MOS管功率放大器電路圖硬件電路設(shè)計

?MOS晶體管金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補型MOS集成電路即為CMOS-IC。

金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構(gòu) 成的互補型MOS集成電路即為CMOS-IC

做電源設(shè)計，或者做驅(qū)動方面的電路，難免要用到MOS管。MOS管有很多種類，也有很多作用。做電源或者驅(qū)動的使用，當然就是用它的開關(guān)作用。

無論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會發(fā)生像三極管做開關(guān)時的因基極電流引起的電荷存儲效應，因此在開關(guān)應用中，MOS管的開關(guān)速度應該比三極管快。其主要原理如圖:圖1。

圖1 MOS管的工作原理

我們在開關(guān)電源中常用MOS管的漏極開路電路，如圖2漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。當然MOS管做開關(guān)使用的電路形式比較多了。

圖2 NMOS管的開路漏極電路

在開關(guān)電源應用方面，這種應用需要MOS管定期導通和關(guān)斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能，這些開關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間，MOS管只相當于一個導體。因此，我們電路或者電源設(shè)計人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導損耗。

我們經(jīng)常看MOS管的PDF參數(shù)，MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來定義導通阻抗，對開關(guān)應用來說，RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動)電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但對于充分的柵極驅(qū)動，RDS(ON)是一個相對靜態(tài)參數(shù)。一直處于導通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，慢慢升高的結(jié)溫也會導致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。

其發(fā)熱情況有:

1.電路設(shè)計的問題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導致MOS管發(fā)熱的一個原因。如果N-MOS做開關(guān)，G級電壓要比電源高幾V，才能完全導通，P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計電路的最忌諱的錯誤。

2.頻率太高，主要是有時過分追求體積，導致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。

3.沒有做好足夠的散熱設(shè)計，電流太高，MOS管標稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴重，需要足夠的輔助散熱片。

4.MOS管的選型有誤，對功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮，導致開關(guān)阻抗增大。

首先考察一個更簡單的器件--MOS電容--能更好的理解MOS管。這個器件有兩個電極，一個是金屬，另一個是extrinsic silicon(外在硅)，他們之間由一薄層二氧化硅分隔開。金屬極就是GATE，而半導體端就是backgate或者body。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric(柵介質(zhì))。圖示中的器件有一個輕摻雜P型硅做成的backgate。這個MOS 電容的電特性能通過把backgate接地，gate接不同的電壓來說明。MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導體BACKGATE在WORK FUNCTION上的差異在電介質(zhì)上產(chǎn)生了一個小電場。在器件中，這個電場使金屬極帶輕微的正電位，P型硅負電位。這個電場把硅中底層的電子吸引到表面來，它同時把空穴排斥出表面。這個電場太弱了，所以載流子濃度的變化非常小，對器件整體的特性影響也非常小。

當MOS電容的GATE相對于BACKGATE正偏置時發(fā)生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場加強了，有更多的電子從襯底被拉了上來。同時，空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高，會出現(xiàn)表面的電子比空穴多的情況。由于過剩的電子，硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉(zhuǎn)被稱為inversion，反轉(zhuǎn)的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續(xù)不斷升高，越來越多的電子在表面積累，channel變成了強反轉(zhuǎn)。Channel形成時的電壓被稱為閾值電壓Vt。當GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時，不會形成channel。當電壓差超過閾值電壓時，channel就出現(xiàn)了。

MOS電容:(A)未偏置(VBG=0V)，(B)反轉(zhuǎn)(VBG=3V)，(C)積累(VBG=-3V)。

正是當MOS電容的GATE相對于backgate是負電壓時的情況。電場反轉(zhuǎn)，往表面吸引空穴排斥電子。硅表層看上去更重的摻雜了，這個器件被認為是處于accumulation狀態(tài)了。

MOS電容的特性能被用來形成MOS管。Gate，電介質(zhì)和backgate保持原樣。在GATE的兩邊是兩個額外的選擇性摻雜的區(qū)域。其中一個稱為source，另一個稱為drain。假設(shè)source 和backgate都接地，drain接正電壓。只要GATE對BACKGATE的電壓仍舊小于閾值電壓，就不會形成channel。Drain和backgate之間的PN結(jié)反向偏置，所以只有很小的電流從drain流向backgate。如果GATE電壓超過了閾值電壓，在GATE電介質(zhì)下就出現(xiàn)了channel。這個channel就像一薄層短接drain和source的N型硅。由電子組成的電流從source通過channel流到drain?？偟膩碚f，只有在gate 對source電壓V 超過閾值電壓Vt時，才會有drain電流。

在對稱的MOS管中，對source和drain的標注有一點任意性。定義上，載流子流出source，流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置來決定了。有時晶體管上的偏置電壓是不定的，兩個引線端就會互相對換角色。這種情況下，電路設(shè)計師必須指定一個是drain另一個是source。

Source和drain不同摻雜不同幾何形狀的就是非對稱MOS管。制造非對稱晶體管有很多理由，但所有的最終結(jié)果都是一樣的。一個引線端被優(yōu)化作為drain，另一個被優(yōu)化作為source。如果drain和source對調(diào)，這個器件就不能正常工作了。

晶體管有N型channel所有它稱為N-channel MOS管，或NMOS。P-channel MOS(PMOS)管也存在，是一個由輕摻雜的N型BACKGATE和P型source和drain組成的PMOS管。如果這個晶體管的GATE相對于BACKGATE正向偏置，電子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累，沒有channel形成。如果GATE相對于BACKGATE反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此PMOS管的閾值電壓是負值。由于NMOS管的閾值電壓是正的，PMOS的閾值電壓是負的，所以工程師們通常會去掉閾值電壓前面的符號。一個工程師可能說，"PMOS Vt從0.6V上升到0.7V"， 實際上PMOS的Vt是從-0.6V下降到-0.7V。