深度分析MOS场效应管在消费类电子中的电路设计

当我们还是学生的时候，不论从做题还是原理分析上,通常会重点学习NPN和PNP三极管的特性：静态工作特性计算、动态信号分析等等。对于MOS管，老师一般都会草草带过，没有那么深入的分析和了解，一般都会说MOS管和三极管的不同就是一个是电压控制，一个是电流控制，一个Ri大，一个Ri小等等。除了这些明显的特性，下文就从工作实战的角度进行MOS场效应管的分析。

首先我们来看下经常使用的增强型mos场效应管：N沟道和P沟道mos场效应管。

在消费类电子设计中由于对功耗要求比较严格，通常使用N沟道和P沟道MOS场效应管来做电平的转换、锂电池的充电放电电路控制和电源的控制。现在用multisi blue14来模拟P沟道的电气特性：



在信号源XFG1中采用1Hz的5Vpp的正弦波来驱动Pmos场效应管，而场效应管的vcc也采用5v直流电压，示波器XSC1中A通道显示驱动电压的波形，B通道显示源级的电压，仿真结果如下：



从仿真结果中可以看出，只要栅极的电压超过0v，也就是此时栅极的电压大于漏极的电压，场效应管截至，示波器拾取的源级电压就为直流驱动电压，源级获得的信号特性正好与驱动栅极的电压特性相反。这也就是电机驱动电路中采用N沟道和P沟道mos场效应管的原因。

深度分析下该典型电路：当漏极电压升高，场效应管的夹断电压也会随之升高;当源级的电压变化特别是变小时，场效应管的源级电压会伴随着场效应管的打开与关闭实现电压跟随。

如下例子：栅极驱动电压为5v方波，源级为3v直流电源


      
此时源级的电压特性为：



这就是电平变换的典型特性，在实际的电路中，经常由于漏源栅之间的电容、或者驱动马达引起的反向电动势影响到电子系统，通常会在栅极增加耗能电阻R和耗能电容C接地。

N沟道增强型MOS场效应管的典型应用电路正好与P沟道增强型MOS场效应管相反，如下所示：



在信号源XFG2中采用1Hz的5Vpp的正弦波来驱动Nmos场效应管，而场效应管的vcc也采用5v直流电压，示波器XSC2中A通道显示驱动电压的波形，B通道显示源级的电压，仿真结果如下：



由此可以知道只要栅极电压大于0V(此时的0v电压为源级电压)N沟道MOS场效应管是导通状态，漏极的电压会伴随着N沟道MOS管的打开与关闭形成跟随漏极还是源级电压。

当采用5vpp的方波驱动栅极电压时，


      
获得的仿真波形如下：



从中可以看出获得的波形为0-5V的方波，这在电子开关中可以理解为当驱动电压为高电平时场效应管打开。
当用MOS场效应管做充电电池的控制电路时的典型电路如下：



上图中，当USB接口连接上，整个系统采用USB供电，同时通过电压检测控制端来实现对锂电池的充电，而由于二极管的存在，使锂电池的电量不能返流到USB。当USB接口没有驱动电压时，锂电池通过二极管D1进行对系统的供电。

好了，对于MOS场效应管在消费类电子产品中的应用就分析到这里。下一篇将会分析MOS场效应管在信号处理中的典型应用。