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  • MOS管的正確用法分析和MOS管工作原理與優(yōu)勢詳解
    • 發(fā)布時間:2020-09-02 18:23:24
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    MOS管的正確用法分析和MOS管工作原理與優(yōu)勢詳解
    mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個兩個區(qū)是一樣的,即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。
    P溝道,電極,MOS管
    MOS管工作原理
    NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通,適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動),只要柵極電壓達到一定電壓(如4V或10V, 其他電壓,看手冊)就可以了。
    PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動,但由于導(dǎo)通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動中,通常還是使用NMOS。
    在使用MOS管設(shè)計開關(guān)電源或者馬達驅(qū)動電路的時候,大部分人都會考慮MOS的導(dǎo)通電阻,最大電壓等,最大電流等,也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的,但并不是優(yōu)秀的,作為正式的產(chǎn)品設(shè)計也是不允許的。
    1,MOS管種類和結(jié)構(gòu)
    MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),可以被制造成增強型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,但實際應(yīng)用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是這兩種。至于為什么不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。
    對于這兩種增強型MOS管,比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小,且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達驅(qū)動的應(yīng)用中,一般都用NMOS。下面的介紹中,也多以NMOS為主。
    MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,這不是我們需要的,而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,后邊再詳細(xì)介紹。
    在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管,在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達、繼電器),這個二極管很重要,用于保護回路。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。
    MOS管的正確用法詳解
    (一)三極管和MOS管的基本特性
    三極管是電流控制電流器件,用基極電流的變化控制集電極電流的變化。有NPN型三極管和PNP型三極管兩種,符號如下:
    P溝道,電極,MOS管
    MOS管是電壓控制電流器件,用柵極電壓的變化控制漏極電流的變化。有P溝道MOS管(簡稱PMOS)和N溝道MOS管(簡稱NMOS),符號如下(此處只討論常用的增強型MOS管):
    P溝道,電極,MOS管
    (二)三極管和MOS管的正確應(yīng)用
    (1)NPN型三極管,適合射極接GND集電極接負(fù)載到VCC的情況。只要基極電壓高于射極電壓(此處為GND)0.7V,即發(fā)射結(jié)正偏(VBE為正),NPN型三極管即可開始導(dǎo)通。
    基極用高電平驅(qū)動NPN型三極管導(dǎo)通(低電平時不導(dǎo)通);基極除限流電阻外,更優(yōu)的設(shè)計是,接下拉電阻10-20k到GND;優(yōu)點是,①使基極控制電平由高變低時,基極能夠更快被拉低,NPN型三極管能夠更快更可靠地截止;②系統(tǒng)剛上電時,基極是確定的低電平。
    (2)PNP型三極管,適合射極接VCC集電極接負(fù)載到GND的情況。只要基極電壓低于射極電壓(此處為VCC)0.7V,即發(fā)射結(jié)反偏(VBE為負(fù)),PNP型三極管即可開始導(dǎo)通。
    基極用低電平驅(qū)動PNP型三極管導(dǎo)通(高電平時不導(dǎo)通);基極除限流電阻外,更優(yōu)的設(shè)計是,接上拉電阻10-20k到VCC;優(yōu)點是,①使基極控制電平由低變高時,基極能夠更快被拉高,PNP型三極管能夠更快更可靠地截止;②系統(tǒng)剛上電時,基極是確定的高電平。
    P溝道,電極,MOS管
    所以,如上所述:
    對NPN三極管來說,最優(yōu)的設(shè)計是,負(fù)載R12接在集電極和VCC之間。不夠周到的設(shè)計是,負(fù)載R12接在射極和GND之間。
    對PNP三極管來說,最優(yōu)的設(shè)計是,負(fù)載R14接在集電極和GND之間。不夠周到的設(shè)計是,負(fù)載R14接在集電極和VCC之間。
    這樣,就可以避免負(fù)載的變化被耦合到控制端。從電流的方向可以明顯看出。
    (3)PMOS,適合源極接VCC漏極接負(fù)載到GND的情況。只要柵極電壓低于源極電壓(此處為VCC)超過Vth(即Vgs超過-Vth),PMOS即可開始導(dǎo)通。柵極用低電平驅(qū)動PMOS導(dǎo)通(高電平時不導(dǎo)通);柵極除限流電阻外,更優(yōu)的設(shè)計是,接上拉電阻10-20k到VCC,使柵極控制電平由低變高時,柵極能夠更快被拉高,PMOS能夠更快更可靠地截止。
    (4)NMOS,適合源極接GND漏極接負(fù)載到VCC的情況。只要柵極電壓高于源極電壓(此處為GND)超過Vth(即Vgs超過Vth),NMOS即可開始導(dǎo)通。柵極用高電平驅(qū)動NMOS導(dǎo)通(低電平時不導(dǎo)通);柵極除限流電阻外,更優(yōu)的設(shè)計是,接下拉電阻10-20k到GND,使柵極控制電平由高變低時,柵極能夠更快被拉低,NMOS能夠更快更可靠地截止。
    P溝道,電極,MOS管
    所以,如上所述
    對PMOS來說,最優(yōu)的設(shè)計是,負(fù)載R16接在漏極和GND之間。不夠周到的設(shè)計是,負(fù)載R16接在源極和VCC之間。
    對NMOS來說,最優(yōu)的設(shè)計是,負(fù)載R18接在漏極和VCC之間。不夠周到的設(shè)計是,負(fù)載R18接在源極和GND之間。
    (三)設(shè)計原則
    為避免負(fù)載的變化被耦合到控制端(基極Ib或柵極Vgs)的精密邏輯器件(如MCU)中,負(fù)載應(yīng)接在集電極或漏極。
    MOS管優(yōu)勢
    1.場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合電容可以容量較小,不必使用電解電容器。
    2.場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。
    3.場效應(yīng)管可以用作可變電阻。
    4.場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。
    5.場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。
    6.場效應(yīng)管在電路設(shè)計上的靈活性大。柵偏壓可正可負(fù)可零,三極管只能在正向偏置下工作,電子管只能在負(fù)偏壓下工作。另外輸入阻抗高,可以減輕信號源負(fù)載,易于跟前級匹配。
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