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MOS管开关电路-MOS管的開關特性及开关作用详解-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管分爲N溝道與P溝道,所以開關電路也主要分爲兩種。

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。但是因爲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作爲高端驅動時候,當漏極D與源極S導通時,漏極D與源極S電勢相等,那麽柵極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管作爲開關元件,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)爲由NMOS增強型管構成的開關電路。

MOS管的開關特性

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。

當uGS大于開啓電壓UTN時,MOS管就導通了。因爲在UGS=UTN(圖2.1.13中UTN=2V)時,柵極和襯底之間産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,稱此管爲N溝道增強型MOS管。可變電阻區:當uGS>UTN後,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後,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之間可以看成爲一個受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型矽,漏極和源極是兩個P+區,而且它的uGS、uDS極性都是負的,開啓電壓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. 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管的開關特性

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,將處于截止狀態,因爲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) 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、 動態特性

(一)MOS管極間電容

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  管的動態特性,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:在圖(a)所示MOS管開關電路中,當u1爲矩形波時,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之後,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: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,也即其動態特性较差。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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