Was bedeutet „der Widerstand, in den man schaut“?

Siehe diese Schaltung von Sedra & Smith Microelectronics, 6. Auflage, Seite 287:

Es heißt, dass der Widerstand zwischen dem Gate und der Source, die in die Source schaut, 1 / g beträgt, aber dass der Widerstand zwischen dem Gate und der Source, die in das Gate schaut, unendlich ist. Warum? Was bedeutet überhaupt "hineinschauen" und welchen Unterschied macht es?

Nach meinem Verständnis beträgt der Widerstand zwischen G und S, egal ob Sie in die Source oder in das Gate schauen, 1 / g. Wenn Sie eine Spannung zwischen G und S anlegen und den Strom mit dem Ohmschen Gesetz messen, würden Sie feststellen, dass R 1 / g ist.

Es muss etwas geben, das ich nicht verstehe.

EDIT: Hier ist eine andere verwandte Sache, die ich nicht verstehe. Siehe diese Schaltung:

Es heißt, dass Rin vi / -i ist. Ich kann irgendwie sehen, woher dieser Ausdruck kommt, aber ich kenne die formale Definition von Rin nicht. Warum steht ein - vor dem i?

Für die kurze Antwort:

Die Regeln der FET-Operation setzen gegebenenfalls seine Schaltungsfigur außer Kraft. Führen Sie eine Schaltungsanalyse durch, verwenden Sie jedoch seine Regel für und seine Regel . Als er "ins Tor schauen" sagte, nimmt er die Perspektive der Strömung am Tor ein. Wenn er sagte "in die Quelle schauen", nimmt er die Perspektive der Strömung an der Quelle ein. Er muss spezifizieren, weil die Ströme an jedem Anschluss unterschiedlich sind, obwohl sie eine gemeinsame Spannung zwischen ihnen basierend auf den FET-Regeln haben.$i_{gate} = 0$$i_{d} = V_{gs}*g_m$

Für die lange erläuterte Antwort:

Der Autor bezieht sich auf die Konzepte der Sätze von thevenin oder gleichwertig von Norton und wie sie abhängig davon gelten, welchen Knoten Sie betrachten. Diese Abhängigkeit basiert auf einer Reihe von Regeln, die der Autor zur Beschreibung eines FET verwendet. Beachten Sie, dass Impedanz ein komplexer Widerstand ist, der rein resistiv oder frequenzabhängig sein kann.

Siehe Wikipedia-Artikel (er erklärt es auch in einem früheren Kapitel von Sedra und Smith): http://en.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9venin%27s_theorem

Um der Diskussion einen gewissen Kontext hinzuzufügen, können wir keinen FET aus normalen linearen Elementen wie Widerständen, Kondensatoren und unabhängigen Quellen erstellen. Wir können jedoch ein Modell erstellen , das sich wie ein FET "verhält" (in einem kleinen linearen Betriebsbereich), indem wir eine abhängige Stromquelle hinzufügen und diese Quelle gemäß den Regeln abhängig macheneines FET. Diese Regeln vereinfachen die Funktionsweise eines FET, ermöglichen jedoch eine Annäherung des Verhaltens an normale Schaltungselemente. Manchmal werden die Regeln vorausgesetzt oder für selbstverständlich gehalten, und der Autor hat dies in dieser Figur etwas getan, indem er die Regeln verwendet, um unsere Intuition darüber zu überschreiben, wie die gezeichnete Schaltung funktioniert. In gewisser Hinsicht ist der Widerstand, den er zeigt, eine Illusion, die sich aus den FET-Regeln ergibt. Sie werden später in diesem Kapitel sehen, dass er eine intuitivere Version dieser Schaltung zeichnet, bei der das Gate schwebt, um einen Strom von 0 im Gate zu implizieren. Hier verwendet er einfach eine algebraische Regel, um dasselbe zu tun.

In Ihrer ersten Abbildung ist der Gate-Anschluss mit einem Wert von "1 / gm" direkt mit dem Widerstand verbunden. Die Intuition würde sagen, wenn irgendeine Spannung zwischen Gate und Source angelegt würde, würde ein Strom durch diesen Widerstand fließen und dieser Strom sollte KCL mit Überlagerung folgen, so dass der Strom von Vgs in einem Knoten gleich dem Strom aus seinem anderen Knoten sein sollte. Man könnte dann intuitiv denken, dass die Impedanz von Gate zu Source gleich aussieht wie von Source zu Gate, es ist nur der Widerstand zwischen ihnen. Eine der Regeln, die er gezogen hat, ist jedoch, dass der Gate-Strom = 0 ist. Daher müssen Sie diese Regel immer befolgen, wenn sie angegeben wird, da es sich um eine Regel handelt, die FETs modelliert, auch wenn dies für die Schaltungszeichnung nicht intuitiv ist. Um zu verstehen, warum, müssen Sie das physikalische Design eines FET studieren, und der Autor geht nur davon aus, dass Sie diese Regel akzeptiert haben.

Kehren wir nun zu den Ideen des Thevenin-Theorems und den "Blick in" -Schaltungen zurück. Wie bei jeder Schaltung können wir das Ohmsche Gesetz verwenden, um zu beschreiben, wie es sich für diese FET-Modelle verhält oder wie es darauf reagiert. Wenn eine bekannte Spannung an 2 Knoten in einem Stromkreis angelegt wird, fließt eine Menge an resultierendem Strom zwischen diesen 2 Knoten durch ihre Impedanz. Entsprechend wird an diesen Knoten eine resultierende Spannung von einem bekannten Strom angelegt, der durch seine Impedanz fließt. Es ist uns eigentlich egal, welche Art von Schaltung sich hinter diesen beiden Knoten befindet, da alles durch die Impedanz beschrieben werden kann, die wir "sehen", ohne zu wissen, was sich darin befindet.

Der Grund, warum er spezifizieren muss, welchen Teil des FET er untersucht, ist, dass er sich in Abhängigkeit von dem von Ihnen betrachteten Terminal eines FET nach den einzigen "FET-Regeln" verhält, die für dieses Terminal gelten und nicht unbedingt für den FET gelten Andere.

Wenn er "reinschauen" sagt, bedeutet dies, dass wir ein Eingangssignal (entweder eine bekannte Spannung oder einen bekannten Strom) anlegen und entweder sehen, wie viel Strom fließt oder wie viel Spannung als Ergebnis auf der Grundlage der Regeln für dieses Terminal eingeprägt wird . Wenn wir die "Impedanz gesehen von" sagen, meinen wir normalerweise die Ausgangsimpedanz oder dass wir ein Ausgangssignal betrachten und sehen, wie viel Strom an einem bekannten Spannungsausgang aus ihm herausfließt.

Nehmen wir zum Beispiel seine zweite Behauptung "dass der Widerstand zwischen dem Gate und der Quelle, die in das Gate schaut, unendlich ist". Wenn wir den Satz von thevenins verwenden und eine Eingangsspannung von Gate zu Source anlegen und dann das Ohmsche Gesetz anwenden, können wir sehen, was er bedeutet:

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

Seine Regel für FET-Gates überschreibt jedoch, dass Igate = 0 ist, und daher ist R für jede von Gate zu Source angelegte Spannung unendlich - es fließt kein Strom!

Dies ist schwierig, da trotz angelegter Spannung und fehlendem Stromfluss zwischen Gate und Source ein Strom aus dem Drain in den Knoten fließen kann, in dem sich alle drei Strompfade treffen, da die Drain-eigene Regel mit der abhängigen Stromquelle übereinstimmt sagt, ein Strom fließt durch sie. Da Igate = 0 ist, fließt ein Teil des Drainstroms durch den Knoten und tritt vollständig aus dem Source-Anschluss aus (von KCL). Da dieser Strom nicht im Tor fließt, ist es kein Teil des "Blicks in das Tor".

Jetzt können wir seine erste Behauptung aufstellen, "dass der Widerstand zwischen Gate und Quelle, die in die Quelle schauen, 1 / g beträgt". Wie bereits erwähnt, kann, obwohl kein Strom von Gate zu Source fließt (unendliche Impedanz), ein Strom in der Source fließen, da die von Drain abhängige Stromquelle immer gleich der Spannung zwischen Gate und Source ist, multipliziert mit dem Transkonduktanz-Verstärkungsfaktor gm:

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

Nun müssen wir wieder eine Ohmsche Gesetzgleichung verwenden, um die äquivalente Impedanz zu bestimmen, die von der Source zum Gate "untersucht" wird.

Zuerst legen wir die Spannung an die beiden Klemmen an, deren Impedanz ermittelt werden soll. Wieder ist es Vgs. Da wir diesmal jedoch in die Quelle schauen, ist der Strom nicht 0, und daher können wir bereits sehen, dass es einen Unterschied in der Impedanz im Vergleich zum vorherigen Blick in das Gate gibt.

Da der Drainstrom von dieser angelegten Vgs-Spannung abhängt, beträgt der Strom aus dem Drain:

$V_{gs}*g_m$

Mit KCL am Verbindungsknoten muss nun wieder der gesamte Strom aus dem Drain durch die Source fließen, da igate = 0 ist. Wir wissen bereits genug, um die Impedanz zu ermitteln.

Wenn die angelegte Spannung Vgs ist und der Strom, den wir an der Quelle sehen, Vgs * gm ist, dann:

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

Es ist also eigentlich ein algebraischer Zufall, dass R = 1 / g ist, obwohl es in seiner Figur wie ein echter Widerstand zwischen Gate und Source gezeichnet ist. Dies ist kein echter Widerstand, nur ein Schaltungsmodell mit genügend Regeln, damit es stattdessen wie ein FET funktioniert!

Auf diese Weise erhalten wir Einblicke in die Funktionsweise des FET-Modells und in die Simulation eines echten FET im Sättigungsmodus. Eine an Vgs angelegte Spannung zieht keinen Strom von Vg nach Vs, sondern erzwingt einen Strom durch den Drain nach den FET-Regeln zur Source, und dieser Strom ist proportional zu der an Vgs anliegenden Spannung.

Wenn wir den Transkonduktanz-Verstärkungsfaktor gm sehr groß machen, benötigen wir nur einen kleinen Spannungsbetrag bei Vgs, um einen großen Strom durch den Drain-Source-Anschluss zu erzeugen, und als Ergebnis nähert sich der Widerstand 1 / gm 0, so dass er aussieht Es gibt keine Impedanz von Gate zu Source (nur aus Sicht der Source aufgrund der Regeln!). Dies zeigt, wie ein FET in der Sättigung einer spannungsgesteuerten Stromquelle ähnelt.

Ich war anfangs sehr verärgert über dieses Konzept des "Resistance Looking In". Jetzt kann ich jedoch sehen, wie einfach es ist. Ich werde versuchen, es in der Sprache eines Laien zu erklären.

Wie berechnet man den Widerstand zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis? Sie legen eine Spannung an, ermitteln den Strom und führen V / I aus. Anfänger übersehen hier etwas, da sie es gewohnt sind, mit 2 Endgeräten zu arbeiten, bei denen der Strom, der in einen Anschluss fließt, aus dem anderen kommt. Deshalb erwähnen wir einfach deren Widerstand / Impedanz. In verallgemeinerten Schaltungen ist es jedoch nicht immer richtig, einen BJT-Transistor (zur Veranschaulichung) in Betracht zu ziehen, der auf irgendeine Weise vorgespannt ist. Wenn Sie nun einen Widerstand zwischen zwei Punkten, beispielsweise zwischen Emitter und Basis, finden möchten, legen Sie eine Spannungsquelle zwischen ihnen an, aber Sie sehen, dass der Strom, der in die Basis fließt, nicht mit dem Strom übereinstimmt, der aus der Basis austritt emitter.So welchen Strom werden Sie verwenden, um Widerstand von V / I zu finden. Hier kommt also die Rolle des "Blick in das Konzept"

Die in der Kleinsignalanalyse verwendeten Annäherungen und Vereinfachungen erleichtern das Entwerfen von analogen Filtern und analogen Verstärkern erheblich.

Im Allgemeinen ist der Widerstand, der in einen Pin schaut, der Kleinsignal- Ersatzwiderstand, den wir "sehen", wenn wir eine kleine Spannungsänderung in diesen Pin erzwingen und die Änderung des Stroms messen, der in diesen Pin fließt.

Zum Beispiel in dieser Abbildung

F: Rin ist vi / -i. Warum steht ein - vor dem i?

Die Definition des Kleinsignalwiderstands ist die (geringfügige Erhöhung der) Spannung an einem Pin geteilt durch den (geringfügigen Anstieg des) Stroms, der in denselben Pin fließt. Diese Abbildung definiert "i" als den Strom , der von Pin S kommt, also ist "der Strom, der in S fließt" "-i".

Wenn Sie eine Spannung zwischen G und S anlegen und den Strom mit dem Ohmschen Gesetz messen, würden Sie feststellen, dass R 1 / g ist.

Woher kommt diese Idee?

Wenn Sie eine Spannung zwischen G und S anlegen und den Strom messen (mit einem idealen Schaltungssimulator wie SPICE oder einer Verstärkerschaltung mit einem FET), dann Spannungsimpulse an die Pins anlegen und die Impulse der elektrischen Ladung messen gehen in diese Pins), finden Sie , dass der Strom in G ist verschieden von dem Strom , der in S.

Wie wendet man das Ohmsche Gesetz mit einer einzigen Spannung und zwei verschiedenen Strömen an?

Diese spezielle Schaltung ist ein Kleinsignalmodell, das eine idealisierte Annäherung an einen FET enthält. Wie alle Kleinsignalmodelle werden konstante Gleichspannungen und -ströme vernachlässigt, und "die Spannung" und "der Strom" stellen kleine Impulse oder andere kleine Signale dar, die über den konstanten Gleichspannungen und -strömen liegen, die in einem physikalischen Stromkreis vorhanden wären .

In einem physikalischen FET blockiert eine dünne Isolatorschicht physikalisch den Stromfluss in das Gate oder aus dem Gate, wodurch der Strom in das Gate Null ist. Dann bewirkt die Erhaltung der Ladung und die Ladungsabstoßung, dass der Strom, der in D fließt, immer gleich dem Strom ist, der aus S fließt, und umgekehrt.

In diesem abstrakten Modell erzwingt die stromabhängige Stromquelle, dass der in D fließende Strom immer gleich dem aus S fließenden Strom ist und umgekehrt, sodass der in G fließende Strom "zufällig" immer Null ist. Dieses Modell erhält Kausalität rückwärts, wird jedoch häufig als geeignete Annäherung verwendet. Wie EwokNightmares hervorhebt, gibt es viele andere Möglichkeiten, einen FET zu modellieren, von denen einige intuitiver sind als andere. Die Modelle tun am Ende alles, um den Strom in G auf Null zu bringen (um echte FETs korrekt zu modellieren).

Das Rin ist unendlich, wenn man in das Gate-Terminal schaut, da Ig = 0 ist, also Vin / Ig gegen unendlich tendiert. Während beim Blick in den Source-Anschluss das Gate geerdet ist und das Is keine Einschränkung aufweist (im Gegensatz zu Ig). Verwenden Sie daher KVL (Vin-0) / (Is) = 1 / g.

Und für das -ve-Zeichen ist es negativ, da Iin üblicherweise in den FET oder aus dem Vin genommen wird

Hinweis: In allen Aussagen bezieht sich Vin auf die Prüfspannung, die bei der Berechnung der Eingangsimpedanz verwendet wird.