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MOS管开关电路-MOS管的开关特性及开关作用详解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-07-24 

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MOS管的开关电路

MOS管开关电路是利用一种电路,是利用MOS管栅极(g)控制MOS管源极(s)和漏极(d)通断的原理构造的电路。MOS管分为N沟道与P沟道,所以开关电路也主要分为两种。

PMOS的开关特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。需要注意的是,Vgs指的是栅极G与源极S的电压,即栅极低于电源一定电压就导通,而非相对于地的电压。但是因为PMOS导通内阻比较大,所以只适用低功率的情况。大功率仍然使用N沟道MOS管。

NMOS的开关特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压大于参数手册中给定的Vgs就可以了,漏极D接电源,源极S接地。需要注意的是Vgs指的是栅极G与源极S的压差,所以当NMOS作为高端驱动时候,当漏极D与源极S导通时,漏极D与源极S电势相等,那么栅极G必须高于源极S与漏极D电压,漏极D与源极S才能继续导通。

MOS管的开关特性

MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的,是一种具有放大特性的由电压uGS控制的开关元件。

1、静态特性

MOS管作为开关元件,同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件,所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。图3.8(a)为由NMOS增强型管构成的开关电路。

MOS管的开关特性

2、 漏极特性

反映漏极电流iD和漏极-源极间电压uDS之间关系的曲线族叫做漏极特性曲线,简称为漏极特性,也就是表示函数 iD=f(uDS)|uGS的几何图形,如图(a)所示。当uGS为零或很小时,由于漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结,即使在漏极加上正电压(uDS>0V),MOS管中也不会有电流,也即管子处在截止状态。

当uGS大于开启电压UTN时,MOS管就导通了。因为在UGS=UTN(图2.1.13中UTN=2V)时,栅极和衬底之间产生的电场已增加到足够强的程度,把P型衬底中的电子吸引到交界面处,形成的N型层——反型层,把两个N+区连接起来,也即沟通了漏极和源极。所以,称此管为N沟道增强型MOS管。可变电阻区:当uGS>UTN后,在uDS比较小时,iD与uDS成近似线性关系,因此可把漏极和源极之间看成是一个可由uGS进行控制的电阻,uGS越大,曲线越陡,等效电阻越小,如图(a)所示。恒流区(饱和区):当uGS>UTN后,在uDS比较大时,iD仅决定于uGS(饱和),而与uDS几乎无关,特性曲线近似水平线,D、S之间可以看成为一个受uGS控制的电流源。在数字电路中,MOS管不是工作在截止区,就是工作在可变电阻区,恒流区只是一种瞬间即逝的过度状态。

3、转移特性

反映漏极电流iD和栅源电压uGS关系的曲线叫做转移特性曲线,简称为转移特性,也就是表示函数 iD=f(uGS)|uDS的几何图形,如图(b )所示。当uGS<UTN时,MOS管是截止的。当uGS>UTN之后,只要在恒流区,转移特性曲线基本上是重合在一起的。曲线越陡,表示uGS对iD的控制作用越强,也即放大作用越强,且常用转移特性曲线的斜率跨导gm来表示。

4、P沟道增强型MOS管

上面讲的是N沟道增强型MOS管。对于P沟道增强型MOS管,无论是结构、符号,还是特性曲线,与N沟道增强型MOS管都有着明显的对偶关系。其衬底是N型硅,漏极和源极是两个P+区,而且它的uGS、uDS极性都是负的,开启电压UTP也是负值。P沟道增强型MOS管的结构、符号、漏极特性和转移特性如图所示。

MOS管的开关特性

MOS管的开关作用

1. 开关应用举例

MOS管是一个是最简单的管开关电路,输入电压是u1,输出电压是uO。当u1较小时,MOS管是截止的,uO=UOH=VDD;当u1较大时,MOS管是导通的, ,由于RON<<RD,所以输出为低电平,即uO=UOL。

MOS管的开关特性

2. 静态开关特性

(1) 截止条件和截止时的特点

① 截止条件:当MOS管栅源电压uGS小于其开启电压UTN时,将处于截止状态,因为漏极和源极之间还未形成导电沟道,其等效电路如图(b)所示。

②截止时的特点:iD=0,MOS管如同一个断开了的开关。

(2) 导通条件和导通时的特点

① 导通条件:当uFS大于UTN时,MOS管将工作在导通状态。在数字电路中,MOS管导通时,一般都工作在可变电阻区,其导通电阻RON只有几百欧姆,较小。

② 导通时的特点:MOS管导通之后,如同一个具有一定导通电阻RON闭合了的开关,起等效电路如图(c)所示。

3、 动态特性

(一)MOS管极间电容

MOS管三个电极之间,均有电容存在,它们分别是栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。CGS、CGD一般为1~3pF,CDS约为0.1~1pF。在数字电路中,MOS  管的动态特性,即开关速度是搜这些电容充、放电过程制约的。

(二) 开关时间

uI和iD的波形:在图(a)所示MOS管开关电路中,当u1为矩形波时,相应iD的波形。

开通时间ton:当u1由UIL=0V跳变到UIH=VDD时,MOS管需要经过导通延迟时td1和上升时间tr之后,才能由截止状态转换到导通状态。开通时间ton=td1+tr

关断时间toff:当u1由UIH=VDD跳变到UIL=0V时,MOS管经过关断延迟时间td2和下降时间tf之后,才能由导通状态转换到截止状态。关断时间toff=td2+tf,需要特别说明,MOS管电容上电压不能突变,是造成iD(uO)滞后u1变化的主要原因。而且,由于MOS管的导通电阻比半导体三极管的饱和导通电阻要大得多,RD也比RC大,所以它的开通和关断时间,也比晶体管长,也即其动态特性较差。不过,在CMOS电路中,由于充电电路和放电电路都是低阻电路,因此,其充、放电过程都比较快,从而使CMOS电路有高的开关速度。


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