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MOS管開關(guān)電路-MOS管的開關(guān)特性及開關(guān)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(guān)電路

MOS管開關(guān)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(gòu)造的電路。MOS管分為N溝道與P溝道,所以開關(guān)電路也主要分為兩種。

PMOS的開關(guān)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)。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(dǎo)通,而非相對于地的電壓。但是因為PMOS導(dǎo)通內(nèi)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(guān)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),只要柵極電壓大于參數(shù)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(dāng)NMOS作為高端驅(qū)動時候,當(dāng)漏極D與源極S導(dǎo)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(xù)導(dǎo)通。

MOS管的開關(guān)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(tài)的,是一種具有放大特性的由電壓uGS控制的開關(guān)元件。

1、靜態(tài)特性

MOS管作為開關(guān)元件,同樣是工作在截止或?qū)▋煞N狀態(tài)。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(tài)。圖3.8(a)為由NMOS增強(qiáng)型管構(gòu)成的開關(guān)電路。

MOS管的開關(guān)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(guān)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(shù) iD=f(uDS)|uGS的幾何圖形,如圖(a)所示。當(dāng)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(jié),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?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)uGS大于開啟電壓UTN時,MOS管就導(dǎo)通了。因為在UGS=UTN(圖2.1.13中UTN=2V)時,柵極和襯底之間產(chǎn)生的電場已增加到足夠強(qiáng)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(qū)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(qiáng)型MOS管??勺冸娮鑵^(qū):當(dāng)uGS>UTN后,在uDS比較小時,iD與uDS成近似線性關(guān)系,因此可把漏極和源極之間看成是一個可由uGS進(jìn)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(qū)(飽和區(qū)):當(dāng)uGS>UTN后,在uDS比較大時,iD僅決定于uGS(飽和),而與uDS幾乎無關(guān),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(shù)字電路中,MOS管不是工作在截止區(qū),就是工作在可變電阻區(qū),恒流區(qū)只是一種瞬間即逝的過度狀態(tài)。

3、轉(zhuǎn)移特性

反映漏極電流iD和柵源電壓uGS關(guān)系的曲線叫做轉(zhuǎn)移特性曲線,簡稱為轉(zhuǎn)移特性,也就是表示函數(shù) iD=f(uGS)|uDS的幾何圖形,如圖(b )所示。當(dāng)uGS<UTN時,MOS管是截止的。當(dāng)uGS>UTN之后,只要在恒流區(qū),轉(zhuǎn)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(qiáng),也即放大作用越強(qiáng),且常用轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率跨導(dǎo)gm來表示。

4、P溝道增強(qiáng)型MOS管

上面講的是N溝道增強(qiáng)型MOS管。對于P溝道增強(qiáng)型MOS管,無論是結(jié)構(gòu)、符號,還是特性曲線,與N溝道增強(qiáng)型MOS管都有著明顯的對偶關(guān)系。其襯底是N型硅,漏極和源極是兩個P+區(qū),而且它的uGS、uDS極性都是負(fù)的,開啟電壓UTP也是負(fù)值。P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)、符號、漏極特性和轉(zhuǎn)移特性如圖所示。

MOS管的開關(guān)特性

MOS管的開關(guān)作用

1. 開關(guān)應(yīng)用舉例

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

MOS管的開關(guān)特性

2. 靜態(tài)開關(guān)特性

(1) 截止條件和截止時的特點

① 截止條件:當(dāng)MOS管柵源電壓uGS小于其開啟電壓UTN時,將處于截止?fàn)顟B(tài),因為漏極和源極之間還未形成導(dǎo)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(guān)。

(2) 導(dǎo)通條件和導(dǎo)通時的特點

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

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

3、 動態(tài)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(shù)字電路中,MOS  管的動態(tài)特性,即開關(guān)速度是搜這些電容充、放電過程制約的。

(二) 開關(guān)時間

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

開通時間ton:當(dāng)u1由UIL=0V跳變到UIH=VDD時,MOS管需要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時td1和上升時間tr之后,才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。開通時間ton=td1+tr

關(guān)斷時間toff:當(dāng)u1由UIH=VDD跳變到UIL=0V時,MOS管經(jīng)過關(guān)斷延遲時間td2和下降時間tf之后,才能由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)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(dǎo)通電阻比半導(dǎo)體三極管的飽和導(dǎo)通電阻要大得多,RD也比RC大,所以它的開通和關(guān)斷時間,也比晶體管長,也即其動態(tài)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(guān)速度。


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