MOS管开通过程和关断过程和简单恒流源电路解释

最近在做恒流源电路,也没有设计,直接抄的论文的电路。。。

  

咋说呢,电路本身分析不难,有负反馈,虚短虚断直接用很容易得出激光的电流

i=Vin/R4

但是呢,我之前一直搞不懂它是怎么达到稳态的,就是说负反馈是如何作用使得电路稳定,因为我之前一直任务MOS管只要栅源电压超过阈值,ids的电流就直接由Vgs决定,那样mos管一开始就饱和了呀。。。后来才发现mos管是有开通和关断时间的。

所谓开通时间,由两部分组成:延迟时间td(on)和上升时间tr,关断时间类似:延迟时间和下降时间

开通时间是指,当栅源间加电压,由于栅极电容的存在需要一个充电的过程才能达到栅源的开启电压,这也是td(on)的时间,然后MOS管就导通了,注意,这时候ids的电流并不是突变的,是缓慢上升的,当ids上升到稳态的时间记作tr上升时间。

关断时间类似,因为电容需要放电,且同样电流需要下降的过程。

这也就解释了为何第一幅图的恒流源电路成立,因为mos管开启时,并不会说反向输入端此时无输入会达到饱和,电流是一个缓慢上升的作用,此时负反馈就可以引用到反相输入端达到控制电流的作用。

<think>嗯,用户想了解MOS电路图的设计工作原理。从用户的问题来看,ta可能是个电子工程初学者或爱好者,需要基础但系统的知识梳理。 用户提供的引用资料很有价值,引用[1]详细解释MOS管分类导通原理,引用[2]展示了功率放大器应用案例,引用[3]则聚焦开关电路设计。这些正好构成知识框架:原理→基础应用→进阶设计。 在回答结构上,我决定先讲清MOS管核心原理(特别是电压控制特性),再用典型开关电路图配合工作阶段分析。考虑到用户可能动手实践,补充了选型参数表格设计注意事项——比如那个1kΩ栅极电阻的取值逻辑,实际是防止振荡的工程经验。 注意到用户没有指定具体应用场景,所以同时覆盖了NMOS/PMOS的常见用法。最后生成的问题既包含原理深化(转移特性曲线),也涉及实用技巧(防倒灌设计),这样能引导用户按需探索。 特别要强调寄生二极管这个易错点,很多初学者烧管子就是因为忽略了体二极管的方向性。在电路图里特意用虚线标注了它,并在注意事项里单独强调。</think>好的,我们来详细探讨MOS管(金属氧化物半导体场效应晶体管)的电路图设计及其工作原理。 **MOS管核心工作原理** MOS管是一种**电压控制型**半导体器件,通过栅极(G)电压来控制源极(S)漏极(D)之间的电流导通。这与三极管(电流控制型)有本质区别。理解其工作原理是设计电路的基础: 1. **基本结构:** 核心是P型或N型半导体衬底上形成的两个高掺杂区(源极S漏极D),以及覆盖在它们之间沟道区域上的金属栅极(G),栅极与沟道之间由一层极薄的绝缘氧化物(通常是二氧化硅)隔离。 2. **沟道形成(以N沟道增强型MOSFET为例):** * **$V_{GS} = 0$ (截止):** 源极(S)漏极(D)之间是P型衬底,相当于两个背靠背的PN结,没有导电沟道。此时$I_D \approx 0$。 * **$V_{GS} > V_{th}$ (导通):** 栅极(G)施加正电压$V_{GS}$(大于阈值电压$V_{th}$)时,栅极下方的P型衬底中的少数载流子(电子)被吸引到栅极下方的表面区域,形成一个连接源极(S)漏极(D)的**N型导电沟道**(反型层)。此时在漏极(D)源极(S)之间施加电压$V_{DS}$,电子就能从源极(S)通过沟道流向漏极(D),形成漏极电流$I_D$。栅极电压$V_{GS}$越大,沟道越宽,导通能力越强。 3. **工作区域:** * **截止区:** $V_{GS} < V_{th}$,沟道未形成,$I_D \approx 0$。 * **可变电阻区/线性区/三极管区:** $V_{GS} > V_{th}$ 且 $V_{DS}$ 很小($V_{DS} < V_{GS} - V_{th}$)。此时沟道连续,$I_D$ 随 $V_{DS}$ 线性增加,MOS管像一个由$V_{GS}$控制阻值的可变电阻。 * **饱区/恒流区/放大区:** $V_{GS} > V_{th}$ 且 $V_{DS}$ 较大($V_{DS} > V_{GS} - V_{th}$)。靠近漏极端的沟道被夹断(沟道消失),$I_D$ 基本不再随$V_{DS}$增加而显著增加,主要受$V_{GS}$控制。$I_D$与$V_{GS}$的关系近似为平方律:$I_D \approx K (V_{GS} - V_{th})^2$($K$为常数)。这是放大器常用的工作区域。 4. **寄生二极管:** 在MOS管的制造结构中,源极(S)衬底之间会自然形成一个**体二极管**(或称寄生二极管)。这个二极管的方向很重要(对于NMOS,阴极在D,阳极在S;对于PMOS,阳极在D,阴极在S),在开关电路设计中必须考虑其影响,尤其是在驱动感性负载时可能产生续流路径[^1]。 **MOS管类型与符号** * **N沟道MOSFET (NMOS):** * 符号:箭头指向沟道(表示P衬底指向N沟道)。 * 导通条件:$V_{GS} > V_{th}$(正电压)。 * 电流方向:从漏极(D)流向源极(S)。 * **P沟道MOSFET (PMOS):** * 符号:箭头背向沟道(表示N衬底指向P沟道)。 * 导通条件:$V_{GS} < V_{th}$(负电压,通常$V_{th}$为负值)。 * 电流方向:从源极(S)流向漏极(D)。 * **增强型 vs. 耗尽型:** 上面描述的都是增强型(常关型),即$V_{GS}=0$时截止。耗尽型在$V_{GS}=0$时存在沟道(常开型),需要施加栅压才能关断(NMOS加负压关断,PMOS加正压关断)。耗尽型应用较少,本文主要讨论增强型。 **基础MOS管开关电路图及设计** MOS管最常见的应用之一是作为**电子开关**,控制负载的通断。其核心优势是驱动功率极小(栅极几乎不取电流),导通电阻小(功耗低),开关速度快。 1. **NMOS 低端开关电路 (Low-Side Switch)** ```plaintext Vcc (负载电源) | | +------+ | | | [负载] (例如:电机、灯、继电器) | | | | +------+ | D | | [NMOS] G | S /|\ | | | | | [控制信号]--+ | | | | | [Rg] | | | | | | | | === === === GND GND GND ``` * **工作原理:** * **关断:** 控制信号为低电平(≈0V)时,$V_{GS} \approx 0V < V_{th}$,NMOS截止,负载无电流。 * **导通:** 控制信号为高电平(例如3.3V, 5V, 12V等,需 > $V_{th}$ + 裕量)时,$V_{GS} > V_{th}$,NMOS导通,电流路径:Vcc → 负载 → NMOS漏极(D) → NMOS源极(S) → GND。负载得电工作。 * **关键元件:** * **Rg (栅极电阻):** 必不可少!作用: * 限制栅极充电电流峰值,保护驱动电路(如MCU IO口)MOS管栅极。 * 抑制由栅极寄生电容引线电感引起的振荡。 * 典型值范围:几欧姆到几百欧姆(如10Ω - 470Ω)。值太小可能振荡,值太大降低开关速度。 * **负载:** 可以是电阻、灯、电机、继电器线圈等。 * **特点:** 负载一端接电源(Vcc),另一端接MOS管漏极(D),MOS管源极(S)接地(GND)。控制简单,但负载的地与系统地不同(负载地高于系统地),有时需要注意。 2. **PMOS 高端开关电路 (High-Side Switch)** ```plaintext Vcc (负载电源) | S | | [PMOS] G | D /|\ | | | | | [控制信号]--+ | +------+ | | | | [Rg] | | [负载] | | | | | | +------+ === | | GND | | | | === === GND GND ``` * **工作原理:** * **关断:** 控制信号为高电平(≈Vcc)时,$V_{GS} \approx 0V$(对于PMOS,$V_{GS}$ = G电位 - S电位 = Vcc - Vcc = 0V)。由于$V_{th}$为负值,$V_{GS} > V_{th}$(0V > 负值),但$|V_{GS}|$不足以使PMOS充分导通($V_{GS}$不够负),PMOS截止,负载无电流。 * **导通:** 控制信号为低电平(≈0V)时,$V_{GS} = 0V - Vcc = -Vcc$。因为$V_{th}$为负值,只要$|V_{GS}| > |V_{th}|$(即$V_{GS} < V_{th}$),PMOS导通。电流路径:Vcc → PMOS源极(S) → PMOS漏极(D) → 负载 → GND。负载得电工作。 * **关键元件:** **Rg**作用同NMOS电路。 * **特点:** 负载一端接MOS管漏极(D),另一端接地(GND),MOS管源极(S)接电源(Vcc)。负载的地就是系统地。控制信号需要能下拉到GND,但上拉需要到接近Vcc才能可靠关断(如果控制信号高电平 < Vcc,可能导致关断不彻底)。常用于需要控制电源输入的场景。 3. **互补开关电路 (半桥/H-Bridge基础)** NMOSPMOS可以组合使用,形成互补对。一个简单的互补开关常用于驱动单线圈负载(如H桥的一半): ```plaintext Vcc | S (PMOS) | | [P] G | D /|\ | | | | +------+------ D (NMOS) | | | | | [控制信号]--+----+---+ | [N] | | | | | [Rg] [Rg] | [负载] | | | | | | | | | | | === | +------+------ S GND | | | | | === === === GND GND GND ``` * **工作原理:** * **控制信号高:** PMOS栅极≈Vcc ($V_{GS} \approx 0$),PMOS截止;NMOS栅极≈Vcc ($V_{GS} > V_{th}$),NMOS导通。负载下端接地。 * **控制信号低:** PMOS栅极≈0V ($V_{GS} \approx -Vcc < V_{th}$),PMOS导通;NMOS栅极≈0V ($V_{GS} < V_{th}$),NMOS截止。负载上端接Vcc。 * **特点:** 负载两端都不直接固定接Vcc或GND,由互补信号控制。这种结构是构成H桥驱动直流电机正反转或全桥/半桥电源拓扑的基础。需要**死区时间**控制防止上下管同时导通短路。 **MOS管开关电路设计关键考虑因素** 1. **选型:** * **电压等级:** $V_{DSS}$ (漏源击穿电压) > 最大工作电压 + 裕量(如1.5-2倍)。$V_{GSS}$ (栅源最大电压) > 驱动电压(如20V MOS用12V驱动)。 * **电流等级:** $I_D$ (连续漏极电流) > 负载最大工作电流 + 裕量。考虑脉冲电流能力。 * **导通电阻($R_{DS(on)}$):** 核心参数!决定导通损耗 $P_{on} = I_D^2 \times R_{DS(on)}$。越小越好,但成本/尺寸会上升。需在损耗成本间权衡。 * **阈值电压($V_{th}$):** 确保驱动电路能提供足够超过$V_{th}$的$V_{GS}$(通常需要$V_{GS}$比$V_{th}$高3V以上以保证充分导通在饱区)。逻辑电平MOSFET ($V_{th}$较低) 可直接由3.3V/5V MCU驱动。 * **栅极电荷($Q_g$):** 影响开关速度驱动能力需求。$Q_g$越大,开关速度越慢,驱动电流要求越大。 * **封装与散热:** 根据功耗($P_{on} + P_{sw}$)选择合适的封装,必要时加散热器。计算功耗是否在安全工作区(SOA)内。 | 参数符号 | 参数名 | 意义 | 选型考虑 | | :------------- | :------------- | :------------------------------------------------------------------- | :----------------------------------------------------------------------- | | $V_{DSS}$ | 漏源击穿电压 | 漏极源极之间能承受的最大电压 | **>** 电路最大工作电压 + 裕量 (如1.5-2倍) | | $V_{GSS}$ | 栅源最大电压 | 栅极源极之间能承受的最大电压 | **>** 驱动电路提供的最大电压 | | $I_D$ | 连续漏极电流 | 管壳温度下允许连续通过漏极的最大电流 | **>** 负载最大持续工作电流 + 裕量 | | $I_{D(pulse)}$ | 脉冲漏极电流 | 特定脉冲宽度下允许的最大脉冲电流 | **>** 负载最大峰值电流 (如电机启动、容性负载充电) | | $R_{DS(on)}$ | 导通电阻 | 在特定$V_{GS}$下,MOS管完全导通时漏源极间的等效电阻 | **核心参数!** 越小导通损耗越低,但成本/尺寸通常越大。根据允许功耗选择。 | | $V_{th}$ | 阈值电压 | 开始形成导电沟道所需的最小栅源电压 | 驱动电压需**>** $V_{th}$ + 裕量 (通常3-5V以上) 以保证充分导通。 | | $Q_g$ | 总栅极电荷 | 将栅极电压从0V驱动到工作电压所需的总电荷量 | 影响开关速度。$Q_g$越大,开关越慢,驱动电流需求越大。 | | $t_d, t_r, t_f$ | 开关时间参数 | 开通延迟、上升时间、关断延迟、下降时间 | 影响开关频率开关损耗。高频应用需选开关速度快的管子。 | | SOA | 安全工作区 | 保证MOS管安全工作的电流、电压、时间组合区域 | 确保工作点(电压、电流、脉冲时间)落在SOA曲线范围内 | | 封装 | - | 管子的物理外形引脚排列 | 根据功耗(散热需求)、空间、生产工艺选择(如TO-220, SO-8, D²PAK, DFN) | 2. **驱动电路:** * 提供足够高的$V_{GS}$以确保MOS管充分导通(降低$R_{DS(on)}$)。 * 提供足够大的峰值电流($I_g = \Delta V_{GS} / R_g + C_{iss} \times dV_{GS}/dt$)来快速给栅极电容($C_{iss} = C_{gs} + C_{gd}$)充放电,以减小开关时间($t_{on}/t_{off}$)开关损耗。 * 对于高速开关或大功率MOS管,MCU的IO口驱动能力通常不足,需要专门的**MOSFET驱动器IC**(如TC4420, IR2110等)。驱动器能提供更大的拉/灌电流(如2A)更快的边沿。 * 对于PMOS高端开关或NMOS桥臂的上管,需要**电平移位**或**自举电路**(如IR2110中的功能)来产生高于电源电压$V_{cc}$的栅极驱动电压($V_{GS}$)。 3. **保护电路:** * **栅源保护稳压管(Zener):** 在G-S之间反向并联一个稳压二极管(如12V或15V),防止$V_{GS}$因干扰或静电超过最大值$V_{GSS}$而损坏栅极[^1]。 * **续流二极管:** 当驱动**感性负载**(电机、继电器线圈)时,负载两端必须**反向并联续流二极管**(阴极接电源正,阳极接电源负)。在MOS关断瞬间,电感产生的反向电动势会通过此二极管续流释放能量,保护MOS管不被过高的$V_{DS}$击穿。**注意:** MOSFET内部的寄生二极管有时可以充当续流二极管(对于低端NMOS开关驱动感性负载),但其反向恢复特性通常较差,在高频开关或大电流下可能引起问题或发热严重。此时最好外部并联一个快速恢复二极管或肖特基二极管[^1][^3]。 * **RC缓冲电路(Snubber):** 在D-S之间或感性负载上并联RC串联电路,用于抑制开关过程中的电压尖峰振荡,尤其在高速开关或长导线连接负载时。 * **过流/过温保护:** 复杂系统可能需要检测电流或温度,在异常时关断MOS管。 4. **软启动:** 对于给大容量电容负载(如电源输入滤波电容)上电的情况,突然导通会导致极大的浪涌电流($I = C \times dV/dt$)。这可能会损坏MOS管或触发保护。解决方法是在栅极驱动路径上增加RC延时网络或使用专门的软启动IC,使$V_{GS}$缓慢上升,让MOS管在可变电阻区停留一段时间,限制浪涌电流[^1]。 **MOS管功率放大器电路原理简述** MOS管(尤其是功率MOSFET,如VMOS)也广泛应用于音频功率放大器射频功率放大器[^2]。其基本原理是利用MOS管在**饱区**(恒流区)的放大特性: 1. **工作点设置:** 通过偏置电路(电阻分压、恒流源等)给栅极设置一个合适的静态直流电压$V_{GSQ}$,使MOS管工作在饱区中心附近,$I_D$有较大的线性变化范围。 2. **信号输入:** 待放大的交流小信号$v_{in}$叠加在直流偏置$V_{GSQ}$上,形成总栅源电压$v_{GS} = V_{GSQ} + v_{in}$。 3. **电流控制:** 由于工作在饱区,漏极电流$i_D$近似与$v_{GS}$的平方成正比:$i_D \approx K (v_{GS} - V_{th})^2$。当$v_{GS}$变化时,$i_D$随之变化。$i_D$的变化量$\Delta i_D$远大于引起它的$\Delta v_{GS}$(栅极输入电流极小),实现了电压控制电流的放大作用。 4. **电压输出:** 变化的$i_D$流过漏极负载(电阻、电感、变压器或另一级放大电路),在负载上产生放大的交流输出电压$v_{out}$。根据电路拓扑(共源、共漏/源极跟随器、共栅),$v_{out}$与$v_{in}$之间可能是反相或同相关系。 5. **优势:** MOS管功率放大器具有输入阻抗高、驱动功率小、线性度相对较好(特别是VMOS)、热稳定性好、无二次击穿问题(相比双极性晶体管)等优点[^2]。 **总结** MOS管是一种极其重要的电压控制型半导体开关放大器件。理解其工作原理(栅压控制沟道、工作区域)是设计电路的基础。在开关应用中,设计需重点关注选型(电压、电流、$R_{DS(on)}$、$V_{th}$、$Q_g$)、驱动电路(栅极电阻、驱动器)、保护电路(栅源稳压管、续流二极管、缓冲)以及特殊需求(软启动、死区时间)。在放大应用中,关键在于将其偏置在饱区,利用其跨导特性实现电压到电流的转换放大。寄生二极管的存在是电路设计中不可忽视的因素[^1][^3]。
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