MOSFET電路不可不知

MOSFET已成為最常用的三端器件，給電子電路界帶來(lái)了一場(chǎng)革命。沒(méi)有MOSFET，現(xiàn)在集成電路的設(shè)計(jì)似乎是不可能的。

它們非常小，制造過(guò)程非常簡(jiǎn)單。由于MOSFET的特性，模擬電路和數(shù)字電路都成功地實(shí)現(xiàn)了集成電路，MOSFET電路可以從大信號(hào)模型小信號(hào)模型兩種方式進(jìn)行分析。

大信號(hào)模型是非線(xiàn)性的。它用于求解器件電流和電壓的de值。小信號(hào)模型可以在大信號(hào)模型線(xiàn)性化的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)。截止區(qū)、三極管區(qū)和飽和區(qū)是MOSFET的三個(gè)工作區(qū)。當(dāng)柵源電壓(VGS)小于閾值電壓(Vtn)時(shí)，器件處于截止區(qū)。當(dāng)MOSFET用作放大器時(shí)，它工作在飽和區(qū)。用作開(kāi)關(guān)時(shí)處于三極管或截止區(qū)。

01 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

為了幫助MOSFET最大化開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，需要驅(qū)動(dòng)電路。如果MOSFET需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)出導(dǎo)通，那么我們就無(wú)法利用使用MOSFET的優(yōu)勢(shì)。這將導(dǎo)致MOSFET發(fā)熱，器件將無(wú)法正常工作。MOSFET驅(qū)動(dòng)器通?？梢允褂米耘e電路產(chǎn)生電壓，以將柵極驅(qū)動(dòng)到高于MOSFET電源電壓的電壓。

實(shí)際上，MOSFET的柵極對(duì)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)就像一個(gè)電容器，或者驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)分別對(duì)柵極進(jìn)行充電或放電來(lái)非常快速地打開(kāi)或關(guān)閉MOSFET。

02 MOSFET開(kāi)關(guān)電路

MOSFET工作在三個(gè)區(qū)域，截止區(qū)，三極管區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)MOSFET處于截止三極管區(qū)域時(shí)，它可以作為開(kāi)關(guān)工作。

MOSFET開(kāi)關(guān)電路由兩個(gè)主要部分組成-MOSFET(按晶體管工作)和開(kāi)/關(guān)控制塊。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，MOSFET將電壓源傳遞給特定負(fù)載。在大多數(shù)情況下，n溝道MOSFET優(yōu)于p溝道MOSFET，因?yàn)樗袔讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)。

在MOSFET開(kāi)關(guān)電路中，漏極直接連接到輸入電壓，源極連接到負(fù)載。為了開(kāi)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(duì)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(xiàn)得比BJT更好，因?yàn)镸OS開(kāi)關(guān)中不存在偏移電壓。

03 MOSFET逆變器電路

逆變器電路是數(shù)字電路設(shè)計(jì)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(yīng)用于邏輯門(mén)和其他更復(fù)雜的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)。理想逆變器的傳輸特性如下所示。

早期的MOS數(shù)字電路是使用p-MOSFET制成的。但是隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，MOS的閾值電壓可以控制，并且MOS技術(shù)成為主導(dǎo)，因?yàn)镹MOS的多數(shù)載流子，即電子比空穴快兩倍，PMOS的多數(shù)載流子，所以在CMOS技術(shù)出現(xiàn)之前，逆變器電路也使用N-MOS技術(shù)。這里我們討論三種類(lèi)型的MOS反相電路。

04 阻性負(fù)載NMOS逆變器

它是最簡(jiǎn)單的MOSFET逆變器電路，它有一個(gè)負(fù)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。

如果Vin小于NMOS的閾值電壓，則晶體管關(guān)閉。電容可以變?yōu)殡娫措妷?，輸出電壓等于電源電壓。?dāng)輸入大于晶體管的閾值電壓并且我們?cè)谳敵鎏帿@得零電壓時(shí)，它的缺點(diǎn)是它占用了大面積的IC制造。

04 有源負(fù)載NMOS 逆變器

這里我們使用N個(gè)MOS晶體管作為有源負(fù)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(gè)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(kāi)啟狀態(tài)。

CMOS反相器：CMOS反相器是使用共享一個(gè)公共柵極的nMOS - p MOS 對(duì)構(gòu)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。

當(dāng)Vin小于nMOS 的閾值時(shí)，NMOS關(guān)斷，而PMOS導(dǎo)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(dāng)Vin大于nMOS 的閾值時(shí)，NMOS導(dǎo)通而PMOS關(guān)斷。因此，電容器將放電至電源電壓，我們?cè)谳敵龆双@得等于零的電壓。

優(yōu)點(diǎn)是CMOS反相器電路僅在開(kāi)關(guān)事件期間消耗功率，并且在電壓傳輸曲線(xiàn)中我們觀(guān)察到急劇轉(zhuǎn)變。但在制造過(guò)程中需要額外的工藝步驟。