【導(dǎo)讀】MOSFET已成為最常用的三端器件,給電子電路界帶來了一場革命。沒有MOSFET,現(xiàn)在集成電路的設(shè)計似乎是不可能的。
它們非常小,制造過程非常簡單。由于MOSFET的特性,模擬電路和數(shù)字電路都成功地實現(xiàn)了集成電路,MOSFET電路可以從大信號模型小信號模型兩種方式進行分析。
大信號模型是非線性的。它用于求解器件電流和電壓的de值。小信號模型可以在大信號模型線性化的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來。截止區(qū)、三極管區(qū)和飽和區(qū)是MOSFET的三個工作區(qū)。當(dāng)柵源電壓(VGS)小于閾值電壓(Vtn)時,器件處于截止區(qū)。當(dāng)MOSFET用作放大器時,它工作在飽和區(qū)。用作開關(guān)時處于三極管或截止區(qū)。
01 MOSFET驅(qū)動電路
為了幫助MOSFET最大化開啟和關(guān)閉時間,需要驅(qū)動電路。如果MOSFET需要較長時間進出導(dǎo)通,那么我們就無法利用使用MOSFET的優(yōu)勢。這將導(dǎo)致MOSFET發(fā)熱,器件將無法正常工作。MOSFET驅(qū)動器通常可以使用自舉電路產(chǎn)生電壓,以將柵極驅(qū)動到高于MOSFET電源電壓的電壓。
實際上,MOSFET的柵極對驅(qū)動器來說就像一個電容器,或者驅(qū)動器可以通過分別對柵極進行充電或放電來非??焖俚卮蜷_或關(guān)閉MOSFET。
02 MOSFET開關(guān)電路
MOSFET工作在三個區(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,它可以作為開關(guān)工作。
MOSFET開關(guān)電路由兩個主要部分組成-MOSFET(按晶體管工作)和開/關(guān)控制塊。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時,MOSFET將電壓源傳遞給特定負載。在大多數(shù)情況下,n溝道MOSFET優(yōu)于p溝道MOSFET,因為它有幾個優(yōu)點。
在MOSFET開關(guān)電路中,漏極直接連接到輸入電壓,源極連接到負載。為了開啟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,因為MOS開關(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)用于邏輯門和其他更復(fù)雜的數(shù)字電路的設(shè)計。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)的進步,MOS的閾值電壓可以控制,并且MOS技術(shù)成為主導(dǎo),因為NMOS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型的MOS反相電路。
04 阻性負載NMOS逆變器
它是最簡單的MOSFET逆變器電路,它有一個負載電阻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在輸出處獲得零電壓時,它的缺點是它占用了大面積的IC制造。
04 有源負載NMOS 逆變器
這里我們使用N個MOS晶體管作為有源負載,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,使其始終處于開啟狀態(tài)。
CMOS反相器:CMOS反相器是使用共享一個公共柵極的nMOS - p MOS 對構(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,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,NMOS導(dǎo)通而PMOS關(guān)斷。因此,電容器將放電至電源電壓,我們在輸出端獲得等于零的電壓。
優(yōu)點是CMOS反相器電路僅在開關(guān)事件期間消耗功率,并且在電壓傳輸曲線中我們觀察到急劇轉(zhuǎn)變。但在制造過程中需要額外的工藝步驟。
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