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                            MOS管開關電路-MOS管的開關特性及開關作用詳解-KIA MOS管

                            信息來源:本站 日期:2018-07-24 

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                            MOS管的開關電路

                            MOS管開關電路是利用一種電路,是利用MOS管柵極(g)控制MOS管源極(s)和漏極(d)通斷的原理構造的電路。MOS管分為N溝道與P溝道,所以開關電路也主要分為兩種。

                            PMOS的開關特性,Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。需要注意的是,Vgs指的是柵極G與源極S的電壓,即柵極低于電源一定電壓就導通,而非相對于地的電壓。但是因為PMOS導通內阻比較大,所以只適用低功率的情況。大功率仍然使用N溝道MOS管。

                            NMOS的開關特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓大于參數手冊中給定的Vgs就可以了,漏極D接電源,源極S接地。需要注意的是Vgs指的是柵極G與源極S的壓差,所以當NMOS作為高端驅動時候,當漏極D與源極S導通時,漏極D與源極S電勢相等,那么柵極G必須高于源極S與漏極D電壓,漏極D與源極S才能繼續導通。

                            MOS管的開關特性

                            MOS管最顯著的特點也是具有放大能力。不過它是通過柵極電壓uGS控制其工作狀態的,是一種具有放大特性的由電壓uGS控制的開關元件。

                            1、靜態特性

                            MOS管作為開關元件,同樣是工作在截止或導通兩種狀態。由于MOS管是電壓控制元件,所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態。圖3.8(a)為由NMOS增強型管構成的開關電路。

                            MOS管的開關特性

                            2、 漏極特性

                            反映漏極電流iD和漏極-源極間電壓uDS之間關系的曲線族叫做漏極特性曲線,簡稱為漏極特性,也就是表示函數 iD=f(uDS)|uGS的幾何圖形,如圖(a)所示。當uGS為零或很小時,由于漏極D和源極S之間是兩個背靠背的PN結,即使在漏極加上正電壓(uDS>0V),MOS管中也不會有電流,也即管子處在截止狀態。

                            當uGS大于開啟電壓UTN時,MOS管就導通了。因為在UGS=UTN(圖2.1.13中UTN=2V)時,柵極和襯底之間產生的電場已增加到足夠強的程度,把P型襯底中的電子吸引到交界面處,形成的N型層——反型層,把兩個N+區連接起來,也即溝通了漏極和源極。所以,稱此管為N溝道增強型MOS管??勺冸娮鑵^:當uGS>UTN后,在uDS比較小時,iD與uDS成近似線性關系,因此可把漏極和源極之間看成是一個可由uGS進行控制的電阻,uGS越大,曲線越陡,等效電阻越小,如圖(a)所示。恒流區(飽和區):當uGS>UTN后,在uDS比較大時,iD僅決定于uGS(飽和),而與uDS幾乎無關,特性曲線近似水平線,D、S之間可以看成為一個受uGS控制的電流源。在數字電路中,MOS管不是工作在截止區,就是工作在可變電阻區,恒流區只是一種瞬間即逝的過度狀態。

                            3、轉移特性

                            反映漏極電流iD和柵源電壓uGS關系的曲線叫做轉移特性曲線,簡稱為轉移特性,也就是表示函數 iD=f(uGS)|uDS的幾何圖形,如圖(b )所示。當uGS<UTN時,MOS管是截止的。當uGS>UTN之后,只要在恒流區,轉移特性曲線基本上是重合在一起的。曲線越陡,表示uGS對iD的控制作用越強,也即放大作用越強,且常用轉移特性曲線的斜率跨導gm來表示。

                            4、P溝道增強型MOS管

                            上面講的是N溝道增強型MOS管。對于P溝道增強型MOS管,無論是結構、符號,還是特性曲線,與N溝道增強型MOS管都有著明顯的對偶關系。其襯底是N型硅,漏極和源極是兩個P+區,而且它的uGS、uDS極性都是負的,開啟電壓UTP也是負值。P溝道增強型MOS管的結構、符號、漏極特性和轉移特性如圖所示。

                            MOS管的開關特性

                            MOS管的開關作用

                            1. 開關應用舉例

                            MOS管是一個是最簡單的管開關電路,輸入電壓是u1,輸出電壓是uO。當u1較小時,MOS管是截止的,uO=UOH=VDD;當u1較大時,MOS管是導通的, ,由于RON<<RD,所以輸出為低電平,即uO=UOL。

                            MOS管的開關特性

                            2. 靜態開關特性

                            (1) 截止條件和截止時的特點

                            ① 截止條件:當MOS管柵源電壓uGS小于其開啟電壓UTN時,將處于截止狀態,因為漏極和源極之間還未形成導電溝道,其等效電路如圖(b)所示。

                            ②截止時的特點:iD=0,MOS管如同一個斷開了的開關。

                            (2) 導通條件和導通時的特點

                            ① 導通條件:當uFS大于UTN時,MOS管將工作在導通狀態。在數字電路中,MOS管導通時,一般都工作在可變電阻區,其導通電阻RON只有幾百歐姆,較小。

                            ② 導通時的特點:MOS管導通之后,如同一個具有一定導通電阻RON閉合了的開關,起等效電路如圖(c)所示。

                            3、 動態特性

                            (一)MOS管極間電容

                            MOS管三個電極之間,均有電容存在,它們分別是柵源電容CGS、柵漏電容CGD和漏源電容CDS。CGS、CGD一般為1~3pF,CDS約為0.1~1pF。在數字電路中,MOS  管的動態特性,即開關速度是搜這些電容充、放電過程制約的。

                            (二) 開關時間

                            uI和iD的波形:在圖(a)所示MOS管開關電路中,當u1為矩形波時,相應iD的波形。

                            開通時間ton:當u1由UIL=0V跳變到UIH=VDD時,MOS管需要經過導通延遲時td1和上升時間tr之后,才能由截止狀態轉換到導通狀態。開通時間ton=td1+tr

                            關斷時間toff:當u1由UIH=VDD跳變到UIL=0V時,MOS管經過關斷延遲時間td2和下降時間tf之后,才能由導通狀態轉換到截止狀態。關斷時間toff=td2+tf,需要特別說明,MOS管電容上電壓不能突變,是造成iD(uO)滯后u1變化的主要原因。而且,由于MOS管的導通電阻比半導體三極管的飽和導通電阻要大得多,RD也比RC大,所以它的開通和關斷時間,也比晶體管長,也即其動態特性較差。不過,在CMOS電路中,由于充電電路和放電電路都是低阻電路,因此,其充、放電過程都比較快,從而使CMOS電路有高的開關速度。


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