「MOS管知識彙總」分類、區分、寄生二極管、導通條件、開關電路、串聯電阻、米勒效應

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MOS管參數解讀(熱阻、輸入輸出電容及開關時間)


一、分類

場效應管分爲結型(JFET)金屬-氧化物-半導體型(MOSFET)兩種類型,MOSFET應用廣泛,結型管(JFET)幾乎不用,MOSFET一般稱MOS管。

MOSFET有增強型(EMOS)和耗盡型(DMOS)兩大類,增強型和耗盡型每一類下面都有NMOS和PMOS。一般主板上使用最多的是增強型的MOS管,NMOS最多,一般用在信號控制方面;其次是PMOS,PMOS用在電源開關等方面,耗盡型幾乎不用。

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場效應管分類

二、區分

箭頭指向G極的爲NMOS;箭頭背向G極的爲PMOS;
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NMOS和PMOS區分

三、寄生二極管

寄生二極管有的也叫體二極管

NMOS寄生二極管由S極→D極,PMOS的寄生二極管由D極→S極。

寄生二極管和普通二極管一樣,正接會導通,反接會截止。所以對於NMOS,當S極接正,D極接負,寄生二極管會導通,反之,截止;對於PMOS管,當D極接正,S極接負,寄生二極管導通,反之,截止。

當滿足MOS管的導通條件時,MOS管的D極和S極會導通,因爲MOS管的導通內阻極小,一般mΩ級別,1A級別的電流,也才mV級別,所以D極和S極之間的導通壓降很小,不足以使寄生二極管導通,這點需要特別注意。

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寄生二極管方向

四、導通條件

NMOS管導通條件:

VGVS>VGS(th)V_G-V_S>V_{GS(th)},即G極和S極的壓差大於一定值,MOS管會導通,但是也不能大太多,否則燒壞MOS管,開啓電壓和其他參數可以看具體器件的SPEC

PMOS管導通條件:

VSVG>VSG(th)V_S-V_G>V_{SG(th)},即S極和G極的壓差大於一定值,MOS管會導通,同樣的,具體參數看器件的SPEC

五、基本開關電路

1. NMOS管開關電路

MOS管截止狀態,OUT通過R1上拉到5V,OUT=5V;

當GPIO_CTRL電壓大於MOS管開啓電壓時,MOS管導通,D極電壓等於S極電壓,OUT=0V;

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NMOS基本開關電路

2. PMOS管開關電路

PMOS最常用在電源開關中,下圖,當GPIO_CRTL=0V時,S和G極壓差大於MOS管開啓電壓時,MOS管導通,5V_VOUT=5V_VIN;

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PMOS基本開關電路

六、與三極管比較

  1. 三極管是電流控制,MOS管是電壓控制,只容許從信號源取少量電流的情況下,選用MOS管;在信號電壓較低,有容許從信號源取較多電流的條件下,選用三極管。
  2. MOS管是單極性器件(靠一種多數載流子導電),三極管是雙極性器件(既有多數載流子,也要少數載流子導電)。
  3. 有些MOS管的源極和漏極可以互換運用,柵極也可正可負,靈活性比三極管好。
  4. MOS管應用普遍,可以在很小電流和很低電壓下工作。
  5. MOS管輸入阻抗大,低噪聲。
  6. MOS管較貴,三極管的損耗大。
  7. MOS管常用來作爲電源開關,以及大電流開關電路、高頻高速電路中,三極管常用來數字電路開關控制。

七、GS串聯電阻

  • MOS管的輸入阻抗很大,容易受外界信號的干擾,只要少量的靜電,就會使G-S極間的等效電容兩端產生很高的電壓,如果不及時把這些靜電泄放掉,兩端的高壓就會使MOS管產生誤動作,甚至有可能擊穿G-S極;
  • 提供偏置電壓。

八、G極串聯電阻

  • 減緩RdsR_{ds}從無窮大到Rds(on)R_{ds}(on)
  • 防止震盪,一般單片機的I/O輸出口都會帶點雜散電感,在電壓突變的情況下,可能與柵極電容形成LC震盪,串聯電阻可以增大阻尼減小震盪效果;
  • 減小柵極充電峯值電流。

十、米勒效應

1. 概述

MOS管的米勒效應是由於MOS管內部的米勒電容導致的。

當對MOS管的G極加電壓時,MOS管的開啓和關閉其實是對GS之間的電容CGSC_{GS}進行充放電,當充電電壓達到開啓電壓時,MOS管會導通;MOS導通之後,VDSV_{DS}電壓會下降,IDSI_{DS}上升,此時MOS管趨近飽和,由於米勒效應,VGSV_{GS}會持續一段時間不上升,這個不變的地方叫米勒平臺,此時IDSI_{DS}已經達到最大,VDSV_{DS}還在繼續下降,等到米勒電容充滿電,VGSV_{GS}會繼續升高,直到MOS管徹底導通,VDSV_{DS}幾乎爲0。

可以看出,因爲米勒電容的作用,使MOS管開啓時間變慢,因爲MOS管的開通是一個從無到有的過程,D極和S極交疊的區域變大,MOS管損耗變大。

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米勒平臺

2. 產生原因

我們知道在MOS導通前,D極電壓大於G極電壓,MOS管寄生電容Cgd儲存的電量需要在其導通時注入G極與其中的電荷中和,因爲MOS管完全導通後G極電壓是大於D極電壓的。

想了解更多關於米勒效應的內容,可以參考MOS管的米勒效應


永遠相信美好的事情即將發生!作者記得誠,寫於安徽合肥,時間2020-02-21 PM17:45

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