Transistori MOSFETs

Prima di iniziare la lezione sui Mosfet dobbiamo osservare come la teoria su questi dispositivi richieda ben altri tempi di studio che quelli dedicati in questo contesto; si suggerisce pertanto, nel caso di approfondimenti nello studio dei Power Mosfet, la lettura degli esaurienti HEXFET DATABOOKS della INTERNATIONAL RECTIFIER.

I transistori Power MOSFETs sono una particolare categoria di semiconduttori che, prevalentemente nel campo delle applicazioni dei circuiti elettronici ad impulsi, offrono delle prestazioni nettamente superiori ai transistori dei quali abbiamo trattato nelle lezioni precedenti.

Dal punto di vista della struttura elettrica il Mosfet ha una configurazione a tre poli simile a quella di un transistore così come mostrato in figura 1 per giunzioni N-Channel.

figura 1

Dal punto di vista delle funzioni dei tre collegamenti elettrici il Mosfet presenta le seguenti analogie con i simboli dei transistori:

Transistore > Mosfet

Emettitore “e” > Source “S”

Base “b” > Gate “G”

Collettore “c” > Drain “ D”

Come per i transistori sono disponibili due tipi di giunzioni, la NPN e la PNP, anche per il semiconduttori Mosfet ne sono disponibili due tipi, la citata N-Channel e la P-Channel ( la prima indicata per configurazioni alimentate da tensioni positive, la seconda indicata per alimentazione con tensioni negative).

Esistono invece differenze fondamentali quali:

Il Mosfet non è un amplificatore di corrente come il transistore bipolare e pertanto non è caratterizzato dal parametro hFE; il piedino “G”, analogo della base del transistore, non richiede “praticamente” alcuna corrente di pilotaggio ma soltanto tensione di comando, questa peculiarità fa sì che il Mosfet abbia una elevatissima impedenza d’ingresso quindi sia facilmente pilotabile con potenze irrilevanti.

· Il Mosfet presenta una resistenza di conduzione RDS(on) che incide come detrattrice di potenza dal carico

· Il Mosfet è in grado di commutare elevate correnti in tempi estremamente brevi

L’impiego dei Mosfet è utilizzabile, tra innumerevoli altre, nelle seguenti tipologie circuitali:

- Amplificazione di segnali in classe A in bassa frequenza

- Amplificazione dei segnali in classe D

- Modulazione d’ampiezza di segnali anaogici

Le caratteristiche dei transistori Power MOSFETs

Il collegamento al “Gate” (G) porta al Mosfet la tensione necessaria, sia per il comando del circuito, sia per l’eventuale amplificazione della tensione stessa.

Il collegamento con il Drain” (D) consente di prelevare, sia l’eventuale comando proveniente dal gate, sia la tensione di gate amplificata.

Il collegamento al “Source” (S) consente di chiudere, sia l’anello di pilotaggio sul gate, mediante la giunzione gate-source, sia l’anello di prelievo della corrente di collettore mediante la giunzione drain-source.

I Mosfet possono lavorare in due modi diversi in dipendenza del tipo di applicazioni a cui sono destinati:

• In modo lineare, per amplificatori di segnali analogici di bassa od alta potenza
• In saturazione, per dispositivi logici o di commutazione o modulazione.

Si ha il funzionamento lineare quando la corrente di drain è proporzionale alla tensione di gate; si ha il funzionamento in saturazione quando, grazie alla circuitazione esterna al Mosfet, la corrente di drain non incrementa più con l’incrementare della tensione di gate.

L’utilizzo del Mosfet per la progettazione necessita della conoscenza di una serie di caratteristiche costruttive quali tra le più significative:

• tensione massima di lavoro applicabile tra drain e source (simbolo VDS)

-la VDS non deve mai essere superata pena la distruzione del semiconduttore

• corrente di lavoro continua del drain (simbolo ID) in Ampere, la ID deve essere commisurata onde evitare di eccedere la massima potenza dissipabile dal Mosfet

• corrente di lavoro impulsiva del drain (simbolo IDM) in Ampere

• resistenza drain-source in fase di conduzione ( simbolo RDS(on) ) in ohm

• potenza massima dissipabile a temperatura ambiente (simbolo PD) in Watt, il valore di PD non deve mai essere superato pena la distruzione del semiconduttore

• tensione massima di funzionamento tra gate e source ( simbolo VGS )

• tensione minima di funzionamento tra gate e surce ( simbolo Vgs )

• transconduttanza di lavoro ( simbolo gfs ) in Mhos

Altre caratteristiche importanti, espresse da grafici particolari , dovranno essere prese in esame al momento del loro utilizzo in fase di progettazione.

A titolo d’esempio una serie di parametri del Mosfet tipo IRF 330 è sotto riportata:

Altre caratteristiche importanti, espresse da grafici particolari , saranno prese in esame al momento del loro utilizzo in fase di progettazione.

Contenitore in TO3

$VDS=+400\ V$

$VGSmax=+/-20\ V$

$Vgs=+4\ V$

$ID=4\ A$

$IDM=8\ A$

$RDS(on)=1\ \Omega$

$PD=75\ W$ (contenitore a $25$° c)

$Gfs=3.5\ Mhos$

Tra questi dati si evidenzia che:

La massima corrente di drain a regime impulsivo è il doppio della corrente a regime continuo; infatti $IDM=8\ A$mentre $ID=4\ A.$

La massima tensione di gate può essere, sia positiva $(+20\ V)$, sia negativa (-$20\ V$)

La minima tensione di lavoro del gate deve essere $Vgs\approx 4\ V$ per avere una $Id\approx 4\ A$

La resistenza di conduzione presentata tra drain e source è di soli $RDS(on)=1\ \Omega$

La massima tensione di gate può essere, sia positiva $(+20\ V)$, sia negativa (-$20\ V$)

La minima tensione di lavoro del gate deve essere $Vgs\approx 4\ Vperavereuna<math>Id\approx 4\ A$

La resistenza di conduzione presentata tra drain e source è di solo $RDS(on)=1\ \Omega$

Esempio d'impiego di una coppia di MOSFETs

L'esempio è indirizzato alla realizzazione di un circuito a Mosfet in grado di modificare il profilo di un impulso sinusoidale di forma rettangolare, ad ampio spettro, in un impulso opportunamente sagomato in modo da ridurre l'ampiezza dello spettro stesso nell'ambito di una specifica banda adiacente.

Esposizione dei valori per l'impulso da modificare

Assumiamo, per l'impulso da modificare, le seguenti caratteristiche:

• Frequenza dell'impulso $fo=50\ kHz$
• Ampiezza dell'impulso $A=13\ Vpp$
• Durata impulso :$1.5\ ms.$
• Tempo di ripetizione impulsi: $1\ s.$
• Livello spurie: in banda adiacente ad $fo$ : $\ (f1=20\ kHz\ ;\ f2=30\ kHz)\approx {-}23\ dB$ rispetto al livello $A$ del'impulso stesso.

Esposizione dei valori per l'impulso modificato

• Come al passo precedente salvo:
• Il livello spurie che deve passare da ${-}23\ dB$ a ${-}80\ dB$.

Le caratteristiche dello spettro adiacente ad $fo$ sono controllate con il circuito tracciato al passo seguente.

Controllo sperimentale del livello di spurie dell'impulso sinusoidale rettangolare

Il controllo del livello di spurie è fattibile con il circuito di figura 2 che, una volta validato, sarà utile per la verifica dei valori dello spettro nella banda adiacente dopo la modifica del profilo dell'impulso originale:

figura 2

Come si vede dalla figura con l'ampiezza dell'impulso di $13\ Vpp$, il livello di spurie all'uscita del filtro è di $0.32\ Vpp$ che, data l'attenuazione di $9\ dB$ del filtro, corrisponde ad un livello di spurie pari a : $0.32\ Vpp+9\ dB=0.9\ Vpp$ con un rapporto di:

$sp=20\cdot Log(0.9\ Vpp/13\ Vpp)={-}23\ dB.$

Il circuito con la coppia di Mosfet

Il circuito vede la coppia di Mosfet collegata ad un trasformatore accordato, $S\ ;\ Cr$, alla frequenza di $fo=50000\ Hz$, la configurazione è impiegata, sia per la generazione dell'impulso sinusoidale a profilo rettangolare, sia per la formazione dell'impulso sagomato.

La caratteristica principale del circuito mostrato in figura 3 è relativa alla possibilità di parzializzare il segnale rettangolare di pilotaggio mediante la variazione dei ritardi to nel tempo della durata di un impulso sì da controllare l'ampiezza del segnale sinusoidale d'uscita ai capi del circuito risonante .

figura 3

I segnali d'ingresso al circuito sono forme rettangolari, in opposizione di fase, tali da portare in conduzione i due Mosfet alternativamente.

L'ampiezza dell'impulso sinusoidale ai capi del circuito risonante $S\ ;\ Cr$ è funzione dei ritardi to presenti negli scalini d'ingresso.

Il circuito di figura 3 è impiegato come generatore d'impulsi alla frequenza di $50000\ kHz$ per le strutture di misura di figure 2 e 5.

La funzione per la modifica del profilo dell'impulso

La funzione necessaria alla modifica dei valori di ritardo to ,durante il tempo dell'impulso, al fine di ottenere il profilo voluto di quest'ultimo, ed abbattere lo spettro nella banda $20\ kHz\ ;30\ kHz.$ è dovuta ad Hanning:

$Wn=(1/2)[1-\cos(2\ \pi \ n\ N)]$

Opportunamente applicata la funzione $Wn$ al generatore d'impulsi, con apposito modulatore di larghezza, si ottiene il risultato mostrato in figura 5:

figura 5

In questo caso il rapporto tra l'ampiezza dell'impulso ( $13\ Vpp$ al centro ) e il livello delle spurie all' ingresso del filtro è:

$sp=20\cdot Log(0.00044\ Vpp/13\ Vpp)+9\ dB={-}80\ dB$ come voluto.