mosfet應用-MOSFET在開關電路中的應用及開關特性詳解

mosfet

本文主要講mosfet應用開關電路中。mosfet簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effect transistor）。 [1] MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱上包括NMOS、PMOS等。

mosfet應用

mosfet應用在開關電路中

mosfet應用，在一些簡單的小功率開關電路中，利用雙極結型三極管（BJT，Bipolar Junction Transistor）作為開關管時可能會遇到輸入電流不足，BJT工作狀態(tài)無法正確配置，進而無法實現(xiàn)電路功能的情況。

例如圖1所示的一個使用BJT SS8050LT作為開關管的加熱控制電路，BJT為共射極連接。將BJT視為一個二端口網(wǎng)絡，輸入端口為電阻與NTC型熱敏電阻構成的基極分壓回路，參數(shù)分別為基極-發(fā)射極電壓以及流入基極的電流；輸出端口沒有連接任何負載，參數(shù)分別為集電極與發(fā)射極兩端的電壓和集電極電流。49Ω基極電阻作為發(fā)熱器件，由8個390Ω電阻并聯(lián)而成。

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圖1BJT加熱控制電路

圖1所示的加熱控制電路設計的功能可描述為：當環(huán)境溫度為常溫25℃時，熱敏電阻的阻值為10.000kΩ，基極-發(fā)射極電壓，BJT未導通，電路未工作；當環(huán)境溫度下降到10℃時，熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，基極-發(fā)射極電壓，BJT導通，集電極電流流過基極電阻，電阻發(fā)熱，電路正常工作。

顯然，電路中BJT的工作狀態(tài)需要處于飽和區(qū)內(nèi)，保證電壓盡可能多的電壓落在基極電阻的兩端，提高電阻的發(fā)熱功率。根據(jù)BJT的工作原理可知，BJT的發(fā)射極和集電極均處于正向偏置的區(qū)域為飽和區(qū)。在這一區(qū)域內(nèi)，一般有，因而集電極內(nèi)電場被削弱，集電極收集載流子的能力減弱，這時電流分配關系不再滿足，隨增加而迅速上升，如圖2所示。飽和區(qū)內(nèi)的很小，稱為BJT的飽和壓降，其大小與及有關。圖中虛線是飽和區(qū)與放大區(qū)的分界線，稱為臨界飽和線。對于小功率管，可以認為當（即）時，BJT處于臨界飽和（或臨界放大）狀態(tài)。

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圖2BJT SS8050LT共射極連接時的輸出特性曲線

要想使BJT工作在飽和區(qū)內(nèi)，就要增大基極-發(fā)射極電壓，而環(huán)境溫度越低，熱敏電阻阻值越大，從而增大。但是必須注意到，BJT輸入端口的基極分壓回路電阻越大，輸入電流則越小。具體來說，在BJT導通后，基極-發(fā)射極電壓，基極分壓回路總電流，從圖1.2中可以看出，流入基極的電流太小，BJT無法工作在正常狀態(tài)下，電路功能無法實現(xiàn)。而且由于NTC型熱敏電阻的器件選型限制，無法改用更小阻值的分壓電阻來降低基極分壓回路的總電阻值。對于這種BJT流控器件的限制，可以采用MOSFET壓控器件來代替。

原理描述

MOSFET全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名稱為金屬-氧化物-半導體場效應管。隨著制造工藝的成熟，MOSFET兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點。而且MOSFET還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點，因而獲得了廣泛的應用，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中占有重要的地位。

作為一種場效應管（FET），MOSFET為單極型器件，即管子只有一種載流子（電子或空穴）導電。從導電載流子的帶電極性來看，MOSFET有N（電子型）溝道和P（空穴型）溝道之分；按照導電溝道形成機理不同，又有增強型（E型）和耗盡型（D型）的區(qū)別。

mosfet應用，以N溝道增強型MOSFET AO3400A舉例，AO3400A的輸出特性如圖4所示。將曲線圖分為三個區(qū)域，分別為截止區(qū)、可變電阻區(qū)、飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）。

1)截止區(qū)

當時，導電溝道尚未形成，，為截止工作狀態(tài)。

2)可變電阻區(qū)

當時，MOSFET處于可變電阻區(qū)，此時輸出電阻受控制。

3)飽和區(qū)

當，且時，MOSFET進入飽和區(qū)。不隨變化，而是由柵源極電壓控制。

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圖4AO3400A輸出特性

方案論證

mosfet應用，根據(jù)上述MOSFET的原理敘述，在上面提到的加熱控制電路中應該采用N溝道增強型MOSFET代替原有的BJT，這里選擇AO3400A，于是有如圖5所示的MOSFET共源極放大電路。由于MOSFET是電壓控制器件，所以提供合適的柵源極電壓，就可以建立合適的靜態(tài)工作點，使電路工作在正常狀態(tài)。

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圖5MOSFET加熱控制電路

根據(jù)N溝道增強型MOSFET AO3400A的數(shù)據(jù)手冊，AO3400A的開啟電壓在常溫25℃下為。當環(huán)境溫度下降到10℃時，電路開始工作。此時NTC型熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，MOSFET導通，即柵源極電壓，在這里需要將分壓電阻的阻值調(diào)整為47kΩ。隨著溫度的下降，柵源極電壓增大，流過發(fā)熱電阻的電流也隨著增大。

舉例說明，當環(huán)境溫度下降到-20℃時，熱敏電阻的阻值增大至67.801kΩ，柵源極電壓增大至。使用萬用表實測得到漏源極電壓，說明MOSFET工作在可變電阻區(qū)內(nèi)；同時測得漏極電流，可計算得到發(fā)熱電阻的功率為，實際發(fā)熱效果可靠，電路功能實現(xiàn)。

mosfet的開關特性

詳解mosfet應用在開關電路中的應用后，現(xiàn)在來看看mosfet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(tài)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(tài)特性

MOS管作為開關元件，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)。圖下(a)為由NMOS增強型管構成的開關電路。

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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(shù) 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(tài)。

當uGS大于開啟電壓UTN時，MOS管就導通了。因為在UGS=UTN時，柵極和襯底之間產(chǎn)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(qū)連接起來，也即溝通了漏極和源極。所以，稱此管為N溝道增強型MOS管。可變電阻區(qū)：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(qū)(飽和區(qū))：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(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uGS<UTN時，MOS管是截止的。當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，也即放大作用越強，且常用轉(zhuǎn)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(qū)，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(zhuǎn)移特性如圖所示。

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