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MOS管,CMOS-MOS管CMOS集成电路、工作原理解析以及简单比较-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-07-19 

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MOS管種類和結構

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管型号和增强型的P沟道MOS管型号,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,这个二极管很重要。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管導通特性

導通的意思是作爲開關,相當于開關閉合。NMOS的特性,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),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性,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)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。

MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。MOS在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越快,損失也越大。導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。縮短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

MOS管和CMOS

MOS管和CMOS

MOS管驅動

跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驅動时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。

MOS管集成電路

MOS集成電路特點:制造工藝比較簡單、成品率較高、功耗低、組成的邏輯電路比較簡單,集成度高、抗幹擾能力強,特別適合于大規模集成電路。

MOS集成電路包括:NMOS管組成的NMOS電路、PMOS管組成的PMOS電路及由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路,即CMOS電路。

PMOS門電路與NMOS電路的原理完全相同,只是電源極性相反而已。

數字電路中MOS集成電路所使用的MOS管均爲增強型管子,負載常用MOS管作爲有源負載,這樣不僅節省了矽片面積,而且簡化了工藝利于大規模集成。常用的符號如圖所示。

MOS管和CMOS

CMOS介紹

CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体)的缩写。它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片,是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片。因为可读写的特性,所以在电脑主板上用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据,这个芯片仅仅是用来存放数据的。而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中,在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序,方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。


CMOS集成電路的性能及特點


(1)功耗低

CMOS集成电路采用場效應管,且都是互补结构,工作时两个串联的場效應管总是处于一个管导通,另一个管截止的状态,电路静态功耗理论上为零。实际上,由于存在漏电流,CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW,动态功耗(在1MHz工作频率时)也仅为几mW。

(2)工作電壓範圍寬

CMOS集成電路供電簡單,供電電源體積小,基本上不需穩壓。國産CC4000系列的集成電路,可在3~18V電壓下正常工作。

(3)邏輯擺幅大CMOS集成電路的邏輯高電平“1”、邏輯低電平“0”分別接近于電源高電位VDD及電影低電位VSS。當VDD=15V,VSS=0V時,輸出邏輯擺幅近似15V。因此,CMOS集成電路的電壓利用系數在各類集成電路中指標是較高的。

(4)抗幹擾能力強

CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值爲電源電壓的45%,保證值爲電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加,噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓(當VSS=0V時),電路將有7V左右的噪聲容限。

(5)輸入阻抗高

CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络,故比一般場效應管的输入电阻稍小,但在正常工作电压范围内,这些保护二极管均处于反向偏置状态,直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流,通常情况下,等效输入阻抗高达103~1011Ω,因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。

(6)溫度穩定性能好

由于CMOS集成电路的功耗很低,内部发热量少,而且,CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性,在温度环境发生变化时,某些参数能起到自动补偿作用,因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路,工作温度为-55 ~ +125℃;塑料封装的电路工作温度范围为-45 ~ +85℃。

(7)扇出能力強

扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高,因此電路的輸出能力受輸入電容的限制,但是,當CMOS集成電路用來驅動同類型,如不考慮速度,一般可以驅動50個以上的輸入端。

(8)抗輻射能力強

CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管,屬于多數載流子導電器件。各種射線、輻射對其導電性能的影響都有限,因而特別適用于制作航天及核實驗設備。

(9)可控性好

CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時間可以控制,其輸出的上升和下降時間的典型值爲電路傳輸延遲時間的125%~140%。

(10)接口方便

因爲CMOS集成電路的輸入阻抗高和輸出擺幅大,所以易于被其他電路所驅動,也容易驅動其他類型的電路或器件。


CMOS集成電路的工作原理

以CMOS集成電路中的一個最基本電路——反相器(其他複雜的CMOS集成電路大多是由反相器單元組合而成)爲例,分析CMOS集成電路的工作過程。

利用一個P溝道MOS管和一個N溝道MOS管互補連接就構成了一個最基本的反相器單元電路如附圖所示。圖2中VDD爲正電源端,VSS爲負電源端。電路設計采用正邏輯方法,即邏輯“1”爲高電平,邏輯“0”爲低電平。

圖2中,當輸入電壓VI爲低電平“0”(VSS)時,N溝道MOS管的柵-源電壓VGSN=0V(源極和襯底一起接VSS),由于是增強型管,所以管子截止,而P溝道MOS管的柵-源電壓VGSN=VSS—VDD。若|VSS—VDD|>|VTP|(MOS管開啓電壓),則P溝道MOS管導通,所以輸出電壓V0爲高電平“1”(VDD),實現了輸入和輸出的反相功能。

當輸入電壓VI爲底電平“1”(VDD)時,VGSN=(VDD—VSS)。若(VDD—VSS)>VGSN,則N溝道MOS管導通,此時VGSN=0V,P溝道MOS管截止,所以輸出電壓V0爲低電平“0”(VSS),與VI互爲反相關系。

由上述分析可知,當輸入信號爲“0”或“1”的穩定狀態時,電路中的兩個MOS管總有一個處于截止狀態,使得VDD和VSS之間無低阻抗直流通路,因此靜態功耗極小。這便是CMOS集成電路最主要的特點。


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