硬件設計電路分析|MOS管,三極管常用電路分析-KIA MOS管

一些常用的硬件設計電路分析

MOS管,三極管常用電路-概述

芯片的集成度雖然越來越高，但是整個電路功能的實現，還是離不開分離器件的搭配，本文針對實際工作中的關于MOS管或者三極管的應用做一些整理。

本文所介紹的功能，使用三極管也是可以的，但是實際應用中，MOS管,三極管常用電路多使用MOS管，故本文多以MOS管進行說明。

MOS管,三極管常用電路-應用

NMOS開關控制

如圖，通過NMOS的開關作用，完成對LED的亮滅控制。此時MOS管工作于截止區和可變電阻區。

總結：對于NMOS，當Vgs = Vg - Vs > 0 時，NMOS 導通；當 Vgs = Vg - Vs < 0 時，NMOS斷開。

PMOS 電源控制

IO 控制

PMOS在整個電路系統中，其中某一部分的電路上電通過控制中可以方便用于通斷控制。上圖的電路中，使用時需要注意的一點是VCC_IN 與控制端的電平PWR_CON 要處于同一標準（eg：VCC_IN= 3.3V；PWR_CON 高電平 = 3.3V）。

總結：對于PMOS ，當Vgs = Vg - Vs < 0 時，PMOS導通；當 Vgs = Vg - Vs > 0 時，PMOS斷開。因為MOS管的導通壓降是非常小的，所以在Rds之上的能量損耗是比較少的。

NMOS控制PMOS

進一步地，上圖的電路可以擴展為下圖，PMOS的柵極通過NMOS來控制。

拓展為此電路，針對VCC_IN 與PWR_CON 電壓就沒有強制的要求了。當PWR_CON為高電平的時候，NMOS導通PMOS的柵極被拉低到低電平，PMOS導通VCC_OUT有電壓輸出；反之，當PWR_CON為低電平時，NMOS關斷，從而使PMOS也斷開，這樣就完成了VCC_IN輸出電壓到VCC_OUT的控制。

按鍵上電控制

上圖的電路，就可以完成所謂的按鍵開機的功能。

（1）按下 K1 按鍵，PMOS的柵極被拉低，Vgs < 0，PMOS導通，VCC_OUT有電壓輸出；

（2）VCC_OUT有電壓輸出，按鍵按下時可完成對MCU的供電，然后軟件端通過MCU的GPIO進而控制

NMOS的柵極，即PWR_CON 。先通過KEY_DET檢測到按鍵動作，然后把PWR_CON設置為高電平，NMOS導通，使得PMOS也導通，這時候抬起按鍵，VCC_OUT一端也有電壓穩定輸出，就實現了按鍵上電開機的功能。此電路的二極管，功能是防止電壓反竄和 對MCU的GPIO的保護。

功能流程：

反相（非門邏輯）

如果電路中需要實現邏輯非的功能，可以采用 MOS 管（三極管）加上電阻來實現，如下圖所示：

通過一個MOS管（三極管）加上兩個電阻，就可以實現非門的邏輯。

電池防反接功能

在大多數的電池防反接電路中，常選擇壓降小的二極管（如：肖特基二極管）來完成，但是針對如 3.7V 鋰電池的應用場景，肖特基約為 0.2V 的壓降天然的造成了電池容量的浪費，而MOS管導通的低壓降（Vds）就有很大的優勢了。

如上圖所示，PMOS 在此處的作用就是防止 VBUS 存在時，LDO Vin 端的電壓反竄到電池上。

原理分析：

（1）當 USB VBUS 存在時，PMOS 的柵極電壓 Vg = 5V，源極電壓 Vs = 3.7V（假設此時的電池電壓為 3.7V），Vgs = 5 - 3.7 = 1.3V（大于0），此時 PMOS 關斷，就起到了防止 Vin 端電壓反竄的作用；

（2）當 USB VBUS 不存在時，PMOS 的柵極通過 10K 的電阻下拉到 GND，因此柵極電壓 Vg =0V，源極電壓 Vs = 3.7V（假設此時的電池電壓為 3.7V），電池通過 PMOS 自身的寄生二極管使得 Vs = 3.7V，所以 PMOS 的導通電壓 Vgs = 0 - 3.7 = -3.7V，PMOS 導通，這樣就完成了電池電壓到 Vin 端的輸入。

上圖的 LDO 電路，只要使能端LDO_CON 給一個開啟信號，輸出端 V_3V3 就可以穩定輸出 3.3V，C3、C4 為 LDO 的輸入輸出電容，一般大于 1uF（具體參考數據手冊取值）。

IO通信雙向切換

在一些設備中，如果兩個通過IO連接的器件，某一時刻，一個處于休眠，一個處于掉電，這時候就會導致休眠的器件向掉電的器件灌入電流，為了完全杜絕此狀態下的電路竄入，可采取如下電路的設計（比如：I2C的SDA信號）

原理分析：

如上面兩個方向的表格分析，這樣通過NMOS就完成了一個IO雙向通信的控制。（只能選擇NMOS，不可選擇PMOS，原因可以自行分析一下）

3.3V與5V的電平轉換

（1）MOS實現：

在實際的應用中，常會遇到通信的兩個芯片之間的電平不匹配的問題，這時候就需要通過外部的電路來完成電平匹配的工作（如：MCU 的電平為3.3V，而外設的電平為5V）。

原理分析：

反之，也完成了對5V設備的數據的讀取。注：此電路用三極管也可以實現同樣的功能，如下圖：

（2） 兩級NPN實現：

如下圖所示，3.3V與5V之間的電平轉換，也可以通過兩級的NPN三極管來實現。

原理分析：

以上為一些常用的MOS管的實際應用電路，部分已在實際中進行了驗證。

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