيار المصرف في آر دي. تلغي الإشارتان السالبتان إحداهما الأخرى، فيبقى موجب جي إم في آر دي في الدخل. إذن كسب المرحلة موجب جي إم في آر دي. تفترض الصيغة غياب حمل خرج خارجي ومقاومة خرج ترانزستور لا نهائية. إذا وصلنا حملا متناوبا منفصلا، نستخدم آر دي على التوازي مع ذلك الحمل لكسب الجهد الواصل إليه. لا نعد الحمل ضمن مقاومة خرج المضخم نفسه دون توضيح.

6. 6. لماذا يسحب دخل المصدر تيارا؟

   

   الدخل من المصدر لا البوابة:

   $\displaystyle i_{\mathrm{in}}+\Delta i_{d}=\frac{v_{\mathrm{in}}}{R_{S}}; i_{\mathrm{in}}=v_{\mathrm{in}}\left(\frac{1}{R_{S}}+g_{m}\right)$

   $\displaystyle R_{\mathrm{in}}=R_{S} ∥ \left(\frac{1}{g_{m}}\right)=1000 ∥ 500\approx 333.3 \Omega$

   نص الشرح الصوتي

   لماذا لا تكون مقاومة الدخل هائلة ما دامت البوابة معزولة؟ لأن طرف الدخل هو المصدر، لا البوابة. عند عقدة المصدر، يساوي تيار الإشارة الداخل مضافا إليه تغير تيار المصرف التيار عبر آر إس. نعوض عن تغير تيار المصرف بسالب جي إم في الدخل. يصبح تيار الدخل المطلوب جهد الدخل مضروبا في مجموع مقلوب آر إس وجي إم. وبقسمة الجهد على التيار نحصل على آر إس على التوازي مع مقلوب جي إم. في مثالنا، واحد كيلو أوم على التوازي مع خمسمئة أوم يساوي نحو ثلاثمئة وثلاثة وثلاثين فاصلة ثلاثة أوم.

7. 7. لماذا يسحب دخل المصدر تيارا؟

   نصفر الدخل المستقل ونفصل الحمل؛ ⁦v_gs=0⁩ يجعل التيار المعتمد صفرا وفق قانونه

   ⁦R_out=R_D=4.7 kΩ⁩؛ يختلف اختبار خرج تابع المصدر

   نص الشرح الصوتي

   لإيجاد مقاومة الخرج، نصفر دخل المصدر المستقل ونفصل أي حمل خرج خارجي. تصبح إشارتا البوابة والمصدر صفرا. في نموذج آر أو اللا نهائية هذا، لا يستطيع جهد اختبار عند المصرف الرجوع عبر مقاومة بين المصرف والمصدر. تصبح قيمة المصدر المتحكم فيه صفرا لأن جهد تحكمه صفر، لا لأن من الجائز إيقاف المصادر المعتمدة دائما. يمر تيار الاختبار عبر آر دي. إذن مقاومة الخرج آر دي، أي أربعة فاصلة سبعة كيلو أوم هنا. يختلف هذا الاستدلال عن تابع المصدر، حيث يغير اختبار الخرج المصدر مباشرة، ومن ثم في جي إس.

8. 8. نتحقق من مثال إشارة كامل

   

   $\displaystyle v_{\mathrm{in}}=+1 \left[\mathrm{mV}\right]; v_{\mathrm{gs}}=-1 \left[\mathrm{mV}\right]; \Delta i_{d}=-2 \left[\mathrm{μA}\right]$

   $\displaystyle v_{o}=+9.4 \left[\mathrm{mV}\right]$

   $\displaystyle \Delta i_{\mathrm{RS}}=+1 \left[\mathrm{μA}\right]; i_{\mathrm{in}}=+3 \left[\mathrm{μA}\right]$

   يبقى التيار الكلي ⁦I_D≈0.998 [mA]⁩ موجبا؛ يتفق الكسب ومقاومة الدخل

   نص الشرح الصوتي

   نطبق موجب ملي فولت واحد مباشرة عند دخل المصدر. تبقى البوابة ثابتة، لذلك تتغير في جي إس بمقدار سالب ملي فولت واحد. مع جي إم البالغة اثنين ملي سيمنز، يكون تغير تيار المصرف سالب اثنين ميكروأمبير. نضرب في سالب أربعة فاصلة سبعة كيلو أوم، فيتغير خرج المصرف بمقدار موجب تسعة فاصلة أربعة ملي فولت. وفي الوقت نفسه تحمل مقاومة المصدر تغير تيار مقداره واحد ميكروأمبير نحو الأرضي. يجب أن يوفر مولد الدخل ثلاثة ميكروأمبير لتحقيق اتزان عقدة المصدر. يبقى تيار المصرف الكلي نحو صفر فاصلة تسعة تسعة ثمانية ملي أمبير، أي موجبا. تتحقق هذه القياسات من الكسب ومقاومة الدخل معا.

9. 9. نتحقق من مثال إشارة كامل

   مع ⁦R_sig=1 kΩ⁩ الخارجية و⁦R_in≈333.3 Ω⁩ يكون كسر الدخل⁦1/4⁩

   مولد⁦1 [mV] →⁩ دخل ترانزستور⁦0.25 [mV] →⁩ خرج⁦+2.35 [mV]⁩؛ كسب المرحلة نفسه⁦+9.4⁩

   نص الشرح الصوتي

   تجعل مقاومة الدخل المنخفضة مقاومة المولد الخارجية مهمة. نضيف واحد كيلو أوم من مقاومة مولد الإشارة، آر سيغ، خارج المضخم. تشكل مقسما مع مقاومة الدخل البالغة نحو ثلاثمئة وثلاثة وثلاثين أوم. يصل ربع جهد المولد فقط إلى طرف المصدر. لذلك يعطي مولد بإشارة ملي فولت واحد ربع ملي فولت عند دخل الترانزستور. ما زالت المرحلة تضرب دخلها الخاص في موجب تسعة فاصلة أربعة، فيكون الخرج موجب اثنين فاصلة ثلاثة خمسة ملي فولت. يختلف الكسب الكلي عن كسب المرحلة لأن المقامين يشيران إلى جهدين مختلفين.

10. 10. نقارن الترتيبات المشتركة الثلاثة

    مصدر مشترك: بوابة ثم مصرف معكوس؛ مصرف مشترك: بوابة ثم مصدر موجب<⁦1⁩؛ بوابة مشتركة: مصدر ثم مصرف موجب

    دخل البوابة المشتركة ليس البوابة المعزولة؛ نحدد المنافذ قبل الإشارات والتيارات

    نص الشرح الصوتي

    نضع الترتيبات الثلاثة المألوفة جنبا إلى جنب، ونحدد أولا الدخل والخرج والطرف المشترك. يستقبل المصدر المشترك إشارة البوابة ويعطي خرج مصرف معكوسا. يستقبل المصرف المشترك إشارة البوابة ويجعل المصدر يتبعها بكسب جهد موجب أقل من واحد في النموذج الذي درسناه. تستقبل البوابة المشتركة إشارة المصدر وتعطي خرج مصرف غير معكوس. ليست البوابة المعزولة هي طرف الدخل في هذا الترتيب الأخير. يغير اختيار الطرف إشارة الكسب ومتطلبات تيار الدخل معا. اسم الترانزستور وحده لا يكفي لتحديد سلوك المضخم.

11. 11. نقارن الترتيبات المشتركة الثلاثة

    

    مقاومة خرج لا نهائية ودون تأثير الجسم؛ قد يغير دخل المصدر الحقيقي جهد الجسم والناقلية

    للتأريض والربط حدود تردد؛ تبقى فروض الإشارة الصغيرة والتشبع وهامش الجهد

    نص الشرح الصوتي

    تفترض صيغنا المختصرة آر أو لا نهائية، وغياب تأثير الجسم، وانحياز تشبع ثابتا، وإشارات صغيرة. قد يغير دخل المصدر الحقيقي جهد الجسم إلى المصدر أيضا، فيؤثر تأثير الجسم في ناقلية الدخل الفعالة والكسب. وتربط آر أو المحدودة الخرج بالدخل بصورة مختلفة. تعمل مكثفات تأريض البوابة والربط ضمن مجالها الترددي المقصود فقط. قد تتجاوز الإشارات الكبيرة صلاحية التقريب المحلي أو هامش الجهد المتاح. نشرح النموذج المثالي للمذكرة الأصلية، ولا ندعي محاكاة شاملة للتردد أو للإشارة الكبيرة. نحدد هذه الحدود قبل إعادة استخدام الصيغ.

12. 12. نقارن الترتيبات المشتركة الثلاثة

    الجواب: بوابة ثابتة ومصدر يرتفع فينخفض جهد التحكم والتيار ويرتفع المصرف؛ ⁦+1 [mV]→+9.4 [mV]⁩ بتيار دخل⁦3 [μA]⁩

    التحكم فرق بين طرفين؛ نتتبع المنافذ والإشارات

    نص الشرح الصوتي

    نعود إلى البوابة الثابتة. نرفع دخل المصدر، فينخفض جهد البوابة إلى المصدر، وينخفض تيار المصرف، ويرتفع جهد المصرف. أعطى دخل طرف المصدر الموجب بمقدار ملي فولت واحد موجب تسعة فاصلة أربعة ملي فولت عند المصرف. واحتاج ثلاثة ميكروأمبير من تيار الدخل، بما يتسق مع مقاومة دخل تقارب ثلاثمئة وثلاثة وثلاثين أوم. تستطيع البوابة البقاء ثابتة بينما يضخم الترانزستور، لأن مقدار التحكم فرق بين طرفين. حدد هذين الطرفين، وتتبع الإشارات عبر النموذج، ولن يبدو كسب البوابة المشتركة استثناء.

الفيديو المصدر: أساسيات الإلكترونيات #44 | البوابة ثابتة، فلماذا يرتفع الخرج؟ (8:58)