MOS管的開關電路

MOS管開關電路是利用一種電路，是利用MOS管柵極（g）控制MOS管源極（s）和漏極（d）通斷的原理構造的電路。MOS管分為N溝道與P溝道，所以開關電路也主要分為兩種。

PMOS的開關特性，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）。需要注意的是，Vgs指的是柵極G與源極S的電壓，即柵極低于電源一定電壓就導通，而非相對于地的電壓。但是因為PMOS導通內阻比較大，所以只適用低功率的情況。大功率仍然使用N溝道MOS管。

NMOS的開關特性，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），只要柵極電壓大于參數手冊中給定的Vgs就可以了，漏極D接電源，源極S接地。需要注意的是Vgs指的是柵極G與源極S的壓差，所以當NMOS作為高端驅動時候，當漏極D與源極S導通時，漏極D與源極S電勢相等，那么柵極G必須高于源極S與漏極D電壓，漏極D與源極S才能繼續導通。

MOS管的開關特性

MOS管最顯著的特點也是具有放大能力。不過它是通過柵極電壓uGS控制其工作狀態的，是一種具有放大特性的由電壓uGS控制的開關元件。

1、靜態特性

MOS管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態。由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態。圖3.8(a)為由NMOS增強型管構成的開關電路。

2、 漏極特性

反映漏極電流iD和漏極-源極間電壓uDS之間關系的曲線族叫做漏極特性曲線，簡稱為漏極特性，也就是表示函數 iD=f(uDS)|uGS的幾何圖形，如圖（a）所示。當uGS為零或很小時，由于漏極D和源極S之間是兩個背靠背的PN結，即使在漏極加上正電壓（uDS>0V），MOS管中也不會有電流，也即管子處在截止狀態。

當uGS大于開啟電壓UTN時，MOS管就導通了。因為在UGS=UTN（圖2.1.13中UTN=2V）時，柵極和襯底之間產生的電場已增加到足夠強的程度，把P型襯底中的電子吸引到交界面處，形成的N型層——反型層，把兩個N+區連接起來，也即溝通了漏極和源極。所以，稱此管為N溝道增強型MOS管。可變電阻區：當uGS>UTN后，在uDS比較小時，iD與uDS成近似線性關系，因此可把漏極和源極之間看成是一個可由uGS進行控制的電阻，uGS越大，曲線越陡，等效電阻越小，如圖（a）所示。恒流區(飽和區)：當uGS>UTN后，在uDS比較大時，iD僅決定于uGS（飽和），而與uDS幾乎無關，特性曲線近似水平線，D、S之間可以看成為一個受uGS控制的電流源。在數字電路中，MOS管不是工作在截止區，就是工作在可變電阻區，恒流區只是一種瞬間即逝的過度狀態。

3、轉移特性

反映漏極電流iD和柵源電壓uGS關系的曲線叫做轉移特性曲線，簡稱為轉移特性，也就是表示函數 iD=f(uGS)|uDS的幾何圖形，如圖（b ）所示。當uGS<UTN時，MOS管是截止的。當uGS>UTN之后，只要在恒流區，轉移特性曲線基本上是重合在一起的。曲線越陡，表示uGS對iD的控制作用越強，也即放大作用越強，且常用轉移特性曲線的斜率跨導gm來表示。

4、P溝道增強型MOS管

上面講的是Ｎ溝道增強型MOS管。對于Ｐ溝道增強型MOS管，無論是結構、符號，還是特性曲線，與Ｎ溝道增強型MOS管都有著明顯的對偶關系。其襯底是Ｎ型硅，漏極和源極是兩個Ｐ+區，而且它的uGS、uDS極性都是負的，開啟電壓ＵTP也是負值。Ｐ溝道增強型MOS管的結構、符號、漏極特性和轉移特性如圖所示。

MOS管的開關作用

１． 開關應用舉例

MOS管是一個是最簡單的管開關電路，輸入電壓是u1，輸出電壓是uO。當u1較小時，ＭＯＳ管是截止的，uO=UOH=VDD；當u1較大時，ＭＯＳ管是導通的， ，由于RON<<RD，所以輸出為低電平，即uO=UOL。

２． 靜態開關特性

（１） 截止條件和截止時的特點

① 截止條件：當MOS管柵源電壓uGS小于其開啟電壓ＵTN時，將處于截止狀態，因為漏極和源極之間還未形成導電溝道，其等效電路如圖（b）所示。

②截止時的特點：iD=0，ＭＯＳ管如同一個斷開了的開關。

（２） 導通條件和導通時的特點

① 導通條件：當uFS大于ＵTN時，MOS管將工作在導通狀態。在數字電路中，ＭＯＳ管導通時，一般都工作在可變電阻區，其導通電阻ＲON只有幾百歐姆，較小。

② 導通時的特點：MOS管導通之后，如同一個具有一定導通電阻ＲON閉合了的開關，起等效電路如圖（c）所示。

3、 動態特性

（一）MOS管極間電容

MOS管三個電極之間，均有電容存在，它們分別是柵源電容ＣＧＳ、柵漏電容ＣＧＤ和漏源電容ＣＤＳ。ＣＧＳ、ＣＧＤ一般為１～３pF，ＣＤＳ約為０.１～１pF。在數字電路中，ＭＯＳ  管的動態特性，即開關速度是搜這些電容充、放電過程制約的。

（二） 開關時間

uI和iD的波形：在圖（a）所示MOS管開關電路中，當u1為矩形波時，相應iD的波形。

開通時間ton：當u1由ＵIL＝０Ｖ跳變到ＵIH＝ＶDD時，MOS管需要經過導通延遲時td1和上升時間tr之后，才能由截止狀態轉換到導通狀態。開通時間ton=td1+tr

關斷時間toff：當u1由ＵIH＝ＶDD跳變到ＵIL＝０Ｖ時，MOS管經過關斷延遲時間td2和下降時間tf之后，才能由導通狀態轉換到截止狀態。關斷時間toff=td2+tf，需要特別說明，MOS管電容上電壓不能突變，是造成iD(uO)滯后u1變化的主要原因。而且，由于MOS管的導通電阻比半導體三極管的飽和導通電阻要大得多，ＲD也比ＲC大，所以它的開通和關斷時間，也比晶體管長，也即其動態特性較差。不過，在CMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有高的開關速度。

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