pmos和nmos的工作原理 MOS應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

一、簡(jiǎn)介

MOS管，是MOSFET的縮寫。MOSFET金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。

其中，G是柵極，S是源極，D是漏極。

二、常見(jiàn)的nmos和pmos的原理與區(qū)別

NMOS

NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。意思為N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體，而擁有這種結(jié)構(gòu)的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路，由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路，由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補(bǔ)MOS電路，即CMOS電路。

PMOS

PMOS是指n型襯底、p溝道，靠空穴的流動(dòng)運(yùn)送電流的MOS管。

NMOS和PMOS工作原理

P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低，因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對(duì)值一般偏高，要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性，與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過(guò)程長(zhǎng)，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在NMOS電路（見(jiàn)N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路）出現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是，因PMOS電路工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。

三、MOS管應(yīng)用分析

1.導(dǎo)通特性

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。

2.MOS開(kāi)關(guān)管損失

不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。

MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，損失也越大。

導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。

3.MOS管驅(qū)動(dòng)

跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度。

在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。

第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。

四、MOS應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際項(xiàng)目中，我們基本都用增強(qiáng)型，分為N溝道和P溝道兩種。

我們常用的是NMOS，因?yàn)槠鋵?dǎo)通電阻小，且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的，需要具體看數(shù)據(jù)手冊(cè)。

了解MOS管的開(kāi)通/關(guān)斷原理你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用PMOS做上管、NMOS做下管比較方便。使用PMOS做下管、NMOS做上管的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，一般情況下意義不大，所以很少采用。

下面先了解MOS管的開(kāi)通/關(guān)斷原理，請(qǐng)看下圖：

NMOS管的主回路電流方向?yàn)镈→S，導(dǎo)通條件為VGS有一定的壓差，一般為5~10V（G電位比S電位高）；而PMOS管的主回路電流方向?yàn)镾→D，導(dǎo)通條件為VGS有一定的壓差，一般為-5~-10V（S電位比G電位高），下面以導(dǎo)通壓差6V為例。

NMOS管

使用NMOS當(dāng)下管，S極直接接地（為固定值），只需將G極電壓固定值6V即可導(dǎo)通；若使用NMOS當(dāng)上管，D極接正電源，而S極的電壓不固定，無(wú)法確定控制NMOS導(dǎo)通的G極電壓，因?yàn)镾極對(duì)地的電壓有兩種狀態(tài)，MOS管截止時(shí)為低電平，導(dǎo)通時(shí)接近高電平VCC。當(dāng)然NMOS也是可以當(dāng)上管的，只是控制電路復(fù)雜，這種情況必須使用隔離電源控制，使用一個(gè)PMOS管就能解決的事情一般不會(huì)這么干，明顯增加電路難度。

PMOS管

使用PMOS當(dāng)上管，S極直接接電源VCC，S極電壓固定，只需G極電壓比S極低6V即可導(dǎo)通，使用方便；同理若使用PMOS當(dāng)下管，D極接地，S極的電壓不固定（0V或VCC），無(wú)法確定控制極G極的電壓，使用較麻煩，需采用隔離電壓設(shè)計(jì)。

編輯：黃飛

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