mosfet應用-MOSFET在開(kāi)關(guān)電路中的應用及開(kāi)關(guān)特性詳解

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本文主要講mosfet應用開(kāi)關(guān)電路中。mosfet簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場(chǎng)效晶體管（field-effect transistor）。 [1] MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類(lèi)型，通常又稱(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)上包括NMOS、PMOS等。

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mosfet應用在開(kāi)關(guān)電路中

mosfet應用，在一些簡(jiǎn)單的小功率開(kāi)關(guān)電路中，利用雙極結型三極管（BJT，Bipolar Junction Transistor）作為開(kāi)關(guān)管時(shí)可能會(huì )遇到輸入電流不足，BJT工作狀態(tài)無(wú)法正確配置，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現電路功能的情況。

例如圖1所示的一個(gè)使用BJT SS8050LT作為開(kāi)關(guān)管的加熱控制電路，BJT為共射極連接。將BJT視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò )，輸入端口為電阻與NTC型熱敏電阻構成的基極分壓回路，參數分別為基極-發(fā)射極電壓以及流入基極的電流；輸出端口沒(méi)有連接任何負載，參數分別為集電極與發(fā)射極兩端的電壓和集電極電流。49Ω基極電阻作為發(fā)熱器件，由8個(gè)390Ω電阻并聯(lián)而成。

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圖1BJT加熱控制電路

圖1所示的加熱控制電路設計的功能可描述為：當環(huán)境溫度為常溫25℃時(shí)，熱敏電阻的阻值為10.000kΩ，基極-發(fā)射極電壓，BJT未導通，電路未工作；當環(huán)境溫度下降到10℃時(shí)，熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，基極-發(fā)射極電壓，BJT導通，集電極電流流過(guò)基極電阻，電阻發(fā)熱，電路正常工作。

顯然，電路中BJT的工作狀態(tài)需要處于飽和區內，保證電壓盡可能多的電壓落在基極電阻的兩端，提高電阻的發(fā)熱功率。根據BJT的工作原理可知，BJT的發(fā)射極和集電極均處于正向偏置的區域為飽和區。在這一區域內，一般有，因而集電極內電場(chǎng)被削弱，集電極收集載流子的能力減弱，這時(shí)電流分配關(guān)系不再滿(mǎn)足，隨增加而迅速上升，如圖2所示。飽和區內的很小，稱(chēng)為BJT的飽和壓降，其大小與及有關(guān)。圖中虛線(xiàn)是飽和區與放大區的分界線(xiàn)，稱(chēng)為臨界飽和線(xiàn)。對于小功率管，可以認為當（即）時(shí)，BJT處于臨界飽和（或臨界放大）狀態(tài)。

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圖2BJT SS8050LT共射極連接時(shí)的輸出特性曲線(xiàn)

要想使BJT工作在飽和區內，就要增大基極-發(fā)射極電壓，而環(huán)境溫度越低，熱敏電阻阻值越大，從而增大。但是必須注意到，BJT輸入端口的基極分壓回路電阻越大，輸入電流則越小。具體來(lái)說(shuō)，在BJT導通后，基極-發(fā)射極電壓，基極分壓回路總電流，從圖1.2中可以看出，流入基極的電流太小，BJT無(wú)法工作在正常狀態(tài)下，電路功能無(wú)法實(shí)現。而且由于NTC型熱敏電阻的器件選型限制，無(wú)法改用更小阻值的分壓電阻來(lái)降低基極分壓回路的總電阻值。對于這種BJT流控器件的限制，可以采用MOSFET壓控器件來(lái)代替。

原理描述

MOSFET全稱(chēng)為Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名稱(chēng)為金屬-氧化物-半導體場(chǎng)效應管。隨著(zhù)制造工藝的成熟，MOSFET兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長(cháng)等特點(diǎn)。而且MOSFET還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應用，特別是在大規模和超大規模集成電路中占有重要的地位。

作為一種場(chǎng)效應管（FET），MOSFET為單極型器件，即管子只有一種載流子（電子或空穴）導電。從導電載流子的帶電極性來(lái)看，MOSFET有N（電子型）溝道和P（空穴型）溝道之分；按照導電溝道形成機理不同，又有增強型（E型）和耗盡型（D型）的區別。

mosfet應用，以N溝道增強型MOSFET AO3400A舉例，AO3400A的輸出特性如圖4所示。將曲線(xiàn)圖分為三個(gè)區域，分別為截止區、可變電阻區、飽和區（恒流區又稱(chēng)放大區）。

1)截止區

當時(shí)，導電溝道尚未形成，，為截止工作狀態(tài)。

2)可變電阻區

當時(shí)，MOSFET處于可變電阻區，此時(shí)輸出電阻受控制。

3)飽和區

當，且時(shí)，MOSFET進(jìn)入飽和區。不隨變化，而是由柵源極電壓控制。

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圖4AO3400A輸出特性

方案論證

mosfet應用，根據上述MOSFET的原理敘述，在上面提到的加熱控制電路中應該采用N溝道增強型MOSFET代替原有的BJT，這里選擇AO3400A，于是有如圖5所示的MOSFET共源極放大電路。由于MOSFET是電壓控制器件，所以提供合適的柵源極電壓，就可以建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在正常狀態(tài)。

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圖5MOSFET加熱控制電路

根據N溝道增強型MOSFET AO3400A的數據手冊，AO3400A的開(kāi)啟電壓在常溫25℃下為。當環(huán)境溫度下降到10℃時(shí)，電路開(kāi)始工作。此時(shí)NTC型熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，MOSFET導通，即柵源極電壓，在這里需要將分壓電阻的阻值調整為47kΩ。隨著(zhù)溫度的下降，柵源極電壓增大，流過(guò)發(fā)熱電阻的電流也隨著(zhù)增大。

舉例說(shuō)明，當環(huán)境溫度下降到-20℃時(shí)，熱敏電阻的阻值增大至67.801kΩ，柵源極電壓增大至。使用萬(wàn)用表實(shí)測得到漏源極電壓，說(shuō)明MOSFET工作在可變電阻區內；同時(shí)測得漏極電流，可計算得到發(fā)熱電阻的功率為，實(shí)際發(fā)熱效果可靠，電路功能實(shí)現。

mosfet的開(kāi)關(guān)特性

詳解mosfet應用在開(kāi)關(guān)電路中的應用后，現在來(lái)看看mosfet的開(kāi)關(guān)特性。MOS管最顯著(zhù)的特點(diǎn)也是具有放大能力。不過(guò)它是通過(guò)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(kāi)關(guān)元件。

1、靜態(tài)特性

MOS管作為開(kāi)關(guān)元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態(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)。圖下(a)為由NMOS增強型管構成的開(kāi)關(guān)電路。

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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(xiàn)族叫做漏極特性曲線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)為漏極特性，也就是表示函數 iD=f(uDS)|uGS的幾何圖形，如圖（a）所示。當uGS為零或很小時(shí)，由于漏極D和源極S之間是兩個(gè)背靠背的PN結，即使在漏極加上正電壓（uDS>0V），MOS管中也不會(huì )有電流，也即管子處在截止狀態(tài)。

當uGS大于開(kāi)啟電壓UTN時(shí)，MOS管就導通了。因為在UGS=UTN時(shí)，柵極和襯底之間產(chǎn)生的電場(chǎng)已增加到足夠強的程度，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(gè)N+區連接起來(lái)，也即溝通了漏極和源極。所以，稱(chēng)此管為N溝道增強型MOS管。可變電阻區：當uGS>UTN后，在uDS比較小時(shí)，iD與uDS成近似線(xiàn)性關(guān)系，因此可把漏極和源極之間看成是一個(gè)可由uGS進(jìn)行控制的電阻，uGS越大，曲線(xiàn)越陡，等效電阻越小，如圖（a）所示。恒流區(飽和區)：當uGS>UTN后，在uDS比較大時(shí)，iD僅決定于uGS（飽和），而與uDS幾乎無(wú)關(guān)，特性曲線(xiàn)近似水平線(xiàn)，D、S之間可以看成為一個(gè)受uGS控制的電流源。在數字電路中，MOS管不是工作在截止區，就是工作在可變電阻區，恒流區只是一種瞬間即逝的過(guò)度狀態(tài)。

3、轉移特性

反映漏極電流iD和柵源電壓uGS關(guān)系的曲線(xiàn)叫做轉移特性曲線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)為轉移特性，也就是表示函數 iD=f(uGS)|uDS的幾何圖形，如圖（b ）所示。當uGS<UTN時(shí)，MOS管是截止的。當uGS>UTN之后，只要在恒流區，轉移特性曲線(xiàn)基本上是重合在一起的。曲線(xiàn)越陡，表示uGS對iD的控制作用越強，也即放大作用越強，且常用轉移特性曲線(xiàn)的斜率跨導gm來(lái)表示。

4、P溝道增強型MOS管

上面講的是Ｎ溝道增強型MOS管。對于Ｐ溝道增強型MOS管，無(wú)論是結構、符號，還是特性曲線(xiàn)，與Ｎ溝道增強型MOS管都有著(zhù)明顯的對偶關(guān)系。其襯底是Ｎ型硅，漏極和源極是兩個(gè)Ｐ+區，而且它的uGS、uDS極性都是負的，開(kāi)啟電壓ＵTP也是負值。Ｐ溝道增強型MOS管的結構、符號、漏極特性和轉移特性如圖所示。

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