硬件设计基础----MOS管

Posted 2022-09-20 鲁棒最小二乘支持向量机

1 什么是MOS管

MOS管属于场效应管，场效应管分为结型(Junction Field-Effect Transistor)和金属-氧化物-半导体型(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)两种类型，如图所示：

场效应管(Field Effect Transistor)是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管

场效应管属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点

MOSFET有增强型(Enhancement)和耗尽型(Depletion)两大类，增强型和耗尽型每一类下面都有NMOS和PMOS，结构图如图所示：

控制栅极电压VGS的大小改变了电场的强弱，就可以达到控制漏极电流ID大小的目的

2 MOS的性质

图为N沟道增强型MOS管：

对于N沟道增强型的MOS管，当Vgs>Vgs(th)时，MOS导通，如果在D极和S极之间加上一定的电压，就会有电流Id产生。在一定的Vds下，D极电流Id的大小是与G极电压Vgs有关的

输入、输出特性：

MOS管的输出特性曲线如下图所示，其输出特性可以分为三个区：夹断区、恒流区、可变电阻区

• VGS < VGS(th)时，MOS管处于夹断区(截止区)：表示MOS管不能导电，处在截止状态。电流ID为0，管子不工作
• VGS≥VGS(th)，且VDS>VGS-VGS(th)，MOS管进入恒流区：电流ID基本不随VDS变化，ID的大小主要决定于电压VGS，所以叫做恒流区，也叫饱和区，当MOS用来做放大电路时就是工作在恒流区(饱和区)，相当于三极管的放大区
• VGS>VGS(th) ，且VDS < VGS - VGS(th)，MOS管进入可变电阻区：Id随着Vds的增加而上升，两者基本上是线性关系，所以可以看作是一个线性电阻，当VGS不同电阻的阻值就会不同，所以在该区MOS管相当就是一个由VGS控制的可变电阻
• 击穿区：随着VDS增大，PN结承受太大的反向电压而被击穿

导通特性：

MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压VGS决定其工作状态：

• NMOS的特性，VGS大于一定的值VGS(th)就会导通，适合用于源极(S)接地时的情况(低端情况)，只要栅极(G)电压达到一定电压就可
• PMOS的特性，VGS小于一定的值VGS(th)就会导通，适合用于源极(S)接VCC时的情况(高端驱动)，但是PMOS导通内阻大，价格贵，因此高端驱动中，通常还使用NMOS

3 MOS管的分类

• 按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种
• 按导电方式：MOS管又分耗尽型与增强型
• 所以MOS场效应晶体管分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类：N沟道消耗型、N沟道增强型、P沟道消耗型、 P沟道增强型。四种MOS管的结构分别如下图：

NMOS与PMOS区分： 如图中箭头指向，箭头指向G极的为NMOS，箭头背向G极的为PMOS；寄生二极管方向，NMOS的寄生二极管由S极指向D极，PMOS的寄生二极管由D极指向S极

当满足MOS管的导通条件时，MOS管的D极和S极会导通，这个时候体二极管是截止状态，因为MOS管的导通内阻极小，一般mΩ级别，流过1A级别的电流，mV级别，所以D极和S极之间的导通压降很小，不足以使寄生二极管导通

4 MOS管的参数

MOS管的参数数据手册中均有详细解释，下面介绍几个关键参数：

• 开启电压VGS(th)： 当外加栅极控制电压 VGS 超过 VGS(th) 时，漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。该电压为MOS管的导通阈值电压，MOS管导通条件：|Vgs| > |Vgs(th)|
• 最大栅源电压VGS： 栅极能够承受的最大电压，栅极是MOS管最薄弱的地方，加载栅极的电压不能超过这个最大电压
• 漏源电阻RDS(on)： MOS管导通时，漏源间的最大阻抗，决定了MOS导通时的消耗功率，阻值要尽可能的小，因为一旦阻值偏大，就会使得功耗变大
• 导通电流ID： 最大漏源电流。是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流，MOS管的工作电流不应超过 ID
• 漏源击穿电压(VDSS)： 栅源电压VGS 为 0 时，MOS管正常工作所能承受的最大漏源电压
• 跨导gfs： 漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比，是表征MOS管放大能力的一个重要参数，是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度
• 寄生电容： 寄生电容是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性，MOS使用时候，就会在GS级加上一个电阻，用来释放寄生电容的电流
• 米勒电容CGD： 该电容随着栅极和漏极间电压变化而迅速变化，同时会影响栅极和源极电容的充电，以下方法可以减缓米勒效应：1、选择合适的门极驱动电阻RG；2、在G和S之间增加电容；3、采用负压驱动；4、门极有源钳位

MOS管G极与S极并联电阻原因：

• 1、防ESD静电的作用，避免处在一个高阻态。这个电阻可以把它当作是一个泄放电阻，避免MOS管误动作，从而损坏MOS管的栅GS极
• 2、提供固定偏置，在前级电路开路时，这个的电阻可以保证MOS有效的关断。因为G极开路，当电压加在DS端时候，会对Cgd充电，导致G极电压升高，不能有效关断
• 3、阻值一般取5K至数10K左右，太大影响 MOS 管的关断速度。 太小驱动电流会增大，驱动功率增大

MOS管G极串联电阻原因：

• 因为寄生电容，在G极串联一个电阻，与 Ciss形成一个RC充放电电路，可以减小瞬间电流值， 防止损毁MOS管的驱动芯片
• 阻值建议百欧以内，太大会减缓MOS管的开启与通断时间，增加损耗

5 MOS管的应用

MOS管特点：

• 1、输入阻抗非常高，因为MOS管栅极有绝缘膜氧化物，甚至可达上亿欧姆，所以他的输入几乎不取电流，可以用作电子开关
• 2、导通电阻低，可以做到几个毫欧的电阻，极低的传导损耗
• 3、开关速度快，开关损耗低，特别适应PWM输出模式
• 4、在电路设计上的灵活性大，栅偏压可正可负可零
• 5、低功耗、性能稳定、抗辐射能力强，制造成本低廉与使用面积较小、高整合度
• 6、极强的大电流处理能力，可以方便地用作恒流源
• 7、MOS管栅极很容易被静电击穿，栅极输入阻抗大，感应电荷很难释放，高压很容易击穿绝缘层，造成损坏

MOS管与三极管的区别：

三极管是电流控制，MOS管是电压控制，主要有如下的区别：

• 1、只容许从信号源取少量电流的情况下，选用MOS管；在信号电压较低，有容许从信号源取较多电流的条件下，选用三极管
• 2、MOS管是单极性器件(靠一种多数载流子导电)，三极管是双极性器件(既有多数载流子，也要少数载流子导电)
• 3、有些MOS管的源极和漏极可以互换运用，栅极也可正可负，灵活性比三极管好
• 4、MOS管应用普遍，可以在很小电流和很低电压下工作
• 5、MOS管输入阻抗大，低噪声，MOS管较贵，三极管的损耗大
• 6、MOS管常用来作为电源开关，以及大电流开关电路、高频高速电路中，三极管常用来数字电路开关控制

开关电路：
控制信号为高电平，LED点亮；控制信号为低电平，LED熄灭

电源防反接电路：

非门逻辑电路：
输入信号为高电平，输出信号为低电平；输入信号为低电平，输出信号为高电平

电机驱动H电路：

电源拓扑电路：

电源硬件设计----电源基础知识(1)
电源硬件设计----电源基础知识(2)
电源硬件设计----电源基础知识(3)

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