硬件基础-MOS管原理、使用、开关电路应用

0、写在前面：

最后更新日期：2021年4月30日
因水平有限，本文章主要作为个人技术笔记使用，方便自己查阅，可能会有纰漏。仅供参考，仅供参考，仅供参考。
这里主要讲述MOS管的一些基础知识及相关应用，还会记录一些常用的MOS开关电路。部分素材来源于网上，主要参考的链接如下：
http://www.kiaic.com/article/detail/1378.html
https://wenku.baidu.com/view/719bf797c3c708a1284ac850ad02de80d5d8066f.html
http://www.kiaic.com/article/detail/1444
https://wenku.baidu.com/view/4e9f9f9cde80d4d8d05a4f68.html

1、MOS管基本原理及分类

1.1、MOS管分类

MOS管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管。FET是场效应管。合在一起是金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。
MOS管分为N沟道和P沟道，又可分为增强型和耗尽型。其分类如下图：
在这里插入图片描述
其示意图和电路符号如下：
N和PMOS
上图是NMOS和PMOS的符号，衬底一般和源极连接起来，连接起来后电路符号如下：
P沟道MOSFET
N沟道MOSFET
上图中2个都是虚线，虚线代表是增强型（Vgs=0时，DS无导电沟道），实线是耗尽型（Vgs=0时，DS有导电沟道）。电极 D(Drain) 称为漏极，电极 G(Gate) 称为栅极，电极 S（Source）称为源极。电路符号中的箭头可以理解为一个二极管。例如NMOS,沟道是N,衬底是P型，所以衬底到沟道形成一个二极管，二极管方向就是这个箭头方向。实际上这个箭头的确就是衬底的极性的含义，当它一旦接到源极，就形成了MOS管的寄生二极管了。
在实际应用中，一般都是增强型MOS管居多，因此这里不介绍耗尽型MOS管。
下面是NMOS和PMOS的结构示意图：
NMOS
PMOS

1.2、MOS管导通原理

对于MOS管导通的原理，以NMOS管为例，介绍如下：
在这里插入图片描述

1.3、MOS管输出特性曲线

当Vgs大于开启电压时，漏极电流id和漏源电压Vds之间的关系为输出特性曲线。可分为线性区OA，过渡区AB，线性区和过渡区统称为非饱和区。饱和区BC和击穿区CD。
在这里插入图片描述
对于不同的Vgs，可以得到以下输出特性曲线：

1.4、MOS管的转移特性

当Vds一定时，Vgs可以控制电流Id，叫做转移特性。
在这里插入图片描述

4种类型的MOS管的特性曲线和转移特性曲线如下：
在这里插入图片描述

1.5、MOS管的寄生二极管：

关于MOS管的寄生二极管：
1、mos管本身自带有寄生二极管，作用是防止VDD过压的情况下，烧坏mos管，因为在过压对MOS管造成破坏之前，二极管先反向击穿，将大电流直接到地，从而避免MOS管被烧坏。
2、防止管子的源极和漏极反接时烧坏MOS管，也可以在电路有反向感生电压时，为反向感生电压提供通路，避免反向感生电压击穿MOS管。
对于寄生二极管的方向判断，方法如下：
在这里插入图片描述
因此，从最开始简单的电路符号，我们把衬底和源极连接起来，再加上寄生二极管的符号，就得到了接近实际应用中的MOS管符号。实际使用的MOS管，一般都是带寄生二极管的，比如我们在立创商城随便搜索一个MOS管，比如直流电机驱动桥上常用的NCE6075，手册上截图如下：
在这里插入图片描述
到这里，我们就能看懂手册上MOS管的符号了。下面开始介绍下MOS关常用的2种简单的开关电路。

2、NMOS管简单开关电路：

下图是在proteus上进行仿真的NMOS开关电路：
在这里插入图片描述
因NMOS导通的条件是Vgs电压大于MOS管的开启电压，因此我们直接把NMOS管的S极直接接地，保证S极电压为0V，这样只需要G极电压高于开启电压，MOS管即会导通。
电阻R2的作用是保证在未接负载时MOS管D极的电压，因为当MOS管导通时，要保证V DS > 0V才可以在漏源极间形成电流。
而如果把电阻R2去掉，当外负载压降较大时，电源电压经外负载到达MOS管的D极后，D极电压可能就会接近0V，和S极电压相差不多，就无法保证形成漏源电流Ids > 0。
分析此电路图特性我们发现，此时外负载的正极是直接连接电源正极，外负载的负极处经MOS管作为开关再接回了GND。那能不能电源的正极接到NMOS管的D极上，把MOS管的S极作为输出接到外负载的正极，当MOS管导通时，S极电压等于D极电压等于电源电压，这样貌似也是可行的。但实际是不可行的，理由如下：

如上图，我们按照我们的设想搭了一个电路，NMOS的S极接外负载，D极接电源正极。当G极电压为正时，MOS管导通，理论上MOS管的D极和S极电压应该相近，但我们发现此时并非如下。当MOS管导通时，D极电压为5V，S极电压却为0.9V，这是为什么呢？
这是因为我们把NMOS管的S极作为外负载的正极输出接在了外负载1K电阻上。而外负载肯定是需要压降的，则实际MOS管的S极电压必须高于0V才可以带动外负载。但如果S极电压高于0V，又会导致压差 V gs小于MOS管的开启电压，造成MOS管断开，因此MOS管不能正常工作在一直开启的状态。
综上，我们得知NMOS管用作开关电路时，必须D极接外负载，S极不要接负载直接接GND，这样才能保证Vgs 大于MOS管的开启电压。并且D极只能接外负载的负极，外负载的正极直接接电源。
因此，也就有了我们常说的：低端驱动(外负载的正极直接接电源正极，负极接MOS管回GND)用NMOS，高端驱动(外负载的正极接MOS管的D极，负极直接接回GND)用PMOS。

3、PMOS管简单开关电路：

类似于NMOS开关电路，我们在proteus仿真如下：
在这里插入图片描述
此时，外负载的GND直接接GND，而外负载的正极接PMOS的D极，相当于在外负载的正极上加了个开关。为了验证我们之前的总结，我们看能不能用PMOS当做外负载负极端的开关。
我们建仿真电路如下：

因为PMOS的S极接了外负载的负极，此时无法保证S极电压为电源电压，而是接近了外负载的负极电压0V，因此V gs也就不能保证是PMOS处于导通状态了。