場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET介紹及應(yīng)用電路

前幾天給大家講了一下晶體管BJT，今天講一下場(chǎng)效應(yīng)管-MOSFET。

場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET與BJT的不同之處在于BJT需要向基極引腳施加電流，以便于集電極和發(fā)射極引腳之間流動(dòng)。另一方面，場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET只需要柵極引腳上的電壓來(lái)允許電流在漏極和源極引腳之間流動(dòng)。場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET在實(shí)際設(shè)計(jì)中具有非常高的柵極阻抗，這就決定了MOSFET的一個(gè)特點(diǎn)，非常擅長(zhǎng)降低電路的運(yùn)行所需要的功率。

先來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。

什么是場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET?

場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 是具有源極 (S)、柵極 (G)、漏極 (D) 和體 (B) 端子的四端子器件。通常，場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的主體與源極端子相連，從而形成三端器件，例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管。場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 通常被認(rèn)為是一種晶體管，并用于模擬和數(shù)字電路。

場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的一般結(jié)構(gòu)如下所示：

場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET：如果要工作，源極電壓 (VS ) 必須比 柵極電壓 (VG )大，且柵源電壓(VGS)不能小于漏源電壓 (VDS )。

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET：如果要工作，柵極電壓 (VG ) 必須比源極電壓 (VS ) 大，且漏源電壓 (VDS )不能小于柵源電壓(VGS)。

下圖為這兩種場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET類型的原理圖符號(hào)。

場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET原理圖符號(hào)圖

場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的應(yīng)用

一、場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET用作開(kāi)關(guān)

MOSFET很容易飽和，這就意味著說(shuō)，MOSFET完全打開(kāi)，且非?？煽浚梢栽陲柡蛥^(qū)域之間進(jìn)行非?？焖俚那袚Q，這就意味著MOSFET可以用作開(kāi)關(guān)，尤其是適用于電機(jī)、燈等大功率應(yīng)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用與大功率設(shè)備相同的電源來(lái)操作MOSFET，使用機(jī)械開(kāi)關(guān)施加?xùn)艠O電壓。如下圖所示，使用的是N溝道MOSFET。

或者也可以使用電子信號(hào)，例如微控制器激活MOSFET。P溝道MOSFET

N溝道MOSFET

N溝道MOSFET開(kāi)關(guān)電路圖

當(dāng)按下按鈕時(shí)，LED亮起。1kΩ 電阻充當(dāng)下拉電阻，將柵極電壓保持在與電池負(fù)極端子相同的電位，直到按下按鈕。這會(huì)在柵極施加正電壓，打開(kāi)漏極和源極引腳之間的通道，并允許電流流過(guò) LED。

P溝道MOSFET

P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)電路圖

二、場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

N溝道MOSFET

如下圖所示，兩個(gè)二極管反向偏置放置在電機(jī)觸點(diǎn)和MOSFET漏極/源極引腳上。

N 溝道 MOSFET 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

P溝道MOSFET

P溝道MOSFET電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

雙向運(yùn)行控制器

如果想要一個(gè)可以雙向運(yùn)行的電機(jī)控制器，就把上面兩個(gè)電路結(jié)合起來(lái)，如下圖所示。

雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

三、場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET應(yīng)用在邏輯門電路中

在這之前，先簡(jiǎn)單介紹一下邏輯門。

雙輸入與門(AND)

雙輸入與門(AND)是最容易理解的邏輯。如下圖所示。

與門邏輯圖

只有兩個(gè)輸入都為高時(shí)，與門(AND)的輸出才會(huì)為高。如果任一輸入為低電平，則輸出也為低電平。下圖為真值表圖。

與門真值表

與非門(NAND)

下圖為與非門(NAND)的真值表，關(guān)于數(shù)字邏輯中的使用的邏輯門，如果大家感興趣，我將在之后的文章進(jìn)行總結(jié)。

與非門真值表

邏輯門中的MOSFET

由于MOSFET很容易在低電壓和幾乎可以忽略不計(jì)的電流下飽和(完全導(dǎo)通)，就可以用它構(gòu)建上面的邏輯門，進(jìn)而構(gòu)建及其可靠的數(shù)字邏輯系統(tǒng)來(lái)處理數(shù)據(jù)。

非門(NOT)

如下圖所示。PB1 將兩個(gè) MOSFET 柵極連接到 +6V，但只有 ZVN 會(huì)以正電壓打開(kāi)。但是，當(dāng)它打開(kāi)時(shí)，它將輸出連接到 GND，因此 + 輸入在輸出處變?yōu)?GND。相反，當(dāng)我們通過(guò) PB2 將 GND 施加到輸入時(shí)，只有 ZVP 打開(kāi)，將輸出連接到 +6V，再次反轉(zhuǎn)信號(hào)。

非門電路圖

內(nèi)部的與非門(NAND)

與非門使用4個(gè)MOSFET，如下圖所示。

只有當(dāng) SWA 和 SWB 都為高電平(邏輯 1)時(shí)，LED 才會(huì)關(guān)閉(邏輯 0)。

與非門的電路圖

如果將上面兩個(gè)圖結(jié)合起來(lái)會(huì)發(fā)生上面?會(huì)不會(huì)是負(fù)負(fù)得正?如下圖所示。

內(nèi)部的與非門

從上圖中可以看出來(lái)，外部的與非門(NAND)是與門(AND)的否定，但內(nèi)部的與門(AND)實(shí)際上是由一個(gè)與非門(NAND)和一個(gè)非門(NOT)組成。所以實(shí)際上的與門也就是非與非門。

或門(OR)

如下圖所示，或門就是或非門(NOR)和非門(NOT)組成的。

異或門(XOR)

如下圖所示，異或門也就是同或門(XNOR)和非門(NOT)組成。

異或門(XOR)

由上面幾個(gè)可以證明，不管什么邏輯門，都可以用有限數(shù)量的與非門構(gòu)成。

四、邏輯電路

這個(gè)電路相對(duì)來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，不過(guò)需要大量的N溝道和P溝道MOSFET或者邏輯芯片。

在使用邏輯芯片的時(shí)候要注意以下幾個(gè)點(diǎn)：

1)一定要避免任何靜電積聚或者放電，以免損壞芯片。

2)每個(gè)芯片都有一個(gè)用于 +V 的公共引腳和一個(gè)公共 GND 引腳，這個(gè)在原理圖上很容易找到。

3)任何未使用的輸入引腳都應(yīng)連接到 GND

4)邏輯芯片并不是用于大負(fù)載(如電機(jī)等)的大電流驅(qū)動(dòng)器。

下面將從一個(gè)簡(jiǎn)單的LED閃光燈開(kāi)始。

LED閃光燈

使用兩個(gè)或非門就可以構(gòu)建一個(gè)振蕩器。如下圖所示。

振蕩器

如果想要兩個(gè)來(lái)回閃爍的LED，則LED2和R2都是可以選擇的。不然的話LED1將以R1和C1的值確定速率閃爍開(kāi)/關(guān)。

設(shè)置/復(fù)位鎖存器

設(shè)置/復(fù)位鎖存器是時(shí)序邏輯的關(guān)鍵組件。

一組 8 個(gè)鎖存器將形成一個(gè) 8 位存儲(chǔ)單元的核心結(jié)構(gòu)。在內(nèi)存中，SR 鎖存器稱為 D 鎖存器(數(shù)據(jù))，它與系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)鐘一起用于確定何時(shí)進(jìn)行鎖存。具體如下圖所示。

復(fù)位鎖存器

上面這個(gè)電路更多的是概念演示，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用上，通常鎖存器只要一個(gè)輸出就夠了，當(dāng)按下按鈕時(shí)狀態(tài)之間的輸出觸發(fā)器時(shí)，它們將始終處于彼此相反的狀態(tài)。

當(dāng)然也可以將此處的一個(gè)輸出連接到第二個(gè)電路，并且將鎖存器用作第二個(gè)電路的“推開(kāi)”非機(jī)械開(kāi)關(guān)。

兩位輸出的半加器

單個(gè)的異或門(XOR)可以用作1位二進(jìn)制加法器，通常添加兩個(gè)與非門(NAND)，就可以做成一個(gè)帶有兩位輸出的半加器。

先做一個(gè)或門(OR)，如下圖所示，由3個(gè)與非門(NAND)門組成。

半加器

在將或門(OR)更改為或非門(NOR)，只需要在 U3 的輸出和 LED 之間添加第四個(gè)與非門 NAND，并將 U4 的兩個(gè)輸入連接在一起就可以了。

再次使用與非門(NAND)，可以構(gòu)建一個(gè)同或門(XNOR)。

XNOR

將 U5 移除并將 U4 的輸出連接到 R3，就可以得到一個(gè) XOR 門。

單個(gè)的異或門(XOR)可以用作1位二進(jìn)制加法器，通常添加兩個(gè)與非門(NAND)，就可以做成一個(gè)帶有兩位輸出的半加器。

全加器

全加器需要進(jìn)行一些更改(添加一個(gè)異或門( XOR)、兩個(gè) 與非門(NAND) 和一個(gè) 或門(OR))，其中添加一個(gè)輸入來(lái)處理來(lái)自前一個(gè)加法器的進(jìn)位信號(hào)。然后將幾個(gè)加法器堆疊在一起，每個(gè)位一個(gè)加法器，以構(gòu)建一個(gè)加法機(jī)。

PB1 是位 A，PB2 是位 B，PB3 是前一個(gè)加法器塊的進(jìn)位位。如果我們只按PB1或PB2，我們是加1+0，只有LED 2會(huì)亮，表示值為1。如果我們同時(shí)按PB1和PB2，表示二進(jìn)制加1+1，即二進(jìn)制10 (表示為 10b)。這將點(diǎn)亮 LED1 并關(guān)閉 LED2。如果我們?nèi)缓蟀?PB3 并再添加 1，我們得到 11b，兩個(gè) LED 都亮起。

4位加法器

右邊的第一個(gè)塊(帶有 A0 和 B0)可以用半加器交換，而不影響輸出。它只是刪除了第一個(gè)全加器上的進(jìn)位(Cin)，無(wú)論如何，它在這里連接到 GND。

在這個(gè)例子中，我們將兩個(gè) 4 位數(shù)字 A 和 B 相加。每個(gè) (A0 和 B0) 的第一位在右側(cè)相加，結(jié)果發(fā)送到 S0，任何進(jìn)位位 (C1) 發(fā)送到下一個(gè)加法器. 然后將 A1 和 B1 以及來(lái)自第一個(gè)加法器的 C1 相加，結(jié)果進(jìn)入輸出 S1，任何進(jìn)位位都在 (C2) 上發(fā)送。最后一個(gè)加法器要么顯示最后的進(jìn)位位 (C4)，如果有的話，或者如果沒(méi)有空間或它不重要，則忽略它。

4 位比較器數(shù)字鎖

如前所述，異或門(XOR )可以用作加法器，但它們也是比較器，如果兩個(gè)輸入相同，則輸出一個(gè)狀態(tài)，如果兩個(gè)輸入不同，則輸出反轉(zhuǎn)狀態(tài)。這使我們能夠檢查引腳的狀態(tài)，并僅在正確時(shí)進(jìn)行切換和輸出。

如上面所示，在日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)用到MOSFET，可以說(shuō)，MOSFET是當(dāng)今使用的最重要的電子元件。

如果看到最后的話，應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)文章中并沒(méi)有提到說(shuō)MOSFET用在放大電路中。不是不可以用作放大電路，而是根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，模擬信號(hào)放大器任務(wù)最好由BJT處理，而快速、大電流開(kāi)關(guān)最好用 MOSFET 。

其實(shí)這兩種晶體管類型都有很多例子可以很好地雙向工作。具體怎么使用，還是看大家的電路要求。