MOSFET電路不可不知

MOSFET已成為最常用的三端器件，給電子電路界帶來了一場革命。沒有MOSFET，現在集成電路的設計似乎是不可能的。

它們非常小，制造過程非常簡單。由于MOSFET的特性，模擬電路和數字電路都成功地實現了集成電路，MOSFET電路可以從大信號模型小信號模型兩種方式進行分析。

大信號模型是非線性的。它用于求解器件電流和電壓的de值。小信號模型可以在大信號模型線性化的基礎上推導出來。截止區、三極管區和飽和區是MOSFET的三個工作區。當柵源電壓(VGS)小于閾值電壓(Vtn)時，器件處于截止區。當MOSFET用作放大器時，它工作在飽和區。用作開關時處于三極管或截止區。

01 MOSFET驅動電路

為了幫助MOSFET最大化開啟和關閉時間，需要驅動電路。如果MOSFET需要較長時間進出導通，那么我們就無法利用使用MOSFET的優勢。這將導致MOSFET發熱，器件將無法正常工作。MOSFET驅動器通常可以使用自舉電路產生電壓，以將柵極驅動到高于MOSFET電源電壓的電壓。

實際上，MOSFET的柵極對驅動器來說就像一個電容器，或者驅動器可以通過分別對柵極進行充電或放電來非常快速地打開或關閉MOSFET。

02 MOSFET開關電路

MOSFET工作在三個區域，截止區，三極管區和飽和區。當MOSFET處于截止三極管區域時，它可以作為開關工作。

MOSFET開關電路由兩個主要部分組成-MOSFET(按晶體管工作)和開/關控制塊。當晶體管導通時，MOSFET將電壓源傳遞給特定負載。在大多數情況下，n溝道MOSFET優于p溝道MOSFET，因為它有幾個優點。

在MOSFET開關電路中，漏極直接連接到輸入電壓，源極連接到負載。為了開啟n溝道MOSFET，柵源電壓必須大于閾值電壓，必須大于器件的閾值電壓。對于p溝道MOSFET，源極到柵極的電壓必須大于器件的閾值電壓。MOSFET表現得比BJT更好，因為MOS開關中不存在偏移電壓。

03 MOSFET逆變器電路

逆變器電路是數字電路設計中的基本組成部分之一(不要與功率逆變器混淆)。反相器可以直接應用于邏輯門和其他更復雜的數字電路的設計。理想逆變器的傳輸特性如下所示。

早期的MOS數字電路是使用p-MOSFET制成的。但是隨著微電子技術的進步，MOS的閾值電壓可以控制，并且MOS技術成為主導，因為NMOS的多數載流子，即電子比空穴快兩倍，PMOS的多數載流子，所以在CMOS技術出現之前，逆變器電路也使用N-MOS技術。這里我們討論三種類型的MOS反相電路。

04 阻性負載NMOS逆變器

它是最簡單的MOSFET逆變器電路，它有一個負載電阻R和NMOS晶體管串聯在電源電壓和地之間，如下圖所示。

如果Vin小于NMOS的閾值電壓，則晶體管關閉。電容可以變為電源電壓，輸出電壓等于電源電壓。當輸入大于晶體管的閾值電壓并且我們在輸出處獲得零電壓時，它的缺點是它占用了大面積的IC制造。

04 有源負載NMOS 逆變器

這里我們使用N個MOS晶體管作為有源負載，而不是電阻。電路中有兩種晶體管下拉晶體管將輸出電壓拉到較低的電源電壓(通常為OV)和上拉晶體管將輸出電壓拉到較高的電源電壓。

在下面的電路中，我們可以看到一個上拉和下拉NMOSFET。上拉的柵極與電源電壓短路，使其始終處于開啟狀態。

CMOS反相器：CMOS反相器是使用共享一個公共柵極的nMOS - p MOS 對構建的。P溝道晶體管用作上拉晶體管，V溝道晶體管用作下拉晶體管。

當Vin小于nMOS 的閾值時，NMOS關斷，而PMOS導通。因此，電容器將被充電至電源電壓，我們獲得等于輸出端的電源。當Vin大于nMOS 的閾值時，NMOS導通而PMOS關斷。因此，電容器將放電至電源電壓，我們在輸出端獲得等于零的電壓。

優點是CMOS反相器電路僅在開關事件期間消耗功率，并且在電壓傳輸曲線中我們觀察到急劇轉變。但在制造過程中需要額外的工藝步驟。