MOS管開關(guān)電路-MOS管的開關(guān)特性及開關(guān)作用詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-07-24
MOS管開關(guān)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(gòu)造的電路。MOS管分為N溝道與P溝道，所以開關(guān)電路也主要分為兩種。
PMOS的開關(guān)特性，Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅(qū)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(dǎo)通，而非相對于地的電壓。但是因?yàn)镻MOS導(dǎo)通內(nèi)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(guān)特性，Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接地時的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓大于參數(shù)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(dāng)NMOS作為高端驅(qū)動時候，當(dāng)漏極D與源極S導(dǎo)通時，漏極D與源極S電勢相等，那么柵極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(xù)導(dǎo)通。
MOS管最顯著的特點(diǎn)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(guān)元件。
1、靜態(tài)特性
MOS管作為開關(guān)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3.8(a)為由NMOS增強(qiáng)型管構(gòu)成的開關(guān)電路。
2、 漏極特性
反映漏極電流iD和漏極-源極間電壓uDS之間關(guān)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(dāng)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(jié)，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?fàn)顟B(tài)。
當(dāng)uGS大于開啟電壓UTN時，MOS管就導(dǎo)通了。因?yàn)樵赨GS=UTN（圖2.1.13中UTN=2V）時，柵極和襯底之間產(chǎn)生的電場已增加到足夠強(qiáng)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(qiáng)型MOS管。可變電阻區(qū)：當(dāng)uGS>UTN后，在uDS比較小時，iD與uDS成近似線性關(guān)系，因此可把漏極和源極之間看成是一個可由uGS進(jìn)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(dāng)uGS>UTN后，在uDS比較大時，iD僅決定于uGS（飽和），而與uDS幾乎無關(guān)，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(guān)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(dāng)uGS<UTN時，MOS管是截止的。當(dāng)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(qiáng)，也即放大作用越強(qiáng)，且常用轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率跨導(dǎo)gm來表示。
4、P溝道增強(qiáng)型MOS管
上面講的是Ｎ溝道增強(qiáng)型MOS管。對于Ｐ溝道增強(qiáng)型MOS管，無論是結(jié)構(gòu)、符號，還是特性曲線，與Ｎ溝道增強(qiáng)型MOS管都有著明顯的對偶關(guān)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(fù)的，開啟電壓ＵTP也是負(fù)值。Ｐ溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)、符號、漏極特性和轉(zhuǎn)移特性如圖所示。
１． 開關(guān)應(yīng)用舉例
MOS管是一個是最簡單的管開關(guān)電路，輸入電壓是u1，輸出電壓是uO。當(dāng)u1較小時，ＭＯＳ管是截止的，uO=UOH=VDD；當(dāng)u1較大時，ＭＯＳ管是導(dǎo)通的， ，由于RON<<RD，所以輸出為低電平，即uO=UOL。
２． 靜態(tài)開關(guān)特性
（１） 截止條件和截止時的特點(diǎn)
① 截止條件：當(dāng)MOS管柵源電壓uGS小于其開啟電壓ＵTN時，將處于截止?fàn)顟B(tài)，因?yàn)槁O和源極之間還未形成導(dǎo)電溝道，其等效電路如圖（b）所示。
②截止時的特點(diǎn)：iD=0，ＭＯＳ管如同一個斷開了的開關(guān)。
（２） 導(dǎo)通條件和導(dǎo)通時的特點(diǎn)
① 導(dǎo)通條件：當(dāng)uFS大于ＵTN時，MOS管將工作在導(dǎo)通狀態(tài)。在數(shù)字電路中，ＭＯＳ管導(dǎo)通時，一般都工作在可變電阻區(qū)，其導(dǎo)通電阻ＲON只有幾百歐姆，較小。
② 導(dǎo)通時的特點(diǎn)：MOS管導(dǎo)通之后，如同一個具有一定導(dǎo)通電阻ＲON閉合了的開關(guān)，起等效電路如圖（c）所示。
3、 動態(tài)特性
（一）MOS管極間電容
MOS管三個電極之間，均有電容存在，它們分別是柵源電容ＣＧＳ、柵漏電容ＣＧＤ和漏源電容ＣＤＳ。ＣＧＳ、ＣＧＤ一般為１～３pF，ＣＤＳ約為０.１～１pF。在數(shù)字電路中，ＭＯＳ 管的動態(tài)特性，即開關(guān)速度是搜這些電容充、放電過程制約的。
（二） 開關(guān)時間
uI和iD的波形：在圖（a）所示MOS管開關(guān)電路中，當(dāng)u1為矩形波時，相應(yīng)iD的波形。
開通時間ton：當(dāng)u1由ＵIL＝０Ｖ跳變到ＵIH＝ＶDD時，MOS管需要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時td1和上升時間tr之后，才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。開通時間ton=td1+tr
關(guān)斷時間toff：當(dāng)u1由ＵIH＝ＶDD跳變到ＵIL＝０Ｖ時，MOS管經(jīng)過關(guān)斷延遲時間td2和下降時間tf之后，才能由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷時間toff=td2+tf，需要特別說明，MOS管電容上電壓不能突變，是造成iD(uO)滯后u1變化的主要原因。而且，由于MOS管的導(dǎo)通電阻比半導(dǎo)體三極管的飽和導(dǎo)通電阻要大得多，ＲD也比ＲC大，所以它的開通和關(guān)斷時間，也比晶體管長，也即其動態(tài)特性較差。不過，在CMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有高的開關(guān)速度。
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