MOS管在开关电路中的使用

本文详细介绍了MOS管的分类、基本参数及其在电路中的应用,包括N沟道和P沟道MOS管的区别,以及它们在信号转换、控制电路通断中的作用。通过实例说明了MOS管的导通条件和电路连接方式。

MOS管也就是常说的场效应管(FET),有结型场效应管、绝缘栅型场效应管(又分为增强型和耗尽型场效应管)。也可以只分成两类P沟道和N沟道,这里我们就按照P沟道和N沟道分类。对MOS管分类不了解的可以自己上网查一下。

        场效应管的作用主要有信号的转换、控制电路的通断,这里我们讲解的是MOS管作为开关管的使用。对于MOS管的选型,注意4个参数:漏源电压(D、S两端承受的电压)、工作电流(经过MOS管的电路)、开启电压(让MOS管导通的G、S电压)、工作频率(最大的开关频率)。下面我们看一下MOS管的引脚,如下图所示:          

        

有3个引脚,分别为G(栅极)、S(源极)、D(漏极)。在开关电路中,D和S相当于需要接通的电路两端,G为开关控制。这里给大家分享一个自己的分辨P沟道和N沟道的方法,我们就看中间的箭头,把G(栅极)连接的部分当做沟道,大家都知道PN结,而不是NP结,那么就是P指向N的,所以脑海里想到这样的情景 P-->N,所以箭头都是P-->N的,那么中间的箭头指向的就是N,如果指向沟道那就是N沟道,如果指向的是S(没有指向沟道),那就是P沟道。这个方法也适用于三极管的判别(NPN、PNP)。

        在上图中我们可以看到右边都有一个寄生二极管,起到保护的作用。那么根据二极管的单向导电性我们也能知道在电路连接中,D和S应该如何连接。使用有寄生二极管的N沟道MOS管的情况下,D的电压要高于S的电压,否则MOS管无法正常工作(二极管导通)。使用有寄生二极管的P沟道MOS管,S的电压要高于D的电压,原因同上。

        下面是MOS管的导通条件,只要记住电压方向与中间箭头方向相反即为导通(当然这个相反电压需要达到MOS管的开启电压)。比如导通电压为3V的N沟道MOS管,只要G的电压比S的电压高3V即可导通(D的电压也要比S的高)。同理,导通电压为3V的P沟道MOS管,只要G的电压比S的电压低3V即可导通(S的电压比D的高)。在电路中的典型应用如下图所示,分别为N沟道与P沟道的MOS管驱动电路:                         

       

 我们可以看到,N沟道的MOS管的电路中,BEEP引脚为高电平即可导通,蜂鸣器发出声音,低电平关闭蜂鸣器;P沟道的MOS管是用来控制GPS模块的电源通断,GPS_PWR引脚为低电平时导通,GPS模块正常供电,高电平时GPS模块断电。

        重点、重点、重点:以上两个应用电路中,N沟道和P沟道MOS管不能互相替代,如下两个应用电路不能正常工作:


        对于上面两个电路如何修改能正常工作?

### MOS管基础开关电路的工作原理 MOS管(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为开关电路的核心元件,其工作原理基于栅极电压对导电沟道的控制。MOS管分为N沟道和P沟道两种类型,它们在开关电路中的应用略有不同。 在N沟道增强型MOS管中,当栅极电压(VGS)高于阈值电压(Vth)时,栅极下方的绝缘层会感应出足够的负电荷,形成导电沟道。此时,漏极和源极之间的电流可以通过,MOS管处于导通状态。当栅极电压低于阈值电压时,沟道消失,漏极和源极之间没有电流通过,MOS管处于截止状态。这种通过栅极电压控制导电沟道的宽窄,进而控制漏极电流的方式,是MOS管实现开关功能的基础[^2]。 在P沟道增强型MOS管中,工作原理类似,但栅极电压的极性相反。当栅极电压低于阈值电压时,形成导电沟道,MOS管导通;当栅极电压高于阈值电压时,沟道消失,MOS管截止。 ### MOS管基础开关电路的应用 MOS管在开关电路中的应用非常广泛,主要体现在以下几个方面: 1. **电源管理**:MOS管可以用于电源的通断控制,例如在电源管理系统中,通过MOS管的导通和截止来调节输出电压和电流。一个典型的例子是MOS管隔离电路,它可以在适配器电压和电池电压之间进行切换,确保电脑在拔除任意一种电源时仍能持续供电,实现无缝切换[^3]。 2. **电机控制**:在电机控制系统中,MOS管可以用作开关元件,通过脉宽调制(PWM)技术来控制电机的速度和方向。MOS管的快速开关特性使得电机控制更加精确和高效。 3. **数字电路**:MOS管在数字电路中作为逻辑门的基本构建单元,用于实现各种逻辑运算。例如,在CMOS(互补金属氧化物半导体)电路中,N沟道和P沟道MOS管成对使用,分别作为上拉和下拉网络,实现逻辑功能。 4. **音频放大器**:MOS管在音频放大器中也有广泛应用,尤其是在D类音频放大器中。D类放大器利用MOS管的开关特性,将音频信号转换为高频脉冲信号,经过滤波后还原为模拟音频信号,具有高效率和低功耗的特点。 5. **LED驱动**:MOS管可以用于LED的驱动电路中,通过调节MOS管的导通时间来控制LED的亮度。这种方式不仅效率高,而且可以实现精确的亮度调节。 ### 示例代码 以下是一个简单的MOS开关电路的仿真代码,使用Python的`simpy`库进行模拟: ```python import simpy def mosfet_switch(env, gate_voltage, threshold_voltage): while True: if gate_voltage > threshold_voltage: print(f"Time {env.now}: MOSFET is ON") else: print(f"Time {env.now}: MOSFET is OFF") yield env.timeout(1) # 每秒检查一次状态 # 创建仿真环境 env = simpy.Environment() # 定义阈值电压 threshold_voltage = 2.0 # 启动MOSFET开关进程 env.process(mosfet_switch(env, gate_voltage=3.0, threshold_voltage=threshold_voltage)) # 运行仿真 env.run(until=5) ``` 在这个示例中,MOS管的导通状态由栅极电压与阈值电压的比较决定。每秒钟检查一次状态,并输出MOS管是否导通。
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