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时间:2019-06-01
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1、《数字逻辑》难点辅导4/4MOS管的开关特性MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的,是一种具有放大特性的由电压uGS控制的开关元件。一、静态特性(一)结构示意图、符号、漏极特性和转移特性1.结构示意图和符号从图2.1.12(a)所示结构示意图中可以看出,MOS管是由金属-氧化物-半导体(Metal-Ox-ide-Semiconductor)构成的。在P型衬底上,利用光刻、扩散等方法,制作出两个N+型区,并引出电极,分别叫做源极S和漏极D,同时在源极和漏极之间的二氧化硅SiO2绝缘层上,制作一个金属电极栅极G,这样得到的便是N沟道MOS管。2.漏
2、极特性反映漏极电流iD和漏极-源极间电压uDS之间关系的曲线族叫做漏极特性曲线,简称为漏极特性,也就是表示函数iD=f(uDS)
3、uGS的几何图形,如图2.1.13(a)所示。当uGS为零或很小时,由于漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结,即使在漏极加上正电压(uDS>0V),MOS管中也不会有电流,也即管子处在截止状态。当uGS大于开启电压UTN时,MOS管就导通了。因为在UGS=UTN(图2.1.13中UTN=2V)时,栅极和衬底之间产生的电场已增加到足够强的程度,把P型衬底中的电子吸引到交界面处,形成的N型层——反型层,把两个N+区连接起来,也即沟通了漏极和源极。所以,称此管为
4、N沟道增强型MOS管。可变电阻区:当uGS>UTN后,在uDS比较小时,iD与uDS成近似线性关系,因此可把漏极和源极之间看成是一个可由uGS进行控制的电阻,uGS越大,曲线越陡,等效电阻越小,如图2.1.13(a)所示。恒流区(饱和区):当uGS>UTN后,在uDS比较大时,iD仅决定于uGS(饱和),而与uDS几乎无关,特性曲线近似水平线,D、S之间可以看成为一个受uGS控制的电流源。在数字电路中,MOS管不是工作在截止区,就是工作在可变电阻区,恒流区只是一种瞬间即逝的过度状态。3.转移特性《数字逻辑》难点辅导4/4反映漏极电流iD和栅源电压uGS关系的曲线叫做转移特性曲线,简称为
5、转移特性,也就是表示函数iD=f(uGS)
6、uDS的几何图形,如图2.1.13(b)所示。 当uGSUTN之后,只要在恒流区,转移特性曲线基本上是重合在一起的。曲线越陡,表示uGS对iD的控制作用越强,也即放大作用越强,且常用转移特性曲线的斜率跨导gm来表示,即 4.P沟道增强型MOS管上面讲的是N沟道增强型MOS管。对于P沟道增强型MOS管,无论是结构、符号,还是特性曲线,与N沟道增强型MOS管都有着明显的对偶关系。其衬底是N型硅,漏极和源极是两个P+区,而且它的uGS、uDS极性都是负的,开启电压UTP也是负值。P沟道增
7、强型MOS管的结构、符号、漏极特性和转移特性如图2.1.14所示。(二)MOS管的开关作用1.开关应用举例《数字逻辑》难点辅导4/4如图2.1.15所示,是一个最简单的MOS管开关电路,输入电压是u1,输出电压是uO。当u1较小时,MOS管是截止的,uO=UOH=VDD;当u1较大时,MOS管是导通的,,由于RON<8、D=0,MOS管如同一个断开了的开关。(2)导通条件和导通时的特点①导通条件:当uFS大于UTN时,MOS管将工作在导通状态。在数字电路中,MOS管导通时,一般都工作在可变电阻区,其导通电阻RON只有几百欧姆,较小。②导通时的特点:MOS管导通之后,如同一个具有一定导通电阻《数字逻辑》难点辅导4/4RON闭合了的开关,起等效电路如图2.1.15(c)所示。二、动态特性(一)MOS管极间电容MOS管三个电极之间,均有电容存在,它们分别是栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。CGS、CGD一般为1~3pF,CDS约为0.1~1pF。在数字电路中,MOS管的动态特性,即开关速度是搜9、这些电容充、放电过程制约的。(二)开关时间1.uI和iD的波形在图2.1.15(a)所示MOS管开关电路中,当u1为矩形波时,相应iD的波形如图2.1.16所示。2.开通时间ton当u1由UIL=0V跳变到UIH=VDD时,MOS管需要经过导通延迟时td1和上升时间tr之后,才能由截止状态转换到导通状态。开通时间 ton=td1+tr3.关断时间toff当u1由UIH=VDD跳变到UIL=0V时,MOS管经过关断延迟
8、D=0,MOS管如同一个断开了的开关。(2)导通条件和导通时的特点①导通条件:当uFS大于UTN时,MOS管将工作在导通状态。在数字电路中,MOS管导通时,一般都工作在可变电阻区,其导通电阻RON只有几百欧姆,较小。②导通时的特点:MOS管导通之后,如同一个具有一定导通电阻《数字逻辑》难点辅导4/4RON闭合了的开关,起等效电路如图2.1.15(c)所示。二、动态特性(一)MOS管极间电容MOS管三个电极之间,均有电容存在,它们分别是栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。CGS、CGD一般为1~3pF,CDS约为0.1~1pF。在数字电路中,MOS管的动态特性,即开关速度是搜
9、这些电容充、放电过程制约的。(二)开关时间1.uI和iD的波形在图2.1.15(a)所示MOS管开关电路中,当u1为矩形波时,相应iD的波形如图2.1.16所示。2.开通时间ton当u1由UIL=0V跳变到UIH=VDD时,MOS管需要经过导通延迟时td1和上升时间tr之后,才能由截止状态转换到导通状态。开通时间 ton=td1+tr3.关断时间toff当u1由UIH=VDD跳变到UIL=0V时,MOS管经过关断延迟
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