mosfet应用-MOSFET在开关电路中的应用及开关特性详解

mosfet

本文主要讲mosfet应用开关电路中。mosfet简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。 [1]  MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称上包括NMOS、PMOS等。

mosfet应用在开关电路中

mosfet应用，在一些简单的小功率开关电路中，利用双极结型三极管（BJT，Bipolar Junction Transistor）作为开关管时可能会遇到输入电流不足，BJT工作状态无法正确配置，进而无法实现电路功能的情况。

例如图1所示的一个使用BJT SS8050LT作为开关管的加热控制电路，BJT为共射极连接。将BJT视为一个二端口网络，输入端口为电阻与NTC型热敏电阻构成的基极分压回路，参数分别为基极-发射极电压以及流入基极的电流；输出端口没有连接任何负载，参数分别为集电极与发射极两端的电压和集电极电流。49Ω基极电阻作为发热器件，由8个390Ω电阻并联而成。

图1BJT加热控制电路

图1所示的加热控制电路设计的功能可描述为：当环境温度为常温25℃时，热敏电阻的阻值为10.000kΩ，基极-发射极电压，BJT未导通，电路未工作；当环境温度下降到10℃时，热敏电阻的阻值增大至17.958kΩ，基极-发射极电压，BJT导通，集电极电流流过基极电阻，电阻发热，电路正常工作。

显然，电路中BJT的工作状态需要处于饱和区内，保证电压尽可能多的电压落在基极电阻的两端，提高电阻的发热功率。根据BJT的工作原理可知，BJT的发射极和集电极均处于正向偏置的区域为饱和区。在这一区域内，一般有，因而集电极内电场被削弱，集电极收集载流子的能力减弱，这时电流分配关系不再满足，随增加而迅速上升，如图2所示。饱和区内的很小，称为BJT的饱和压降，其大小与及有关。图中虚线是饱和区与放大区的分界线，称为临界饱和线。对于小功率管，可以认为当（即）时，BJT处于临界饱和（或临界放大）状态。

图2BJT SS8050LT共射极连接时的输出特性曲线

要想使BJT工作在饱和区内，就要增大基极-发射极电压，而环境温度越低，热敏电阻阻值越大，从而增大。但是必须注意到，BJT输入端口的基极分压回路电阻越大，输入电流则越小。具体来说，在BJT导通后，基极-发射极电压，基极分压回路总电流，从图1.2中可以看出，流入基极的电流太小，BJT无法工作在正常状态下，电路功能无法实现。而且由于NTC型热敏电阻的器件选型限制，无法改用更小阻值的分压电阻来降低基极分压回路的总电阻值。对于这种BJT流控器件的限制，可以采用MOSFET压控器件来代替。

原理描述

MOSFET全称为Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名称为金属-氧化物-半导体场效应管。随着制造工艺的成熟，MOSFET兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点。而且MOSFET还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点，因而获得了广泛的应用，特别是在大规模和超大规模集成电路中占有重要的地位。

作为一种场效应管（FET），MOSFET为单极型器件，即管子只有一种载流子（电子或空穴）导电。从导电载流子的带电极性来看，MOSFET有N（电子型）沟道和P（空穴型）沟道之分；按照导电沟道形成机理不同，又有增强型（E型）和耗尽型（D型）的区别。

mosfet应用，以N沟道增强型MOSFET AO3400A举例，AO3400A的输出特性如图4所示。将曲线图分为三个区域，分别为截止区、可变电阻区、饱和区（恒流区又称放大区）。

1)截止区

当时，导电沟道尚未形成，，为截止工作状态。

2)可变电阻区

当时，MOSFET处于可变电阻区，此时输出电阻受控制。

3)饱和区

当，且时，MOSFET进入饱和区。不随变化，而是由栅源极电压控制。

图4AO3400A输出特性

方案论证

mosfet应用，根据上述MOSFET的原理叙述，在上面提到的加热控制电路中应该采用N沟道增强型MOSFET代替原有的BJT，这里选择AO3400A，于是有如图5所示的MOSFET共源极放大电路。由于MOSFET是电压控制器件，所以提供合适的栅源极电压，就可以建立合适的静态工作点，使电路工作在正常状态。

图5MOSFET加热控制电路

根据N沟道增强型MOSFET AO3400A的数据手册，AO3400A的开启电压在常温25℃下为。当环境温度下降到10℃时，电路开始工作。此时NTC型热敏电阻的阻值增大至17.958kΩ，MOSFET导通，即栅源极电压，在这里需要将分压电阻的阻值调整为47kΩ。随着温度的下降，栅源极电压增大，流过发热电阻的电流也随着增大。

举例说明，当环境温度下降到-20℃时，热敏电阻的阻值增大至67.801kΩ，栅源极电压增大至。使用万用表实测得到漏源极电压，说明MOSFET工作在可变电阻区内；同时测得漏极电流，可计算得到发热电阻的功率为，实际发热效果可靠，电路功能实现。

mosfet的开关特性

详解mosfet应用在开关电路中的应用后，现在来看看mosfet的开关特性。MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压uGS控制的开关元件。

1、静态特性

MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。图下(a)为由NMOS增强型管构成的开关电路。

2、 漏极特性

反映漏极电流iD和漏极-源极间电压uDS之间关系的曲线族叫做漏极特性曲线，简称为漏极特性，也就是表示函数 iD=f(uDS)|uGS的几何图形，如图（a）所示。当uGS为零或很小时，由于漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结，即使在漏极加上正电压（uDS>0V），MOS管中也不会有电流，也即管子处在截止状态。

当uGS大于开启电压UTN时，MOS管就导通了。因为在UGS=UTN时，栅极和衬底之间产生的电场已增加到足够强的程度，把P型衬底中的电子吸引到交界面处，形成的N型层——反型层，把两个N+区连接起来，也即沟通了漏极和源极。所以，称此管为N沟道增强型MOS管。可变电阻区：当uGS>UTN后，在uDS比较小时，iD与uDS成近似线性关系，因此可把漏极和源极之间看成是一个可由uGS进行控制的电阻，uGS越大，曲线越陡，等效电阻越小，如图（a）所示。恒流区(饱和区)：当uGS>UTN后，在uDS比较大时，iD仅决定于uGS（饱和），而与uDS几乎无关，特性曲线近似水平线，D、S之间可以看成为一个受uGS控制的电流源。在数字电路中，MOS管不是工作在截止区，就是工作在可变电阻区，恒流区只是一种瞬间即逝的过度状态。

3、转移特性

反映漏极电流iD和栅源电压uGS关系的曲线叫做转移特性曲线，简称为转移特性，也就是表示函数 iD=f(uGS)|uDS的几何图形，如图（b ）所示。当uGS<UTN时，MOS管是截止的。当uGS>UTN之后，只要在恒流区，转移特性曲线基本上是重合在一起的。曲线越陡，表示uGS对iD的控制作用越强，也即放大作用越强，且常用转移特性曲线的斜率跨导gm来表示。

4、P沟道增强型MOS管

上面讲的是Ｎ沟道增强型MOS管。对于Ｐ沟道增强型MOS管，无论是结构、符号，还是特性曲线，与Ｎ沟道增强型MOS管都有着明显的对偶关系。其衬底是Ｎ型硅，漏极和源极是两个Ｐ+区，而且它的uGS、uDS极性都是负的，开启电压ＵTP也是负值。Ｐ沟道增强型MOS管的结构、符号、漏极特性和转移特性如图所示。

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