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【模电】0004 MOS管应用分析

2024-02-22 15:06
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MOS管有很多种,通常的模电教材里都会至少分为PMOS/NMOS、增强型/耗尽型,因为一般情况下,实际工程中能见到的基本上都是增强型。所以下文中就不特殊说明了,都是指的增强型。


1)MOS管的识别

首先,MOS管的电路符号如图:

MOS管的符号三个极中,中间的是栅极G,箭头指向栅极的是NMOS,箭头背向栅极的是PMOS;与箭头相连的是源极S,不相连的是漏极D。

工程中实际的MOS管内部一般都有一个二极管,称为寄生二极管,实际的原理图如下图:

 NMOS内部的二极管正极在S端;而PMOS的二极管正极在D端。


2)MOS管的使用

和三极管一样,分立器件MOS管的用法大多也是当做开关来用,这里也只讲当做开关的用法。

增强型的MOS具有以下特点:初始时如果栅极G不加电压,那么源极S和漏极D就是不导通的。在一定的条件下,可以导通:NMOS管的导通条件是栅极G电压大于源极S电压一定的值时,MOS管导通;而PMOS管则是栅极G电压小于源极S电压一定的值时,MOS管导通。

这里所说的“一定值”依据不同种类的MOS不同,需要查询它们的手册确定,有低压1~2V就能导通的,也有大功率需要10v以上才能导通的。如果达不到这个一定值,可能会不完全导通,或者不导通。

在实际使用时,由于MOS内部还有一个寄生二极管,所以一般只能用作单向的导通、切断,不能接反,否则电流会直接从二极管流过,不能关断。

如NMOS的仿真图:

 这里的G电压比S电压高5V。从电阻两端的电压、电流测量值可以看出,MOS管相当于导通。这里注意NMOS的接法,D极必须接到电压高的一端,S极接到电压低的一端,这样内部二级管反偏不会导通,撤除V2后,才能关断。否则如果D、S接反,电流会直接从二级管流过,无法关断。

再看一个PMOS的仿真图:

 这个图按上一个NMOS图方法不难分析,S端必须接到电压高的一端,否则二级管会导致不能关断。但是,还需要注意的是G和S端的电压。由于PMOS导通时要求G端电压比S端低,所以负载R2只能接到D这一端,这样S端的电压就为12V,总是比G点的5V高,能一直导通;而如果负载R2和上图NMOS一样接到S端,那么当R2上有电流流过时,S端电压会下降,会一直降到G、S端的电压差不能保持完全导通,达到一个平衡点,如下图所示:

这个错误的电路可以这么分析,初始时,PMOS还处于关断状态时,G电压为5V,S电压为12V,G低于S电压7V,可以完全导通;当R4上的电流上升时,R4上的电压增大,所以S点的电压会下降,当下降到一个比较低的值时,G、S间的电压差已经无法保持MOS管完全导通,S、D间的等效电阻增大,电流被限制;图中是S点降到了6.29V时,最终达到一个平衡点。

此时的状态有6.29V*57.1mA的功率损耗在MOS管上,如果这个功率足够大,就可能烧毁MOS管。

最后看一个实用的电路,这个电路实现了防止电源接反的功能,图中R3为负载:

我们知道,简单串联一个二极管在电路里,也可以实现电源防反接,但是这个电路有什么优点呢?

当电源如图中正确连接时,G点为0V,DS间有二极管会使得S端电压接近12V,所以MOS管会导通,此时由于MOS的等效电阻非常小,小于寄生二极管的等效电阻,电流的大部分会从MOS管流过,功率损耗比较小,尤其当电流非常大时能降低不少功耗。

当电源接反时,G、S点都为0V,MOS管不导通,寄生二极管也不导通,所以防止了接反时负电压与加到负载上。实现了电源防反接。


3)MOS管与三级管的比较

MOS管是电压驱动器件,不同于三极管是由电流驱动的,所以二者的驱动电路有不同。

MOS管在导通时,等效的电阻非常小,可以达到毫欧级,用作开关时D、S间的压降也会非常小;而三极管在饱和时,C、E间总会存在零点几伏的压差,有时会产生较大的功率损耗;所以,在用于控制较大电流的开关时,使用MOS管更合适。

MOS管只要满足G、S间的电压关系,就能让电流通过,电流可正可反,但由于内部有寄生二极管,接反会导致不能关断,所以实际使用时只有一个方向能关断;而三极管的电流只能有一个流向,NPN型的只能从集电极C流向发射极E,PNP的只能从发射极E流向集电极C。


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