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  • NMOS與PMOS的原理和區(qū)別,MOS管應用電路設計介紹
    • 發(fā)布時間:2024-07-30 19:21:49
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    NMOS與PMOS的原理和區(qū)別,MOS管應用電路設計介紹
    一簡介
    MOS管,是MOSFET的縮寫。MOSFET金屬-氧化物半導體場效應晶體管,簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。
    NMOS PMOS 原理 區(qū)別 應用電路
    其中,G是柵極,S是源極,D是漏極。
    二常見的nmos和pmos的原理與區(qū)別
    NMOS
    NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。意思為N型金屬-氧化物-半導體,而擁有這種結構的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路,由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路,由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路,由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路,即CMOS電路。
    PMOS
    PMOS是指n型襯底、p溝道,靠空穴的流動運送電流的MOS管。
    NMOS和PMOS工作原理
    P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下,PMOS晶體管的跨導小于N溝道MOS晶體管。此外,P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值一般偏高,要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性,與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大,充電放電過程長,加之器件跨導小,所以工作速度更低,在NMOS電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路)出現(xiàn)之后,多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡單,價格便宜,有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術。
    NMOS PMOS 原理 區(qū)別 應用電路
    三MOS管應用分析
    NMOS PMOS 原理 區(qū)別 應用電路
    1、導通特性
    NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。
    PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。
    2、MOS開關管損失
    不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。
    MOS在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越高,損失也越大。
    導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。縮短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失。
    3、MOS管驅動
    跟雙極性晶體管相比,一般認為使MOS管導通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個很容易做到,但是,我們還需要速度。
    在MOS管的結構中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
    第二注意的是,普遍用于高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,要注意的是應該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。
    四MOS應用電路設計
    在實際項目中,我們基本都用增強型,分為N溝道和P溝道兩種。
    NMOS PMOS 原理 區(qū)別 應用電路
    我們常用的是NMOS,因為其導通電阻小,且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的,需要具體看數(shù)據手冊。
    了解MOS管的開通/關斷原理你就會發(fā)現(xiàn),使用PMOS做上管、NMOS做下管比較方便。使用PMOS做下管、NMOS做上管的電路設計復雜,一般情況下意義不大,所以很少采用。
    下面先了解MOS管的開通/關斷原理,請看下圖:
    NMOS PMOS 原理 區(qū)別 應用電路
    NMOS管的主回路電流方向為D→S,導通條件為VGS有一定的壓差,一般為510V(G電位比S電位高);而PMOS管的主回路電流方向為S→D,導通條件為VGS有一定的壓差,一般為-5-10V(S電位比G電位高),下面以導通壓差6V為例。
    NMOS管
    使用NMOS當下管,S極直接接地(為固定值),只需將G極電壓固定值6V即可導通;若使用NMOS當上管,D極接正電源,而S極的電壓不固定,無法確定控制NMOS導通的G極電壓,因為S極對地的電壓有兩種狀態(tài),MOS管截止時為低電平,導通時接近高電平VCC。當然NMOS也是可以當上管的,只是控制電路復雜,這種情況必須使用隔離電源控制,使用一個PMOS管就能解決的事情一般不會這么干,明顯增加電路難度。
    NMOS PMOS 原理 區(qū)別 應用電路
    PMOS管
    使用PMOS當上管,S極直接接電源VCC,S極電壓固定,只需G極電壓比S極低6V即可導通,使用方便;同理若使用PMOS當下管,D極接地,S極的電壓不固定(0V或VCC),無法確定控制極G極的電壓,使用較麻煩,需采用隔離電壓設計。
    NMOS PMOS 原理 區(qū)別 應用電路
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