MOSFET基础电路不可不知

 

MOSFET电路不可不知

MOSFET已成为最常用的三端器件，给电子电路界带来了一场革命。没有MOSFET，现在集成电路的设计似乎是不可能的。

它们非常小，制造过程非常简单。由于MOSFET的特性，模拟电路和数字电路都成功地实现了集成电路，MOSFET电路可以从大信号模型小信号模型两种方式进行分析。

大信号模型是非线性的。它用于求解器件电流和电压的de值。小信号模型可以在大信号模型线性化的基础上推导出来。截止区、三极管区和饱和区是MOSFET的三个工作区。当栅源电压(VGS)小于阈值电压(Vtn)时，器件处于截止区。当MOSFET用作放大器时，它工作在饱和区。用作开关时处于三极管或截止区。

MOSFET驱动电路

为了帮助MOSFET最大化开启和关闭时间，需要驱动电路。如果MOSFET需要较长时间进出导通，那么我们就无法利用使用MOSFET的优势。这将导致MOSFET发热，器件将无法正常工作。MOSFET驱动器通常可以使用自举电路产生电压，以将栅极驱动到高于MOSFET电源电压的电压。

实际上，MOSFET的栅极对驱动器来说就像一个电容器，或者驱动器可以通过分别对栅极进行充电或放电来非常快速地打开或关闭MOSFET。

MOSFET开关电路

MOSFET工作在三个区域，截止区，三极管区和饱和区。当MOSFET处于截止三极管区域时，它可以作为开关工作。

MOSFET开关电路由两个主要部分组成-MOSFET(按晶体管工作)和开/关控制块。当晶体管导通时，MOSFET将电压源传递给特定负载。在大多数情况下，n沟道MOSFET优于p沟道MOSFET，因为它有几个优点。

在MOSFET开关电路中，漏极直接连接到输入电压，源极连接到负载。为了开启n沟道MOSFET，栅源电压必须大于阈值电压，必须大于器件的阈值电压。对于p沟道MOSFET，源极到栅极的电压必须大于器件的阈值电压。MOSFET表现得比BJT更好，因为MOS开关中不存在偏移电压。

MOSFET逆变器电路

逆变器电路是数字电路设计中的基本组成部分之一(不要与功率逆变器混淆)。反相器可以直接应用于逻辑门和其他更复杂的数字电路的设计。理想逆变器的传输特性如下所示。

早期的MOS数字电路是使用p-MOSFET制成的。但是随着微电子技术的进步，MOS的阈值电压可以控制，并且MOS技术成为主导，因为NMOS的多数载流子，即电子比空穴快两倍，PMOS的多数载流子，所以在CMOS技术出现之前，逆变器电路也使用N-MOS技术。这里我们讨论三种类型的MOS反相电路。

阻性负载NMOS逆变器：

它是最简单的MOSFET逆变器电路，它有一个负载电阻R和NMOS晶体管串联在电源电压和地之间，如下图所示。

如果Vin小于NMOS的阈值电压，则晶体管关闭。电容可以变为电源电压，输出电压等于电源电压。当输入大于晶体管的阈值电压并且我们在输出处获得零电压时，它的缺点是它占用了大面积的IC制造。

有源负载NMOS 逆变器

这里我们使用N个MOS晶体管作为有源负载，而不是电阻。电路中有两种晶体管下拉晶体管将输出电压拉到较低的电源电压(通常为OV)和上拉晶体管将输出电压拉到较高的电源电压。

在下面的电路中，我们可以看到一个上拉和下拉NMOSFET。上拉的栅极与电源电压短路，使其始终处于开启状态。

CMOS反相器：CMOS反相器是使用共享一个公共栅极的nMOS - p MOS 对构建的。P沟道晶体管用作上拉晶体管，V沟道晶体管用作下拉晶体管。

当Vin小于nMOS 的阈值时，NMOS关断，而PMOS导通。因此，电容器将被充电至电源电压，我们获得等于输出端的电源。当Vin大于nMOS 的阈值时，NMOS导通而PMOS关断。因此，电容器将放电至电源电压，我们在输出端获得等于零的电压。

优点是CMOS反相器电路仅在开关事件期间消耗功率，并且在电压传输曲线中我们观察到急剧转变。但在制造过程中需要额外的工艺步骤。