Ausgangswiderstand der MOSFET-Schaltung

Ich versuche den Ausgangswiderstand zu finden R Ö u T dieser Schaltung bestehend aus 3 n-MOSFETs.

Es ist gegeben, dass alle 3 MOSFETs haben G M = 4 M A / v 2 und Ausgangswiderstand R Ö = 100 k Ω .

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Die gegebenen Antworten auf die Frage lauten, eine Kleinsignal-Ersatzschaltung zu verwenden und dann einfach zu verwenden R Ö u T = R 4 + R Ö = 100.09 k Ω

Die Methode, die ich verwendet habe, war anders, verwendet aber auch ein Kleinsignaläquivalent. Meine Arbeit wird unten gezeigt und ich bekomme eine Antwort von 136.09 k Ω

Die MOSFET-Ersatzschaltung hat eine spannungsabhängige Stromquelle. Mir wurde immer beigebracht, dass man, um den effektiven Widerstand zu finden, wenn eine abhängige Quelle vorhanden ist, nicht einfach Widerstände addieren/shunten kann, sondern die Schaltung mit einer Spannungs- / Stromquelle "erregen" und den resultierenden Strom / die resultierende Spannung messen muss diese Quelle.

Eine kurze Erklärung meiner Methode: Ich setze zuerst die Eingangsspannung auf Null und "errege" die Schaltung mit einer 1A-Quelle zwischen VDD und dem Drain des 3. MOSFET, da hier der R_out-Pfeil dazwischen zeigt. Die ersten beiden MOSFETs tun nichts und dann ist R_out gleich der Spannung über der 1A-Quelle geteilt durch 1A, was nur die Spannung am 3. MOSFET-Drain ist. Ich mache dann einfach eine Knotenanalyse an den Drain- und Source-Knoten, um die Drain-Spannung zu finden. Hinweis: Ich habe in meiner Arbeit versehentlich R_out als R_o geschrieben.

Ich habe meine Schaltung auch in PSPICE simuliert, was zu derselben Drain-Spannung wie in meiner Antwort führte.

Welche Antwort ist richtig und wenn ich falsch liege, wo gehe ich falsch? Danke für jede Hilfe.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Nur Rout und R4 zu summieren ist in der Tat falsch , da es die Tatsache ignoriert, dass die Vgs des NMOS nicht konstant sind. Der Ausgangsstrom (Änderung) fließt durch R4 und ändert somit Vgs, was berücksichtigt werden muss. Fragen Sie, wer auch immer behauptet hat, dass das Hinzufügen der Widerstandswerte in Ordnung ist, ob das immer noch in Ordnung ist, wenn R4 einen viel höheren Wert wie 100 kOhm hat.
Ja und das macht absolut Sinn. Die Person, die einfach Widerstände hinzufügt, ist mein Dozent, der in diesem Semester ständig Fehler gemacht hat. Dies war eine Frage in unserer Aufgabe, also wollte ich klarstellen, wer falsch lag. Vielen Dank für Ihre Hilfe
mein Dozent, der ständig Fehler gemacht hat Autsch! Das ist schlecht, der Dozent sollte besitzen , was er lehrt, oder es nicht lehren. Kudos an Sie, dass Sie die Antwort des Dozenten nicht blind akzeptiert haben, sondern Ihre eigene gefunden haben. Mach weiter so!
Rout wird NULL sein, da dieser Knoten auch VDD ist.
@analogsystemsrf ist richtig, es wäre klarer, wenn zwischen dem Ausgang und Vdd eine Gleichstromquelle vorhanden wäre. Dann fließt der Gleichstrom, wodurch der NMOS vorgespannt wird (gm ist also nicht Null), und die sichtbare Impedanz stammt nur von der Schaltung. Vielleicht ein weiteres Versehen Ihres Dozenten?
@analogsystemsrf Obwohl Sie Recht hätten, wenn wir über die Impedanz am Knoten sprechen würden, ist dies angesichts der verwendeten Notation konzeptionell falsch. Rout ist eindeutig als die in Pfeilrichtung gesehene Impedanz angegeben, die Vdd nicht einschließt .
Und das ist auch richtig, denn wir können Rout auf zwei Arten bestimmen: Einen kleinen Signalstrom in den Drain schieben und die resultierende Spannung bestimmen oder eine kleine Signalspannungsquelle zwischen Drain und VDD hinzufügen und den resultierenden kleinen Signalstrom bestimmen.
@Bimpelrekkie In einer Kleinsignalschaltungsdarstellung ist normalerweise kein DC-Verhalten enthalten.
@joeelectro natürlich (das weiß ich seit 25 Jahren), aber es muss einen Pfad im normalen Schaltplan geben, damit dieser DC-Vorspannungsstrom überhaupt fließen kann.
@Bimpelrekkie Ok, jetzt habe ich es verstanden, das war die Originalschaltung, deshalb gab es das VDD-Label. Ich hatte den Eindruck, dass es ein Versuch einer Kleinsignaldarstellung war, weil d3 mit VDD verbunden ist.
Dumme Frage: Ich versuche, mich in meiner Antwort auf ein Bild zu beziehen, das ich auf imagebin.ca hochgeladen habe, aber <img src=" imagebin.ca/v/4LKkCh7bBdRt "> liefert kein Bild.
Ich muss R4 irgendwo verloren haben.

Antworten (2)

Wahrscheinlich besteht die richtige Art, Ihre Schaltung zu zeichnen, darin, die Oberseiten der 10-k-Drain-Widerstände miteinander und mit Masse zu verbinden, da ich annehme, dass sie tatsächlich mit der VDD-Schiene verbunden sind, die jedoch in einem kleinen Signalmodell keinen Platz hat und sein sollte als Boden betrachtet. Der Ausgang sollte vollständig getrennt und stattdessen mit dem Ausgangsanschluss verbunden werden, an den die Last geht, da er jetzt mit Masse kurzgeschlossen ist (für Wechselstrom). Außerdem wird g in ausgedrückt ( M ) A / v , nicht ( M ) A / v 2 .

Große Bearbeitung:

Jetzt möchte ich genau wissen, was der Fall ist, und werde versuchen, die offene Ausgangsspannung und den kurzgeschlossenen Ausgangsstrom bei Vorhandensein eines Eingangssignals zu berechnen v ich und teilen Sie die beiden, um die Ausgangsimpedanz zu erhalten.

Also habe ich in LTSpice die ursprüngliche Schaltung in einer Kleinsignaldarstellung gezeichnet, die frei von DC ist, und so sieht sie aus:

In welchem R 8 sollte lesen R 2 und das ' R ' im selben ist 10 k Ω .
Wenn die Mosfets in dieser Schaltung nur durch eine einfache Ersatzschaltung ersetzt werden G Und R Ö , dann erhalten wir die folgende Schaltung:

und in dieser Darstellung können wir die Stromquellen und Innenwiderstände durch Spannungsquellen wie im Bild unten ersetzen:

Wenn wir von links nach rechts durch den Stromkreis gehen, können wir deutlich sehen, dass der Strom durchfließt R 3 Ist

ICH R 3 = G R Ö U G S 1 / ( R 1 + R 3 + R 5 )

Weiter,

U G S 1 = U G 1 − R 3 ICH R 3
so dass
ICH R 3 = G R Ö ( v ich − R 3 ICH R 3 ) / ( R 1 + R 3 + R 5 )
. Umstellen ergibt dies
G R Ö v ich / ( R 1 + R 3 + R 5 ) = ICH R 3 { R 1 + ( 1 + G R Ö ) R 3 + R 5 } / ( R 1 + R 3 + R 5 )
woraus wir finden
ICH R 3 = G R Ö v ich / { R 1 + ( 1 + G R Ö ) R 3 + R 5 }

Nun zum zweiten Mosfet. Es ist die Gate-Spannung, die wir finden

U G 2 = − R 1 ICH R 3 = − G R Ö R 1 v ich / { R 1 + ( 1 + G R Ö ) R 3 + R 5 }
und wir finden den Strom durch R 6
ICH R 6 = − ( G R Ö ) 2 R 1 v ich / { R 1 + ( 1 + G R Ö ) R 3 + R 5 }

Jetzt können wir bis zum dritten Mosfet seine Gate-Spannung schreiben

U G 3 = − R 2 ICH R 6 = ( G R Ö ) 2 R 1 R 2 v ich / { R 1 + ( 1 + G R Ö ) R 3 + R 5 }
Jetzt haben wir auch
U G S 3 = U G 3 − R 4 ICH R 4
und schließlich können wir jetzt sowohl die Leerlauf-Ausgangsspannung als auch den Kurzschluss-Ausgangsstrom berechnen. Wenn nämlich der Ausgang offen ist, ICH R 4 = 0 Und U G S 3 = U G 3 und wir können die offene Ausgangsspannung schreiben als
U Ö u T Ö P e N = − ( G R Ö ) 3 R 1 R 2 v ich / { R 1 + ( 1 + G R Ö ) R 3 + R 5 }
und wenn der Ausgang dann kurzgeschlossen ist U Ö u T = 0 und wir können schreiben
ICH Ö u T = − ICH R 4 = − G ( U G 3 − R 4 ICH R 4 ) = − G U G 3 / ( 1 + G R 4 )
was uns, umgeordnet, den Kurzschluss-Ausgangsstrom gibt
ICH Ö u T S H Ö R T = − ( G R Ö ) 3 R 1 R 2 v ich / [ { R 1 + ( 1 + G R Ö ) R 3 + R 5 } R Ö ( 1 + G R 4 ) ]
dessen Form der von unheimlich ähnlich sieht U Ö u T Ö P e N und der Quotient der beiden wird einfach
Z Ö u T = U Ö u T Ö P e N ICH Ö u T S H Ö R T = ( 1 + G R 4 ) R Ö
Mit G = 4 M A / v Und R Ö = 100 k Ω , das wird
Z Ö u T = ( 1 + 4.10 − 3 .90 ) .10 5 = 136 k Ω

Der gesamte Strom von der abhängigen Stromquelle in F3 (dem dritten Mosfet) geht durch seinen (parallel geschalteten) Ausgangswiderstand. Dies ist nur der Fall, wenn das Kleinsignal-Eingangssignal direkt zwischen Gate und Source angelegt wird. Was es nicht ist. Wir versuchen, die Ausgangsimpedanz zu finden , und das bedeutet, dass wir uns die Auswirkungen von Spannungsschwankungen auf den Drain ansehen . Das Variieren der Spannung am Drain bedeutet, dass es Stromvariationen durch Ro und R4 geben wird . Das wiederum führt zu den Vgs des NMOS. Sie sind in dieselbe Falle getappt wie Lachlans Dozent!
Hoi Bimpelrekkie, Sie haben völlig Recht und Lachlans Ansatz ist völlig richtig. Ich muss jetzt schauen, wie ich meine Antwort zurückziehe.
Sie könnten es löschen, aber ich würde vorschlagen, es zu bearbeiten und zu erklären , warum Ihre Antwort nicht richtig ist. So kann jeder, der in Zukunft vorbeikommt, etwas davon lernen! Wir alle machen Fehler (mich eingeschlossen), aber wir können trotzdem von diesen Fehlern profitieren, indem wir daraus lernen.
Ich arbeite an einer "umfassenden" Antwort, aber Circuitlab lässt mich nur für eine begrenzte Zeit bearbeiten, bevor ich anfänge, mich über eine kostenpflichtige Mitgliedschaft zu beschweren. :(
Warum nicht stattdessen LTSpice analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/… oder Qucs: qucs.sourceforge.net verwenden ? Ich gehe davon aus, dass Sie Ihre Ergebnisse mit einer Simulation bestätigen möchten.
Nein, ich möchte nur einen praktischen Schaltungsdesigner wie circuitlab.
Nun, LTSpice ist es.
Du meinst ein Schaltungszeichenprogramm ? Dann habe ich noch einen Vorschlag: KiCad. Aber obwohl Sie mit LTSpice keine so gut aussehenden Schaltungen erstellen können, kann es eine Schaltung simulieren , KiCad kann dies nicht, KiCad ist hauptsächlich für das PCB-Design gedacht.
KiCad sieht auch gut aus, ich lade es herunter... aber... 1 GB! (Ja ich weiß, es ist das komplette EDA, aber trotzdem...)
Es wird mit vielen Komponentenbibliotheken und Footprints geliefert. Das Programm selbst ist viel kleiner.
@joeelectro Hol es dir einfach. Es ist völlig kostenlos und absolut professionell. Und schau niemals auf $Eagle$.

Aufgrund der Gegenkopplung an der Quelle ist die Ausgangsimpedanz immer höher als die Summe aus RDS und RS, wobei letzterer der Widerstand an der Quelle ist. In diesem Fall ist die Schleifenverstärkung relativ klein (gm*R4=0,36), daher der bescheidene Anstieg im Vergleich zu einem reinen MOSFET.

Ausgangswiderstand der MOSFET-Schaltung
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