MOS管的正确用法

2020-02-18      1173 次浏览

学过模拟电路,但都忘得差不多了。重新学习MOS管相关知识,大多数是整理得来并非原创。如有错误还请多多指点!


先上一张图



一句话MOS管工作原理

NMOS的特性,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),只要栅极电压达到一定电压(如4V或10V,其他电压,看手册)就可以了。


pMOS的特性,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)。但是,虽然pMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。


在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的。


1,MOS管种类和结构


MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,p沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的p沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者pMOS指的就是这两种。


至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底。


对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。


MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。


在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达、继电器),这个二极管很重要,用于保护回路。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。


MOS管的正确用法

1三极管和MOS管的基本特性


三极管是电流控制电流器件,用基极电流的变化控制集电极电流的变化。有NpN型三极管和pNp型三极管两种,符号如下:



MOS管是电压控制电流器件,用栅极电压的变化控制漏极电流的变化。有p沟道MOS管(简称pMOS)和N沟道MOS管(简称NMOS),符号如下(此处只讨论常用的增强型MOS管):



2三极管和MOS管的正确应用


(1)NpN型三极管,适合射极接GND集电极接负载到VCC的情况。只要基极电压高于射极电压(此处为GND)0.7V,即发射结正偏(VBE为正),NpN型三极管即可开始导通。


基极用高电平驱动NpN型三极管导通(低电平时不导通);基极除限流电阻外,更优的设计是,接下拉电阻10-20k到GND;优点是,①使基极控制电平由高变低时,基极能够更快被拉低,NpN型三极管能够更快更可靠地截止;②系统刚上电时,基极是确定的低电平。


(2)pNp型三极管,适合射极接VCC集电极接负载到GND的情况。只要基极电压低于射极电压(此处为VCC)0.7V,即发射结反偏(VBE为负),pNp型三极管即可开始导通。


基极用低电平驱动pNp型三极管导通(高电平时不导通);基极除限流电阻外,更优的设计是,接上拉电阻10-20k到VCC;优点是,①使基极控制电平由低变高时,基极能够更快被拉高,pNp型三极管能够更快更可靠地截止;②系统刚上电时,基极是确定的高电平。



所以,如上所述


对NpN三极管来说,最优的设计是,负载R12接在集电极和VCC之间。不够周到的设计是,负载R12接在射极和GND之间。


对pNp三极管来说,最优的设计是,负载R14接在集电极和GND之间。不够周到的设计是,负载R14接在集电极和VCC之间。


这样,就可以避免负载的变化被耦合到控制端。从电流的方向可以明显看出。


(3)pMOS,适合源极接VCC漏极接负载到GND的情况。只要栅极电压低于源极电压(此处为VCC)超过Vth(即Vgs超过-Vth),pMOS即可开始导通。


栅极用低电平驱动pMOS导通(高电平时不导通);栅极除限流电阻外,更优的设计是,接上拉电阻10-20k到VCC,使栅极控制电平由低变高时,栅极能够更快被拉高,pMOS能够更快更可靠地截止。


(4)NMOS,适合源极接GND漏极接负载到VCC的情况。只要栅极电压高于源极电压(此处为GND)超过Vth(即Vgs超过Vth),NMOS即可开始导通。


栅极用高电平驱动NMOS导通(低电平时不导通);栅极除限流电阻外,更优的设计是,接下拉电阻10-20k到GND,使栅极控制电平由高变低时,栅极能够更快被拉低,NMOS能够更快更可靠地截止。



所以,如上所述


对pMOS来说,最优的设计是,负载R16接在漏极和GND之间。不够周到的设计是,负载R16接在源极和VCC之间。


对NMOS来说,最优的设计是,负载R18接在漏极和VCC之间。不够周到的设计是,负载R18接在源极和GND之间。


3设计原则


为避免负载的变化被耦合到控制端(基极Ib或栅极Vgs)的精密逻辑器件(如MCU)中,负载应接在集电极或漏极。


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