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MOSFET 동작점 계산기

NMOS 트랜지스터의 MOSFET 드레인 전류, 포화 전압, 트랜스컨덕턴스 및 동작 영역 (컷오프, 트라이오드, 포화) 계산

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공식

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— 게이트 소스 전압 (V)
V_th— 임계값 전압 (V)
k_n— 프로세스 트랜스컨덕턴스 파라미터 (A/V²)
V_DS— 드레인 소스 전압 (V)
g_m— 트랜스컨덕턴스 (A/V)

작동 방식

MOSFET 동작점 계산기는 RF 증폭기, 전력 스테이지 및 아날로그 스위치에 필수적인 선형 증폭기 및 스위칭 애플리케이션의 DC 바이어스 조건 (Vgs, Vds, Id) 을 계산합니다.RF 엔지니어, 전력 전자 설계자 및 IC 레이아웃 엔지니어는 이를 사용하여 적절한 게이트 드라이브를 설정하고 원하는 영역 (컷오프, 선형 또는 포화) 에서 작동하도록 합니다.Horowitz & Hill 'Art of Electronics' (제3판, Ch.3) 에 따르면 MOSFET은 포화 상태에서 전압 제어 전류원으로 작동합니다. Id = K (Vgs - Vth)² 여기서 K = μnCox(W/L)/2. BJT와 달리 MOSFET은 사실상 무한한 입력 저항 (10¹²-10¹⁴ Ω), 0 DC 게이트 전류를 가지며 향상 모드 장치의 경우 임계 전압 Vth는 일반적으로 1-4V입니다.온도 계수는 Vth의 경우 +3mV/°C, 이동도의 경우 -0.3% /°C입니다. Id는 온도에 따라 감소하여 고유한 열 안정성을 제공합니다.

계산 예제

Id = 5mA, Vdd = 12V인 오디오 출력 스테이지에 대해 2N7000 (Vth = 2.1V, K ≈ 0.1 A/V²) ) 을 사용하여 MOSFET 소스 팔로워 버퍼를 설계합니다.채도를 높이려면 Vds > Vgs - Vth가 필요합니다.Vgs 계산: Id = K (Vgs - Vth)², so 0.005 = 0.1× (Vgs - 2.1)². Vgs - Vth = √0.05 = 0.224V, Vgs = 2.32V).Vds의 드레인 저항 Rd를 6V (50% 헤드룸) 로 설정: Vds = Vdd - Id×Rd, Rd = (12V - 6V) /5mA = 1.2kΩ. 게이트 바이어스: R1 = 1MΩ, R2 = 240kΩ 을 사용하는 단순 저항 분배기 Vg = 12V × 240k/ (1M+240k) = 2.32V입니다.소스 바이패스 커패시터 10μF 은 AC 신호 커플링을 허용하면서 DC 동작점을 유지합니다.

실용적인 팁

  • ✓바이어스 안정성을 위해 소스 변성 저항 Rs를 사용하십시오. 온도로 인한 Id 변화는 Vs = Id×Rs를 통해 네거티브 피드백을 생성합니다.
  • ✓스위칭 애플리케이션의 경우 전체 개선을 위해 Vgs > Vth + 5V를 확인하십시오. 이렇게 하면 데이터시트에 지정된 Rds (on) 를 달성할 수 있습니다 (일반적으로 Vgs = 10V).
  • ✓파워 MOSFET (IRFZ44N) 은 Vth = 2-4V이고, 로직 레벨 MOSFET (IRLZ44N) 은 다이렉트 마이크로컨트롤러 드라이브의 경우 Vth = 1-2V입니다.

흔한 실수

  • ✗증폭을 위한 포화 영역 대신 선형 영역에서 작동 — 선형 영역은 다양한 저항 동작을 제공합니다. 포화 상태는 전압 이득에 필수적인 정전류 동작을 제공합니다.
  • ✗Vth 변동 무시 — 2N7000 은 Vth = 0.8-3V를 지정합니다. 최소 게이트 드라이브를 설정할 때는 항상 최악의 경우에 대비하여 설계하십시오 Vth_max
  • ✗고주파에서의 게이트 커패시턴스 무시 — 일반적인 Ciss = 20-100pF는 대역폭을 제한합니다. 전환 주파수 계산 ft = gm/(2πCiss)

자주 묻는 질문

선형 영역 (Vds < Vgs - Vth): MOSFET은 전압 제어 저항으로 작동하며 Id는 Vds에 비례합니다.선형 영역 (Vds Vgs - Vth): MOSFET은 Vds와 무관하게 Id를 제어하는 전압 제어 전류 소스로 작동합니다.증폭기는 포화 상태에서 작동하고 스위치는 선형 (켜짐) 또는 차단 (꺼짐) 으로 작동합니다.
Vth는 +3mV/°C 증가 (Id 감소), 이동성은 -0.3% /°C 감소 (K, 즉 Id 감소)순 효과: Id는 BJT와 반대로 온도에 따라 감소합니다.이는 고유한 열 안정성을 제공합니다. Infineon 애플리케이션 노트에 따르면 병렬 MOSFET은 밸러스트 저항 없이 자연스럽게 전류를 공유합니다.
예, 극성 반전 시: Vgs는 음수 (일반적으로 -3 ~ -10V) 이고, Id는 소스에서 드레인으로 흐르고, Vds는 음수입니다.동일한 Id = K (Vgs - Vth)² 방정식이 |Vgs|, |Vth|에도 적용됩니다.P-채널은 이동도가 낮기 때문에 (낮은 K 2~3배) 등가 전류에 사용할 수 있는 장치 면적이 더 커야 합니다.
전체 개선을 위해: Vgs > Vth + 4-5V.대부분의 전력 MOSFET은 Vgs = 10V에서 Rds (켜짐) 를 지정합니다.로직 레벨 MOSFET은 Vgs = 4.5V에서 최대 Rds (켜짐) 를 달성합니다.Vgs (최대) 를 절대 초과하지 마십시오. 일반적으로 Si MOSFET의 경우 ±20V, SiC의 경우 ±8V입니다. 이 값을 초과하면 JEDEC JEP122H 규격의 게이트 옥사이드가 파괴됩니다.

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