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英文全称为N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思为N型金属-氧化物-半导体,而拥有这种结构的晶体管我们称之为 MOS晶体管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路,由NMOS组成的电路就是NMOS集成电路,由PMOS管组成的电路就是PMOS集成电路,由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路,即CMOS电路。 P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低,因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下,PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。 此外,P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高,要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性,与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。 PMOS因逻辑摆幅大,充电放电过程长,加之器件跨导小,所以工作速度更低,在NMOS电路(见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路)出现之后,多数已为NMOS电路所取代。只是,因PMOS电路工艺简单,价格便宜,有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。 NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。 不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。 MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越高,损失也越大。 导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。 跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。 在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。 第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。 如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。 我们常用的是NMOS,因为其导通电阻小,且容易制造。在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的,需要具体看数据手册。 了解MOS管的开通/关断原理你就会发现,使用PMOS做上管、NMOS做下管比较方便。使用PMOS做下管、NMOS做上管的电路设计复杂,一般情况下意义不大,所以很少采用。 NMOS管的主回路电流方向为D→S,导通条件为VGS有一定的压差,一般为5~10V(G电位比S电位高);而PMOS管的主回路电流方向为S→D,导通条件为VGS有一定的压差,一般为-5~-10V(S电位比G电位高),下面以导通压差6V为例。 使用NMOS当下管,S极直接接地(为固定值),只需将G极电压固定值6V即可导通;若使用NMOS当上管,D极接正电源,而S极的电压不固定,无法确定控制NMOS导通的G极电压,因为S极对地的电压有两种状态,MOS管截止时为低电*,导通时接*高电*VCC。 当然NMOS也是可以当上管的,只是控制电路复杂,这种情况必须使用隔离电源控制,使用一个PMOS管就能解决的事情一般不会这么干,明显增加电路难度。 使用PMOS当上管,S极直接接电源VCC,S极电压固定,只需G极电压比S极低6V即可导通,使用方便;同理若使用PMOS当下管,D极接地,S极的电压不固定(0V或VCC),无法确定控制极G极的电压,使用较麻烦,需采用隔离电压设计。 CMOS门电路由PMOS场效应管和NMOS场效应管以对称互补的形式组成,先介绍MOS管,然后再介绍由CMOS组成的门电路。 MOS英文全称Metal Oxide Semiconductor,中文全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管,属于一种电压控制型器件,正如其名,由金属(M),氧化物(O)和半导体(S)构成,和三极管一样,既可以用来放大电路,也可以当作开关使用。 增强型MOS管,栅极与衬底之间不加电压时,栅极下面没有沟道存在,耗尽型,栅极与衬底之间不加电压时,栅极下面已有沟道存在。 增强型MOS管有P沟道和N沟道两种,其结构原理基本类似,主要区别在于沉底和载流子不同,下面以N沟道增强型MOS管为例简单介绍下,其结构如下所示: 增强型NMOS管是以P型掺杂硅片为衬底,然后制作两个N型掺杂的区域,再制作一层电介质绝缘层,在两个N型掺杂的区域用金属导线连出,分别称为源极(source)和漏极(drain),在两极中间的绝缘层上制作金属导电层,然后用导向连出称为栅极(gate),衬底一般也用导线连出和源极连接在一起。 当开关S断开时,栅极无电压,由于衬底是P型,多数载流子是空穴;源,漏极是N型掺杂,多数载流子是电子,熟悉PN节的读者可以很快看出来,源极和漏极之间有两个背靠背的PN节,即使源,漏极加上电压,总有一个PN节处于反偏状态,源漏极之间没有导电沟道,所以电流为0; 当开关S闭合,场效应管栅极获得正电压,上面会带有正电荷,它产生的电场穿过电介质,将P衬底中的电子吸引过来并聚集,从而在两个都是N型掺杂的源漏极之间出现导电沟道,由于此时漏源之间加上的是正向电压,于是就会有电流从漏极流入,再经过导电沟道从S极流出,一般把形成沟道时的栅源极电压称为开启电压,用Vt表示,也即是图中E2电压。 如果改变E2电压大小,栅极下面的电场大小随之变化,吸引过来的电子数量也会发生变化,两个N区之间沟道宽度就会随之变化,通过的漏源极的电流大小就会发生变化。E2电压越高,沟道就会越宽,电流就会越大。 为分析方便,可以认为当NMOS管,G极为高电*时导通,为低电*时截止;对于PMOS则相反,G极为低电*时导通,高电*时截止。 VT1是PMOS管,VT2是NMOS管,电源输入端A分别与MOS管的G极连接,电路的输出端分别与MOS管的D极相连,PMOS的S极接电源VDD,NMOS管的S极接地。 综上所述,CMOS非门的输出端与输出端之间电*总是相反,实际上,不管输入端为高电*还是低电*,VT1和VT2始终有一个处于截止状态,电源与地之间基本无电流通过,因此CMOS非门电路的功耗很低。 从上面分析可知,当输入端均为高电*时,输出端为0,只要有一个输入端为低电*,输出端就为1,满足或非的逻辑。 当A端为低电*,B端为高电*时,A端低电*使VT1导通,VT3截止,B端高电*使VT2截止,VT4导通,由于VT2截止,VT4导通,Y端输出低电*,也即A=0,B=1时,Y=0; 江南官方体育app 上一篇:从底层重新认识D触发器、建立时间 下一篇:逻辑与运算——AND电路 |