Что означает «изучение сопротивления»?

Смотрите эту схему из Sedra & Smith microelectronics, 6-е издание, стр. 287:

Это говорит о том, что сопротивление между затвором и источником, смотрящим на источник, составляет 1 / г, но что сопротивление между затвором и источником, смотрящим на затвор, бесконечно. Почему? Что означает "смотреть" и что это меняет?

Согласно моему пониманию, если вы смотрите в источник или в ворота, сопротивление между G и S составляет 1 / г. Если вы приложите напряжение между G и S и измерите ток по закону Ома, вы обнаружите, что R равно 1 / г.

Должно быть что-то, чего я не понимаю.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Вот еще одна связанная вещь, которую я не понимаю. Смотрите эту схему:

Это говорит о том, что Рин - это vi / -i. Я могу видеть, откуда это выражение, но я не знаю формального определения Рин. Почему перед - я?

Для краткого ответа:

Правила операции FET переопределяют его схему, когда это применимо. Выполните анализ схемы, но используйте его правило для и его правило . Когда он говорит «смотрит в ворота», он смотрит на течение в воротах. Когда он говорит «смотрит в источник», он смотрит на источник с точки зрения течения. Он должен указать, потому что токи отличаются на каждом терминале, даже если они разделяют общее напряжение между ними на основе правил FET.$i_{gate} = 0$$i_{d} = V_{gs}*g_m$

Для длинного объясненного ответа:

Автор ссылается на понятия тэвенина или, что то же самое, теоремы Нортона и на то, как они применяются в зависимости от того, на какой узел вы смотрите. Эта зависимость основана на наборе правил, которые автор использует для описания FET. Имейте в виду, что сопротивление - это сложное сопротивление, которое может быть чисто резистивным или частотно-зависимым.

Смотрите статьи в Википедии (он также объясняет это в предыдущей главе Седры и Смита): http://en.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9venin%27s_theorem

Чтобы добавить некоторый контекст к обсуждению, мы не можем создать полевой транзистор из обычных линейных элементов, таких как резисторы, конденсаторы и независимые источники. Однако мы можем создать модель, которая «действует» как FET (в небольшой линейной рабочей области), добавив зависимый источник тока и сделав этот источник зависимым в соответствии с правилами.FET. Эти правила упрощают, как на самом деле работает FET, но они позволяют нам приблизить его поведение с обычными элементами схемы. Иногда правила предполагаются или воспринимаются как должное, и автор несколько сделал это на этом рисунке, используя правила, чтобы отвергнуть нашу интуицию о том, как работает нарисованная схема. В некотором смысле резистор, который он показывает, является иллюзией, которая вытекает из правил FET. Позже в этой главе вы увидите, что он рисует более интуитивную версию этой схемы, в которой затвор плавает, что подразумевает нулевой ток в затворе. Здесь он просто использует алгебраическое правило, чтобы сделать то же самое.

На первом рисунке клемма затвора подключена непосредственно к резистору со значением «1 / гм». Интуиция сказала бы, что если какое-либо напряжение приложено между затвором и источником, через этот резистор будет течь ток, и этот ток должен подчиняться KCL с наложением, так что ток от Vgs в одном узле должен быть равен току из его другого узла. Тогда вы могли бы интуитивно подумать, что импеданс от ворот к источнику выглядит так же, как от источника к воротам, это просто сопротивление между ними. Однако одно из правил, которые он нарисовал, заключается в том, что ток затвора = 0, и поэтому вы всегда должны следовать этому правилу, когда оно дается, поскольку это правило, моделирующее полевые транзисторы, даже если оно не является интуитивно понятным для чертежа схемы. Чтобы понять почему, вам нужно изучить физический дизайн FET, и автор только предполагает, что вы приняли это правило.

Давайте теперь вернемся к идеям теоремы thevenin и "изучению" схем. Как и любая схема, мы можем использовать закон Ома, чтобы описать, как он ведет себя или реагирует на эти модели FET. Когда известное напряжение подается на 2 узла в любой цепи, величина результирующего тока будет протекать между этими 2 узлами через его полное сопротивление. Эквивалентно, результирующее напряжение будет воздействовать на эти узлы от известного тока, протекающего через его полное сопротивление. На самом деле нам все равно, какая схема находится за этими двумя узлами, потому что все это может быть описано его сопротивлением, которое мы «видим», не зная, что внутри.

Причина, по которой он должен указать, какую часть FET он рассматривает, заключается в том, что в зависимости от того, на какой терминал FET вы смотрите, он будет действовать только в отношении «правил FET», которые применяются к этому терминалу и не обязательно применяются к другие.

Когда он говорит «загляни», он на самом деле означает, что мы подаем входной сигнал (либо известное напряжение, либо известный ток) и видим, какой ток течет или какое напряжение подается в результате, основываясь на правилах для этого терминала. , Когда мы говорим «импеданс, видимый из», мы обычно имеем в виду выходной импеданс или то, что мы смотрим на выходной сигнал и видим, сколько тока вытекает из него при известном выходном напряжении.

Например, возьмем его второе утверждение «что сопротивление между воротами и источником, смотрящим на ворота, бесконечно». Если мы используем теорему Тенинов и применяем любое входное напряжение от затвора к источнику, а затем используем закон Ома, мы можем увидеть, что он имеет в виду:

$R_{input} = \dfrac{V_{input}}{I{input}}$

Но его правило для полевых вентилей отменяет, что Igate = 0, и поэтому R будет бесконечным для любого напряжения, приложенного от затвора к источнику - ток не будет течь!

Это сложно, потому что, несмотря на то, что между затвором и источником приложено напряжение и ток не течет, ток из стока все же может течь в узел, где встречаются все 3 пути тока, потому что собственное правило стока с зависимым источником тока говорит, что ток течет через него. Поскольку Igate = 0, любой ток стока проходит через узел, и все это выходит из терминала источника (из KCL). Поскольку этот ток не течет в затворе, он не является частью «заглядывания в затвор».

Теперь мы можем принять его первое утверждение, что «сопротивление между воротами и источником, смотрящим на источник, составляет 1 / гм». Как было только что упомянуто, даже несмотря на отсутствие тока от затвора к источнику (бесконечный импеданс), ток все еще может течь в источнике, потому что зависимый источник тока стока всегда равен напряжению между затвором и истоком, умноженному на коэффициент усиления его транскондуктивности. г:

$i_d = V_{gs}*g_m = i_s$

Итак, теперь мы должны снова использовать уравнение закона Ома, чтобы определить эквивалентный импеданс, "глядя" в источник к воротам.

Сначала мы подаем напряжение на 2 клеммы, для которых мы хотим найти сопротивление. Опять это Vgs. На этот раз, однако, поскольку мы смотрим на источник, ток не равен 0, и поэтому мы уже можем видеть, что будет сопротивление по сравнению с тем, как мы смотрели в затворе ранее.

Поскольку ток стока зависит от приложенного напряжения Vgs, ток от стока будет:

$V_{gs}*g_m$

Теперь снова, используя KCL в узле соединения, весь этот ток от стока должен проходить через источник, так как igate = 0. Теперь мы уже знаем достаточно, чтобы найти полное сопротивление.

Если приложенное напряжение Vgs, а ток, который мы видим на источнике, Vgs * gm, то:

$R = \dfrac{V}{I} => R = \dfrac{V_{gs}}{V_{gs}g_m} = \dfrac{1}{g_m}$

Итак, на самом деле это алгебраическое совпадение, что R = 1 / г, хотя он изображен на его рисунке, как реальный резистор между затвором и источником. Это не настоящий резистор, а просто модель схемы с достаточным количеством правил, чтобы он действовал как FET!

Делая это, мы можем получить представление о том, как работает модель FET и как она имитирует реальный FET в режиме насыщения. Любое напряжение, подаваемое на Vgs, не будет тянуть ток от Vg до Vs, но оно будет проталкивать ток через сток к источнику по правилам FET, и этот ток пропорционален величине напряжения, которое мы имеем на Vgs.

Если мы сделаем коэффициент усиления коэффициента усиления gm очень большим, то нам понадобится лишь небольшое количество напряжения на Vgs, чтобы создать большой ток через сток к источнику, и в результате сопротивление 1 / г будет приближаться к 0, так что оно будет выглядеть импеданс от затвора к источнику отсутствует (только если смотреть с точки зрения источника из-за правил!). Это показывает, как полевой транзистор насыщения очень похож на источник тока, управляемый напряжением.

Изначально я был очень раздражен этой концепцией «изучения сопротивления». Но теперь я могу видеть, насколько это просто. Я попытаюсь объяснить это на языке непрофессионала.

Как вы рассчитываете сопротивление между двумя точками в любой цепи? Вы прикладываете напряжение, находите ток и делаете V / I. Это то, что новички упускают из виду, поскольку они привыкли работать с двумя оконечными устройствами, когда любой ток, поступающий в один из выводов, выходит из другого, поэтому мы просто упоминаем их сопротивление / импеданс. Но в обобщенных схемах это не всегда верно в качестве простого (для иллюстрации) примера, рассматривающего транзистор BJT, смещенный каким-либо образом. Теперь, если вы хотите найти сопротивление между двумя точками, скажем, между эмиттером и базой, вы примените источник напряжения между ними, но вы увидите, что ток, который пойдет в базу, не будет таким же, как ток, который будет выходить из эмиттер. Так какой ток вы будете использовать, чтобы найти сопротивление по V / I. Таким образом, здесь возникает роль «смотреть в концепцию»

Аппроксимации и упрощения, используемые в анализе малых сигналов, значительно упрощают проектирование аналоговых фильтров и аналоговых усилителей.

В общем, «сопротивление, наблюдаемое» на некотором выводе, является эквивалентным сопротивлением для слабого сигнала, которое мы «видим», когда вводим небольшое изменение напряжения на этот вывод и измеряем изменение тока, поступающего на этот вывод.

Например, на этой иллюстрации

Q: Рин - это vi / -i. Почему перед - я?

Определение сопротивления слабого сигнала - это (небольшое увеличение) напряжение на некотором выводе, деленное на (небольшое увеличение) ток, идущий на этот же вывод. Эта иллюстрация определяет «i» как ток, поступающий с вывода S, поэтому «ток, поступающий в S», равен «-i».

Если вы приложите напряжение между G и S и измерите ток по закону Ома, вы обнаружите, что R равно 1 / г.

Откуда вы взяли эту идею?

Если вы прикладываете напряжение между G и S и измеряете ток (используя какой-то идеальный симулятор цепи, такой как SPICE, или соединяете какую-то схему усилителя с полевым транзистором, а затем прикладываете импульсы напряжения к контактам и измеряете импульсы электрического заряда вдаваясь в эти контакты), вы обнаружите, что ток в G отличается от тока в S.

Как вы применяете закон Ома с одним напряжением и двумя разными токами?

Эта конкретная схема является моделью слабого сигнала, включающей идеализированное приближение к полевому транзистору. Как и во всех моделях со слабым сигналом, он пренебрегает постоянными напряжениями и токами постоянного тока, а «напряжение» и «ток» представляют собой небольшие импульсы или другие небольшие сигналы, идущие поверх постоянных напряжений и токов постоянного тока, которые будут присутствовать в физической цепи. ,

В физическом полевом транзисторе тонкий слой изолятора физически блокирует протекание тока в затвор или из него, в результате чего ток в затворе равен нулю. Тогда сохранение заряда и отталкивание заряда приводят к тому, что ток, поступающий в D, всегда равен току, выходящему из S, и наоборот.

В этой абстрактной модели зависящий от тока источник тока заставляет ток, поступающий в D, всегда равен току, выходящему из S, и наоборот, в результате чего ток в G «по совпадению» всегда будет равен нулю. Эта модель получает причинно-следственную связь в обратном направлении, но часто используется как удобное приближение. Как указывает EwokNightmares, существует множество других способов моделирования FET, некоторые из которых более интуитивны, чем другие. Все модели в итоге делают что-то, чтобы заставить ток в G быть нулевым (для того, чтобы правильно моделировать реальные полевые транзисторы).

Rin бесконечен, если смотреть на терминал Gate как Ig = 0, поэтому Vin / Ig стремится к бесконечности. Принимая во внимание, что при взгляде на терминал источника, Gate заземлен, и Is не имеет ограничений (в отличие от Ig). Таким образом, используя KVL (Vin-0) / (Is) = 1 / gm.

И для знака -ve, это отрицательно, так как Инь условно принято входить в FET или из Vin

Примечание: Vin во всех утверждениях относится к испытательному напряжению, которое используется при расчете входного сопротивления.