Смещение MOSFET и пределы квадратичных моделей

Порог не задаёт полезный номинальный ток

Затвор MOSFET управляет каналом электрическим полем. Идеальный постоянный ток затвора нулевой, но реальная утечка и ёмкость остаются. Пороговое напряжение отмечает заданное моделью начало проводимости; оно не гарантирует низкого сопротивления включения или конкретного полезного тока стока. Поэтому аналоговому смещению и силовому переключению нужны разные сведения устройства.

Используйте учебную длинноканальную квадратичную модель NMOS: $I_D=k(V_{GS}-V_T)^2/2$ в насыщении при $V_{DS}\geq V_{GS}-V_T$. Игнорируйте модуляцию длины канала и эффект подложки. Пусть k = 2 mA/V², VT = 1 V, исток заземлён, затвор удерживается на 2 V. Перенапряжение — 1 V, дающее ID = 1 mA.

Численно проверьте режим

Соедините сток с 5 V через 2 kΩ. Напряжение стока — 3 V, поэтому VDS = 3 V превышает перенапряжение 1 V. Предполагаемое насыщение согласовано. «Насыщение» здесь — аналоговый режим источника тока MOSFET; это не то же употребление слова, что насыщение BJT или ограничение выхода операционного усилителя.

Модель даёт $g_m=k(V_{GS}-V_T)=2$ mS. Игнорируя выходное сопротивление и внешнюю нагрузку, усиление общего истока — примерно $-g_mR_D=-4$. Возмущение затвора 10 mV даёт примерно −40 mV возмущения стока около 3 V. Производная локальна и не описывает большое изменение затвора.

Обнаружьте неверное допущение

Если RD растёт до 4.7 kΩ при предположении того же 1 mA, напряжение стока было бы 0.3 V, ниже перенапряжения 1 V. Уравнение насыщения больше не самосогласовано. Используйте модель триодного режима и решите заново вместо принятия невозможной рабочей точки.

Современным короткоканальным и дискретным силовым MOSFET часто нужны более богатые модели, чем квадратный закон. Используйте реальные передаточные кривые, температурное поведение, ёмкости и документацию модели SPICE для проектирования устройства. Учебные числа учат выбору и согласованности модели; они не задают деталь последующего итогового проекта датчика.