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Calculateur de points de fonctionnement MOSFET

Calculez le courant de drain, la tension de saturation, la transconductance et la zone de fonctionnement (coupure, triode, saturation) des transistors NMOS

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Formule

ID=kn/2×(VGS−Vth)2(sat),ID=kn×[(VGS−Vth)VDS−VDS2/2](triode)I_D = k_n/2 × (V_GS−V_th)² (sat), I_D = k_n × [(V_GS−V_th)V_DS − V_DS²/2] (triode)
V_GS— Tension entre la grille et la source (V)
V_th— Tension de seuil (V)
k_n— Paramètre de transconductance du procédé (A/V²)
V_DS— Tension de la source de vidange (V)
g_m— Transconductance (A/V)

Comment ça marche

Le calculateur de point de fonctionnement MOSFET calcule les conditions de polarisation en courant continu (Vgs, Vds, Id) pour les applications d'amplification linéaire et de commutation, ce qui est essentiel pour les amplificateurs RF, les étages de puissance et les commutateurs analogiques. Les ingénieurs RF, les concepteurs d'électronique de puissance et les ingénieurs en configuration de circuits intégrés l'utilisent pour établir un entraînement de grille approprié et garantir le fonctionnement dans la région souhaitée (coupure, linéaire ou saturation). Selon Horowitz & Hill « Art of Electronics » (3e éd., Ch.3), les MOSFET fonctionnent comme des sources de courant à tension contrôlée en saturation : Id = K (Vgs - Vth) ² où K = μnCox (W/L) /2. Contrairement aux BJT, les MOSFET ont une résistance d'entrée pratiquement infinie (10¹²-10¹ Ω), un courant de grille DC nul et une tension de seuil Vth généralement de 1 à 4 V pour les appareils en mode amélioration. Le coefficient de température est de +3 mV/°C pour Vth et de -0,3 %/°C pour la mobilité. Id diminue avec la température, ce qui assure une stabilité thermique inhérente.

Exemple Résolu

Concevez un tampon suiveur de source MOSFET en utilisant le 2N7000 (Vth = 2,1 V, K ≈ 0,1 A/V²) pour l'étage de sortie audio avec Id = 5 mA et Vdd = 12 V. La saturation nécessite Vds > Vgs - Vth. Calculez Vgs : Id = K (Vgs - Vth) ², donc 0,005 = 0,1× (Vgs - 2,1) ². Vgs - Vth = √ 0,05 = 0,224 V, Vgs = 2,32 V. Réglez la résistance de drain Rd pour Vds = 6 V (50 % de marge) : Vds = Vdd - Id×Rd, Rd = (12 V - 6 V) /5 mA = 1,2 kΩ. Polarisation de grille : un diviseur de résistance simple avec R1 = 1 MΩ, R2 = 240 kΩ donne Vg = 12 V × 240 k/ (1 m+240 K) = 2,32 V. Le condensateur de dérivation de source 10 μF maintient le point de fonctionnement en courant continu tout en permettant le couplage du signal en courant alternatif.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez la résistance de dégénérescence de la source Rs pour la stabilité de la polarisation : les changements d'Id induits par la température créent une rétroaction négative via Vs = Id×Rs
  • ✓Pour les applications de commutation, assurez-vous que Vgs > Vth + 5 V pour une amélioration complète. Cela permet d'obtenir le Rds (activé) spécifié sur la fiche technique (généralement à Vgs = 10 V)
  • ✓Les MOSFET de puissance (IRFZ44N) ont une tension Vth = 2 à 4 V ; les MOSFET de niveau logique (IRLZ44N) ont une valeur Vth = 1 à 2 V pour la commande directe du microcontrôleur

Erreurs Fréquentes

  • ✗Fonctionnement dans une région linéaire au lieu d'une saturation pour l'amplification : la région linéaire donne un comportement de résistance variable ; la saturation donne un comportement à courant constant essentiel pour le gain de tension
  • ✗Ignorer la variation Vth — 2N7000 spécifie Vth = 0,8-3 V ; concevez toujours pour VTH_Max dans le pire des cas lors de la définition du lecteur de grille minimum
  • ✗Négliger la capacité de grille à haute fréquence — Ciss typique = 20-100 pF limite la bande passante ; calculez la fréquence de transition ft = gm/ (2π Ciss)

Foire Aux Questions

Région linéaire (Vds < Vgs - Vth) : le MOSFET agit comme une résistance contrôlée en tension, Id étant proportionnel à Vds. Région de saturation (Vds > Vgs - Vth) : le MOSFET agit comme une source de courant contrôlée par la tension, Id indépendamment de Vds. Les amplificateurs fonctionnent en saturation ; les commutateurs fonctionnent en mode linéaire (activé) ou en mode coupure (arrêt).
Vth augmente de +3 mV/°C (réduit Id) ; la mobilité diminue de -0,3 %/°C (réduit K, donc Id). Effet net : Id diminue avec la température, contrairement aux BJT. Cela garantit une stabilité thermique inhérente : les MOSFET en parallèle partagent le courant naturellement sans résistances de ballast, conformément à la note d'application d'Infineon.
Oui, avec inversion de polarité : Vgs est négatif (généralement de -3 à -10 V), Id circule de la source au drain et Vds est négatif. La même équation Id = K (Vgs - Vth) ² s'applique à |Vgs|, |Vth|. Le canal P a une mobilité plus faible (2 à 3 fois plus faible K), ce qui nécessite une plus grande surface de l'appareil pour un courant équivalent.
Pour une amélioration complète : Vgs > Vth + 4-5V. La plupart des MOSFET de puissance spécifient Rds (activé) à Vgs = 10 V. Les MOSFET de niveau logique atteignent un Rds (activé) complet à Vgs = 4,5 V. Ne dépassez jamais Vgs (max) — généralement ± 20 V pour les MOSFET Si, ± 8 V pour le SiC ; le dépassement de cette valeur détruit l'oxyde de grille conformément au JEDEC JEP122H.

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