MOS管的正確用法分析與MOS管工作原理及優(yōu)勢(shì)詳解
MOS管的正確用法分析與MOS管工作原理及優(yōu)勢(shì)詳解
mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)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(duì)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(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。
MOS管工作原理
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng)),只要柵極電壓達(dá)到一定電壓(如4V或10V, 其他電壓,看手冊(cè))就可以了。
PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng),但由于導(dǎo)通電阻大,價(jià)格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動(dòng)中,通常還是使用NMOS。
在使用MOS管設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候,大部分人都會(huì)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(jì)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(qiáng)型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)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(wèn)底。
對(duì)于這兩種增強(qiáng)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(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些,但沒(méi)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(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管,在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá)、繼電器),這個(gè)二極管很重要,用于保護(hù)回路。順便說(shuō)一句,體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)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(hào)如下:
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(jiǎn)稱PMOS)和N溝道MOS管(簡(jiǎn)稱NMOS),符號(hào)如下(此處只討論常用的增強(qiáng)型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(kāi)始導(dǎo)通。
基極用高電平驅(qū)動(dòng)NPN型三極管導(dǎo)通(低電平時(shí)不導(dǎo)通);基極除限流電阻外,更優(yōu)的設(shè)計(jì)是,接下拉電阻10-20k到GND;優(yōu)點(diǎn)是,①使基極控制電平由高變低時(shí),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(shí),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(kāi)始導(dǎo)通。
基極用低電平驅(qū)動(dòng)PNP型三極管導(dǎo)通(高電平時(shí)不導(dǎo)通);基極除限流電阻外,更優(yōu)的設(shè)計(jì)是,接上拉電阻10-20k到VCC;優(yōu)點(diǎn)是,①使基極控制電平由低變高時(shí),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(shí),基極是確定的高電平。
所以,如上所述:
對(duì)NPN三極管來(lái)說(shuō),最優(yōu)的設(shè)計(jì)是,負(fù)載R12接在集電極和VCC之間。不夠周到的設(shè)計(jì)是,負(fù)載R12接在射極和GND之間。
對(duì)PNP三極管來(lái)說(shuō),最優(yōu)的設(shè)計(jì)是,負(fù)載R14接在集電極和GND之間。不夠周到的設(shè)計(jì)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(guò)Vth(即Vgs超過(guò)-Vth),PMOS即可開(kāi)始導(dǎo)通。柵極用低電平驅(qū)動(dòng)PMOS導(dǎo)通(高電平時(shí)不導(dǎo)通);柵極除限流電阻外,更優(yōu)的設(shè)計(jì)是,接上拉電阻10-20k到VCC,使柵極控制電平由低變高時(shí),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(guò)Vth(即Vgs超過(guò)Vth),NMOS即可開(kāi)始導(dǎo)通。柵極用高電平驅(qū)動(dòng)NMOS導(dǎo)通(低電平時(shí)不導(dǎo)通);柵極除限流電阻外,更優(yōu)的設(shè)計(jì)是,接下拉電阻10-20k到GND,使柵極控制電平由高變低時(shí),柵極能夠更快被拉低,NMOS能夠更快更可靠地截止。
所以,如上所述
對(duì)PMOS來(lái)說(shuō),最優(yōu)的設(shè)計(jì)是,負(fù)載R16接在漏極和GND之間。不夠周到的設(shè)計(jì)是,負(fù)載R16接在源極和VCC之間。
對(duì)NMOS來(lái)說(shuō),最優(yōu)的設(shè)計(jì)是,負(fù)載R18接在漏極和VCC之間。不夠周到的設(shè)計(jì)是,負(fù)載R18接在源極和GND之間。
(三)設(shè)計(jì)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(shì)
1.場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場(chǎng)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(chǎng)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(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。
3.場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻。
4.場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。
5.場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開(kāi)關(guān)。
6.場(chǎng)效應(yīng)管在電路設(shè)計(jì)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(hào)源負(fù)載,易于跟前級(jí)匹配。