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MOSFET電路不可不知

發(fā)布時間:2023-06-05 來源:雷卯 責任編輯:wenwei

【導讀】MOSFET已成為最常用的三端器件,給電子電路界帶來了一場革命。沒有MOSFET,現在集成電路的設計似乎是不可能的。


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它們非常小,制造過程非常簡單。由于MOSFET的特性,模擬電路和數字電路都成功地實現了集成電路,MOSFET電路可以從大信號模型小信號模型兩種方式進行分析。


大信號模型是非線性的。它用于求解器件電流和電壓的de值。小信號模型可以在大信號模型線性化的基礎上推導出來。截止區(qū)、三極管區(qū)和飽和區(qū)是MOSFET的三個工作區(qū)。當柵源電壓(VGS)小于閾值電壓(Vtn)時,器件處于截止區(qū)。當MOSFET用作放大器時,它工作在飽和區(qū)。用作開關時處于三極管或截止區(qū)。


01 MOSFET驅動電路


為了幫助MOSFET最大化開啟和關閉時間,需要驅動電路。如果MOSFET需要較長時間進出導通,那么我們就無法利用使用MOSFET的優(yōu)勢。這將導致MOSFET發(fā)熱,器件將無法正常工作。MOSFET驅動器通??梢允褂米耘e電路產生電壓,以將柵極驅動到高于MOSFET電源電壓的電壓。


實際上,MOSFET的柵極對驅動器來說就像一個電容器,或者驅動器可以通過分別對柵極進行充電或放電來非??焖俚卮蜷_或關閉MOSFET。


02 MOSFET開關電路


MOSFET工作在三個區(qū)域,截止區(qū),三極管區(qū)和飽和區(qū)。當MOSFET處于截止三極管區(qū)域時,它可以作為開關工作。


MOSFET開關電路由兩個主要部分組成-MOSFET(按晶體管工作)和開/關控制塊。當晶體管導通時,MOSFET將電壓源傳遞給特定負載。在大多數情況下,n溝道MOSFET優(yōu)于p溝道MOSFET,因為它有幾個優(yōu)點。


在MOSFET開關電路中,漏極直接連接到輸入電壓,源極連接到負載。為了開啟n溝道MOSFET,柵源電壓必須大于閾值電壓,必須大于器件的閾值電壓。對于p溝道MOSFET,源極到柵極的電壓必須大于器件的閾值電壓。MOSFET表現得比BJT更好,因為MOS開關中不存在偏移電壓。


03 MOSFET逆變器電路


逆變器電路是數字電路設計中的基本組成部分之一(不要與功率逆變器混淆)。反相器可以直接應用于邏輯門和其他更復雜的數字電路的設計。理想逆變器的傳輸特性如下所示。


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早期的MOS數字電路是使用p-MOSFET制成的。但是隨著微電子技術的進步,MOS的閾值電壓可以控制,并且MOS技術成為主導,因為NMOS的多數載流子,即電子比空穴快兩倍,PMOS的多數載流子,所以在CMOS技術出現之前,逆變器電路也使用N-MOS技術。這里我們討論三種類型的MOS反相電路。


04 阻性負載NMOS逆變器


它是最簡單的MOSFET逆變器電路,它有一個負載電阻R和NMOS晶體管串聯(lián)在電源電壓和地之間,如下圖所示。


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如果Vin小于NMOS的閾值電壓,則晶體管關閉。電容可以變?yōu)殡娫措妷?,輸出電壓等于電源電壓。當輸入大于晶體管的閾值電壓并且我們在輸出處獲得零電壓時,它的缺點是它占用了大面積的IC制造。


04 有源負載NMOS 逆變器


這里我們使用N個MOS晶體管作為有源負載,而不是電阻。電路中有兩種晶體管下拉晶體管將輸出電壓拉到較低的電源電壓(通常為OV)和上拉晶體管將輸出電壓拉到較高的電源電壓。


在下面的電路中,我們可以看到一個上拉和下拉NMOSFET。上拉的柵極與電源電壓短路,使其始終處于開啟狀態(tài)。


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CMOS反相器:CMOS反相器是使用共享一個公共柵極的nMOS - p MOS 對構建的。P溝道晶體管用作上拉晶體管,V溝道晶體管用作下拉晶體管。


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當Vin小于nMOS 的閾值時,NMOS關斷,而PMOS導通。因此,電容器將被充電至電源電壓,我們獲得等于輸出端的電源。當Vin大于nMOS 的閾值時,NMOS導通而PMOS關斷。因此,電容器將放電至電源電壓,我們在輸出端獲得等于零的電壓。


優(yōu)點是CMOS反相器電路僅在開關事件期間消耗功率,并且在電壓傳輸曲線中我們觀察到急劇轉變。但在制造過程中需要額外的工藝步驟。



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