МОП-транзистор как переключатель - когда он в насыщении?

Я подключил следующую схему на макете.

Я изменяю напряжение на затворе с помощью потенциометра. Вот что меня смущает: согласно википедии, MOSFET находится в насыщении, когда V (GS)> V (TH) и V (DS)> V (GS) - V (TH).

Если я медленно увеличиваю напряжение на затворе, начиная с 0, MOSFET остается выключенным. Светодиод начинает проводить небольшой ток, когда напряжение на затворе составляет около 2,5 В или около того. Яркость перестает увеличиваться, когда напряжение на затворе достигает около 4 В. Яркость светодиода не изменяется, если напряжение на затворе превышает 4 В. Даже если я быстро увеличу напряжение с 4 до 12, яркость светодиода останется неизменной.

Я также отслеживаю напряжение стока до источника, пока увеличиваю напряжение на затворе. Напряжение сток-исток падает с 12 В до 0 В, когда напряжение затвора составляет 4 В или около того. Это легко понять: поскольку R1 и R (DS) образуют делитель напряжения, а R1 намного больше, чем R (DS), большая часть напряжения падает на R1. В моих измерениях около 10 В падает на R1, а остальные на красный светодиод (2 В).

Однако, поскольку V (DS) теперь приблизительно равно 0, условие V (DS)> V (GS) - V (TH) не выполняется, не находится ли МОП-транзистор в насыщении? Если это так, как можно разработать схему, в которой MOSFET находится в насыщении?

Обратите внимание: R (DS) для IRF840 составляет 0,8 Ом. V (TH) составляет от 2 до 4 В. Vcc 12V.

Вот линия нагрузки, которую я построил на моей схеме.

Теперь, из того, что я получил из ответов здесь, является то, что для работы MOSFET в качестве переключателя, рабочая точка должна быть слева от линии нагрузки. Я прав в своем понимании?

И если на график выше наложить характеристические кривые MOSFET, то рабочая точка будет находиться в так называемой области «линейный / триод». На самом деле, коммутатор должен достичь этой области как можно быстрее, чтобы работать эффективно. Я понял или я совершенно не прав?

Прежде всего, «насыщенность» у половых насекомых означает, что изменение VDS не приведет к значительному изменению Id (тока утечки). Вы можете думать о полевых МОП-транзисторах как источник тока. То есть независимо от напряжения на VDS (с ограничениями, конечно), ток через устройство будет (почти) постоянным.

Теперь вернемся к вопросу:

Согласно википедии, MOSFET находится в насыщении, когда V (GS)> V (TH) и V (DS)> V (GS) - V (TH).

Это правильно.

Если я медленно увеличиваю напряжение на затворе, начиная с 0, MOSFET остается выключенным. Светодиод начинает проводить небольшой ток, когда напряжение на затворе составляет около 2,5 В или около того.

Вы увеличили Vgs выше Vth NMOS, чтобы канал был сформирован и устройство начало работать.

Яркость перестает увеличиваться, когда напряжение на затворе достигает около 4 В. Яркость светодиода не изменяется, если напряжение на затворе превышает 4 В. Даже если я быстро увеличу напряжение с 4 до 12, яркость светодиода останется неизменной.

Вы увеличили Vgs, заставляя устройство проводить больше тока. При Vgs = 4 В то, что ограничивает величину тока, это уже не транзистор, а резистор, который вы подключаете последовательно с транзистором.

Я также отслеживаю напряжение стока до источника, пока увеличиваю напряжение на затворе. Напряжение сток-исток падает с 12 В до 0 В, когда напряжение затвора составляет 4 В или около того. Это легко понять: поскольку R1 и R (DS) образуют делитель напряжения, а R1 намного больше, чем R (DS), большая часть напряжения падает на R1. В моих измерениях около 10 В падает на R1, а остальные на красный светодиод (2 В).

Здесь все выглядит по порядку.

Однако, поскольку V (DS) теперь приблизительно равно 0, условие V (DS)> V (GS) - V (TH) не выполняется, не находится ли МОП-транзистор в насыщении?

Нет. Он находится в линейной или триодной области. Он ведет себя как резистор в этом регионе. Это увеличение Vds увеличит Id.

Если это так, как можно разработать схему, в которой MOSFET находится в насыщении?

У тебя уже есть. Вам просто нужно позаботиться о рабочей точке (убедитесь, что упомянутые вами условия соблюдены).

A) В линейной области вы можете наблюдать следующее: -> при увеличении напряжения питания, светодиод становится ярче, так как ток через резистор и транзистор будет расти, и, следовательно, через светодиод будет протекать больше.

Б) В области насыщения произойдет что-то другое -> при увеличении напряжения ПОДАЧИ яркость светодиода не изменится. Дополнительное напряжение, которое вы подаете на ПИТАНИЕ, не приведет к увеличению тока. Вместо этого он будет проходить через МОП-транзистор, поэтому напряжение ДРЕНАЖА будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение напряжения на 2 В будет означать увеличение напряжения на стоке почти на 2 В)

Я интерпретирую значение «насыщенности» в контексте статьи в Википедии следующим образом:

$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$

$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$390 \Omega$

Другие ответы здесь дают хорошее объяснение термина «насыщение» применительно к MOSFET.

Я просто отмечу здесь, что это использование сильно отличается от того, что предназначено для биполярных транзисторов и некоторых других классов устройств.

Термин правильно используется для MOSFET, где

• V (DS)> V (GS) - V (TH)

НО это никогда не должно было быть.
Но это так, так что имейте это в виду.

Биполярный транзистор (а не МОП-транзистор) находится в состоянии "насыщения", когда он включен. Эквивалентное условие в расширенном режиме MOSFET (наиболее распространенный вид) - это когда оно «полностью улучшено», НО соответствующий термин для этого уже украден.

Добавлено:

МОП-транзистор «включается» напряжением, приложенным к затвору относительно источника = Vgs.
Необходимые значения Vgs, когда FET начинает включаться и проводит определенную величину тока, известны как «пороговое напряжение затвора» или просто «пороговое напряжение» и обычно записываются как Vgsth или Vth или аналогичные.
Vth указывает, какое напряжение потребуется для работы полевого транзистора, поскольку переключатель, НО фактическое значение Vgs с полным усилением обычно составляет несколько раз Vgsth. Кроме того, Vgs, необходимые для полного улучшения, зависит от желаемых идентификаторов.

Этот график, скопированный из ответа Madmanguruman, показывает, что при Vgs = 7 В реальная передача Ids / Vds примерно линейна до примерно Ids = 20A, поэтому FET «полностью усилен» и выглядит примерно как резистор примерно до этой точки. Для этого FET Vds составляет около 1,5 В при 20 A, поэтому Rdson составляет около R = V / I = 1,5 / 20 = 75 мОм.
Для этого полевого транзистора существует кривая при Vgs = 1 В, поэтому VGSth = Vth, вероятно, находится в диапазоне 0,5 В-0,8 В, скажем, 100 мкА.

То, что вам нужно сделать, чтобы увидеть насыщение, это подать достаточное напряжение, чтобы в конечном итоге повышение напряжения не повлияло на ток.
Для этого установите Vgs на статическое значение (> Vth), затем увеличьте напряжение на Vds и измерьте ток. Первоначально он будет расти довольно линейно, находясь в омической или линейной области, но в конечном итоге он будет сглаживаться, и, несмотря на дальнейшее увеличение тока, через МОП-транзистор останется прежним.

Что касается определения насыщенности, я понимаю, что насыщенность / линейность в полевых МОП-транзисторах означает примерно противоположное тому, что они делают в BJT. Этот документ (под характеристикой MOSFET на нескольких страницах) предлагает подобное, хотя до тех пор, пока вы понимаете, как они работают и что вы подразумеваете под термином, у вас должно быть все в порядке (по крайней мере, пока вы не обсудите транзисторы с кем-то :-))

http://www.falstad.com/circuit/e-nmosfet.html

На этой странице есть хороший апплет для симулятора MOSFET. Я надеюсь, что это помогает.
Также я задал похожий вопрос некоторое время назад; Вы можете также сослаться на это.

Б) В области насыщения произойдет что-то другое -> при увеличении напряжения ПОДАЧИ яркость светодиода не изменится. Дополнительное напряжение, которое вы подаете на ПИТАНИЕ, не приведет к увеличению тока. Вместо этого он будет проходить через МОП-транзистор, поэтому напряжение ДРЕНАЖА будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение напряжения на 2 В будет означать увеличение напряжения на стоке почти на 2 В)

Как же так? Увеличение подачи должно увеличить V ds только на Id X Rds (вкл). Учитывая, что светодиод будет иметь почти такое же прямое падение напряжения, тогда повышенное напряжение должно быть разделено между последовательным резистором и устройством. Поскольку резистор имеет гораздо большее значение (390 Ом по сравнению с 0,8 Ом устройства), основная доля падения напряжения должна приходиться на резистор. Кроме того, безусловно, будет увеличение тока утечки с увеличением сопротивления. Потери MOSFET рассчитываются в состоянии готовности как текущий квадрат, умноженный на Rds (вкл). Таким образом, наблюдение «Напряжение слива будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение напряжения на 2 В будет означать увеличение напряжения слива почти на 2 В)» неверно