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MOS管的开关电路

MOS管(guan)开关电(dian)(dian)路(lu)(lu)是(shi)利用一种电(dian)(dian)路(lu)(lu)，是(shi)利用MOS管(guan)栅极(ji)（g）控制MOS管(guan)源极(ji)（s）和(he)漏极(ji)（d）通(tong)断的(de)原(yuan)理(li)构造(zao)的(de)电(dian)(dian)路(lu)(lu)。MOS管(guan)分(fen)为N沟(gou)道(dao)与P沟(gou)道(dao)，所以开关电(dian)(dian)路(lu)(lu)也主要分(fen)为两(liang)种。

PMOS的(de)(de)(de)(de)开关特(te)性，Vgs小于(yu)一定的(de)(de)(de)(de)值就会导通，适合用(yong)(yong)于(yu)源(yuan)(yuan)极接VCC时的(de)(de)(de)(de)情况（高端驱动）。需要注意的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)，Vgs指(zhi)的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)栅极G与源(yuan)(yuan)极S的(de)(de)(de)(de)电(dian)压(ya)，即(ji)栅极低(di)于(yu)电(dian)源(yuan)(yuan)一定电(dian)压(ya)就导通，而非相对于(yu)地的(de)(de)(de)(de)电(dian)压(ya)。但是(shi)(shi)因为PMOS导通内阻比较大，所以只适用(yong)(yong)低(di)功率(lv)的(de)(de)(de)(de)情况。大功率(lv)仍然使用(yong)(yong)N沟道MOS管(guan)。

NMOS的(de)(de)(de)(de)开关特性，Vgs大于一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)值就会导(dao)通(tong)，适合用于源(yuan)极(ji)(ji)(ji)接(jie)地时(shi)的(de)(de)(de)(de)情况(kuang)（低端(duan)(duan)驱动(dong)(dong)），只要栅极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压大于参数手(shou)册中(zhong)给定(ding)的(de)(de)(de)(de)Vgs就可以了(le)，漏(lou)(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)D接(jie)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)，源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S接(jie)地。需要注(zhu)意的(de)(de)(de)(de)是Vgs指的(de)(de)(de)(de)是栅极(ji)(ji)(ji)G与(yu)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S的(de)(de)(de)(de)压差，所以当(dang)NMOS作为高(gao)端(duan)(duan)驱动(dong)(dong)时(shi)候，当(dang)漏(lou)(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)D与(yu)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S导(dao)通(tong)时(shi)，漏(lou)(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)D与(yu)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S电(dian)(dian)(dian)势相等，那么栅极(ji)(ji)(ji)G必(bi)须高(gao)于源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S与(yu)漏(lou)(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)D电(dian)(dian)(dian)压，漏(lou)(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)D与(yu)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S才能继(ji)续导(dao)通(tong)。

MOS管的开关特性

MOS管最显著的特点(dian)也(ye)是具有(you)放(fang)大能力。不(bu)过它(ta)是通过栅(zha)极电(dian)压(ya)uGS控制(zhi)其工作状态的，是一种具有(you)放(fang)大特性的由电(dian)压(ya)uGS控制(zhi)的开关元(yuan)件。

1、静态特性

MOS管(guan)作为(wei)(wei)开关元(yuan)件，同样(yang)是工(gong)作在截止或(huo)导通(tong)两(liang)种状态。由(you)于MOS管(guan)是电压控制元(yuan)件，所以主要由(you)栅源电压uGS决(jue)定其工(gong)作状态。图3.8(a)为(wei)(wei)由(you)NMOS增强型管(guan)构(gou)成的开关电路。

2、 漏极特性(xing)

反映漏(lou)极(ji)(ji)电流(liu)iD和漏(lou)极(ji)(ji)-源(yuan)极(ji)(ji)间(jian)电压uDS之间(jian)关系的(de)曲线(xian)族叫做漏(lou)极(ji)(ji)特(te)性曲线(xian)，简(jian)称为漏(lou)极(ji)(ji)特(te)性，也(ye)就(jiu)是表示函数 iD=f(uDS)|uGS的(de)几何图形(xing)，如图（a）所示。当uGS为零或(huo)很小时(shi)，由(you)于漏(lou)极(ji)(ji)D和源(yuan)极(ji)(ji)S之间(jian)是两个背靠背的(de)PN结(jie)，即使在漏(lou)极(ji)(ji)加上正电压（uDS>0V），MOS管(guan)中也(ye)不会(hui)有电流(liu)，也(ye)即管(guan)子处(chu)在截止(zhi)状态。

当(dang)uGS大于(yu)开(kai)启电(dian)压UTN时(shi)，MOS管就导通(tong)了(le)。因为在(zai)(zai)UGS=UTN（图(tu)2.1.13中(zhong)UTN=2V）时(shi)，栅极(ji)(ji)和衬底之间产生的(de)(de)电(dian)场已(yi)增加到足够强(qiang)的(de)(de)程度，把P型衬底中(zhong)的(de)(de)电(dian)子吸(xi)引(yin)到交界(jie)面处，形(xing)成的(de)(de)N型层——反型层，把两个N+区连(lian)接(jie)起来(lai)，也即沟通(tong)了(le)漏极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)。所以，称此(ci)管为N沟道增强(qiang)型MOS管。可(ke)变电(dian)阻(zu)区：当(dang)uGS>UTN后(hou)，在(zai)(zai)uDS比较小时(shi)，iD与(yu)uDS成近似(si)线性(xing)关(guan)(guan)系，因此(ci)可(ke)把漏极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)之间看成是(shi)一个可(ke)由uGS进行控(kong)制的(de)(de)电(dian)阻(zu)，uGS越大，曲线越陡，等效电(dian)阻(zu)越小，如图(tu)（a）所示(shi)。恒流区(饱(bao)(bao)和区)：当(dang)uGS>UTN后(hou)，在(zai)(zai)uDS比较大时(shi)，iD仅决(jue)定于(yu)uGS（饱(bao)(bao)和），而与(yu)uDS几(ji)乎无关(guan)(guan)，特性(xing)曲线近似(si)水平线，D、S之间可(ke)以看成为一个受uGS控(kong)制的(de)(de)电(dian)流源。在(zai)(zai)数字电(dian)路中(zhong)，MOS管不(bu)是(shi)工(gong)作在(zai)(zai)截止区，就是(shi)工(gong)作在(zai)(zai)可(ke)变电(dian)阻(zu)区，恒流区只是(shi)一种瞬(shun)间即逝(shi)的(de)(de)过度状态(tai)。

3、转移特性(xing)

反映漏极(ji)电流(liu)iD和(he)栅源电压uGS关(guan)系(xi)的曲线叫做转(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)特(te)性(xing)曲线，简称为(wei)转(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)特(te)性(xing)，也就是表(biao)示(shi)函数 iD=f(uGS)|uDS的几何图(tu)形，如(ru)图(tu)（b ）所(suo)示(shi)。当uGS<UTN时，MOS管是截止的。当uGS>UTN之(zhi)后，只(zhi)要在恒(heng)流(liu)区，转(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)特(te)性(xing)曲线基本上(shang)是重合在一起的。曲线越陡，表(biao)示(shi)uGS对iD的控(kong)制作(zuo)用越强，也即放大(da)作(zuo)用越强，且常用转(zhuan)(zhuan)移(yi)(yi)特(te)性(xing)曲线的斜率跨导(dao)gm来表(biao)示(shi)。

4、P沟道增强型MOS管

上面讲的(de)是(shi)(shi)Ｎ沟道(dao)增强型MOS管(guan)(guan)。对于Ｐ沟道(dao)增强型MOS管(guan)(guan)，无(wu)论是(shi)(shi)结(jie)构、符(fu)号，还(hai)是(shi)(shi)特性(xing)曲线，与Ｎ沟道(dao)增强型MOS管(guan)(guan)都(dou)有着明显的(de)对偶关(guan)系。其衬底是(shi)(shi)Ｎ型硅，漏极(ji)和(he)源极(ji)是(shi)(shi)两个Ｐ+区，而且(qie)它(ta)的(de)uGS、uDS极(ji)性(xing)都(dou)是(shi)(shi)负(fu)的(de)，开(kai)启电压ＵTP也(ye)是(shi)(shi)负(fu)值(zhi)。Ｐ沟道(dao)增强型MOS管(guan)(guan)的(de)结(jie)构、符(fu)号、漏极(ji)特性(xing)和(he)转移特性(xing)如图所示。

MOS管的开关作用

１． 开(kai)关应用举(ju)例

MOS管(guan)是一个是最简单(dan)的(de)管(guan)开关电(dian)路，输(shu)入电(dian)压(ya)(ya)是u1，输(shu)出(chu)电(dian)压(ya)(ya)是uO。当u1较(jiao)小时(shi)，ＭＯＳ管(guan)是截止的(de)，uO=UOH=VDD；当u1较(jiao)大时(shi)，ＭＯＳ管(guan)是导通的(de)， ，由于(yu)RON<<RD，所以(yi)输(shu)出(chu)为低电(dian)平(ping)，即(ji)uO=UOL。

２． 静态开(kai)关特性(xing)

（１） 截止条件和截止时的特点(dian)

① 截止条件：当MOS管栅(zha)源(yuan)电压uGS小于其开启电压ＵTN时，将处于截(jie)止状态，因为漏(lou)极(ji)(ji)和(he)源极(ji)(ji)之间(jian)还未形成导电(dian)沟(gou)道，其等效电(dian)路如图（b）所示。

②截止时的特(te)点：iD=0，ＭＯＳ管如同一个断开(kai)了的开(kai)关。

（２） 导(dao)通条件和(he)导(dao)通时(shi)的特点

① 导通(tong)条件：当uFS大于ＵTN时，MOS管将工作在导通(tong)状(zhuang)态。在数字电路中，ＭＯＳ管导通(tong)时，一般都(dou)工作在可变(bian)电阻(zu)区，其导通(tong)电阻(zu)ＲON只(zhi)有几百(bai)欧姆，较小。

② 导通(tong)时的特点：MOS管导通(tong)之后，如(ru)同一个具有一定(ding)导通(tong)电(dian)阻ＲON闭合了(le)的开关，起等效电(dian)路如(ru)图（c）所示。

3、 动态特性

（一(yi)）MOS管(guan)极间电容

MOS管(guan)三个电(dian)(dian)极之间，均有电(dian)(dian)容存在，它(ta)们分别是(shi)栅(zha)源(yuan)电(dian)(dian)容ＣＧＳ、栅(zha)漏电(dian)(dian)容ＣＧＤ和漏源(yuan)电(dian)(dian)容ＣＤＳ。ＣＧＳ、ＣＧＤ一(yi)般(ban)为１～３pF，ＣＤＳ约为０.１～１pF。在数(shu)字电(dian)(dian)路(lu)中(zhong)，ＭＯＳ  管(guan)的动态(tai)特性(xing)，即(ji)开(kai)关速(su)度是(shi)搜(sou)这些电(dian)(dian)容充、放电(dian)(dian)过程(cheng)制约的。

（二） 开关时间

uI和iD的波形：在图（a）所示MOS管开关电路中，当u1为矩形波(bo)时，相应iD的波(bo)形。

开通时间ton：当(dang)u1由ＵIL＝０Ｖ跳变到ＵIH＝ＶDD时，MOS管(guan)需要经过(guo)导通延(yan)迟时td1和上升时间(jian)tr之后，才能(neng)由截止状态转换到导通状态。开通时间(jian)ton=td1+tr

关断时间toff：当u1由(you)(you)ＵIH＝ＶDD跳变到ＵIL＝０Ｖ时(shi)(shi)，MOS管经(jing)过关(guan)(guan)断(duan)延迟时(shi)(shi)间(jian)td2和(he)(he)下降时(shi)(shi)间(jian)tf之后，才能由(you)(you)导(dao)通状态转换到截止状态。关(guan)(guan)断(duan)时(shi)(shi)间(jian)toff=td2+tf，需(xu)要特别说明，MOS管电容(rong)上(shang)电压不(bu)能突变，是(shi)造成iD(uO)滞后u1变化的(de)(de)主要原因(yin)。而(er)且，由(you)(you)于(yu)MOS管的(de)(de)导(dao)通电阻(zu)比(bi)半导(dao)体三极管的(de)(de)饱和(he)(he)导(dao)通电阻(zu)要大(da)得多，ＲD也(ye)比(bi)ＲC大(da)，所以它的(de)(de)开通和(he)(he)关(guan)(guan)断(duan)时(shi)(shi)间(jian)，也(ye)比(bi)晶体管长，也(ye)即(ji)其(qi)动态特性较差。不(bu)过，在(zai)CMOS电路(lu)(lu)中，由(you)(you)于(yu)充电电路(lu)(lu)和(he)(he)放(fang)电电路(lu)(lu)都是(shi)低阻(zu)电路(lu)(lu)，因(yin)此，其(qi)充、放(fang)电过程都比(bi)较快，从(cong)而(er)使CMOS电路(lu)(lu)有高的(de)(de)开关(guan)(guan)速度。

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