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    場效應(yīng)管MOSFET介紹及應(yīng)用電路
  • 場效應(yīng)管MOSFET介紹及應(yīng)用電路
  • 來源:電路一點通  發(fā)布日期: 2022-09-05  瀏覽次數(shù): 3,371

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

    場效應(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。另一方面,場效應(yīng)管MOSFET只需要柵極引腳上的電壓來允許電流在漏極和源極引腳之間流動。場效應(yīng)管MOSFET在實際設(shè)計中具有非常高的柵極阻抗,這就決定了MOSFET的一個特點,非常擅長降低電路的運行所需要的功率。

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    先來簡單介紹一下場效應(yīng)管MOSFET。

    什么是場效應(yīng)管MOSFET?

    場效應(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,例如場效應(yīng)晶體管。場效應(yīng)管MOSFET 通常被認為是一種晶體管,并用于模擬和數(shù)字電路

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

    ccb81df4-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    場效應(yīng)管MOSFET

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

    P溝道場效應(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)。

    下圖為這兩種場效應(yīng)管MOSFET類型的原理圖符號。

    ccd3a9ca-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    場效應(yīng)管MOSFET原理圖符號圖

    場效應(yīng)管MOSFET的應(yīng)用

    一、場效應(yīng)管MOSFET用作開關(guān)

    MOSFET很容易飽和,這就意味著說,MOSFET完全打開,且非常可靠,可以在飽和區(qū)域之間進行非??焖俚那袚Q,這就意味著MOSFET可以用作開關(guān),尤其是適用于電機、燈等大功率應(yīng)用。

    在實際應(yīng)用中,可以使用與大功率設(shè)備相同的電源來操作MOSFET,使用機械開關(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,例如微控制器激活MOSFET。P溝道MOSFET

    N溝道MOSFET

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    cce1beca-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

     

    N溝道MOSFET開關(guān)電路圖

    當(dāng)按下按鈕時,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極端子相同的電位,直到按下按鈕。這會在柵極施加正電壓,打開漏極和源極引腳之間的通道,并允許電流流過 LED。

    P溝道MOSFET

    cd03d8b6-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    P溝道MOSFET開關(guān)電路圖

    二、場效應(yīng)管MOSFET用作電機驅(qū)動電路

    N溝道MOSFET

    如下圖所示,兩個二極管反向偏置放置在電機觸點和MOSFET漏極/源極引腳上。

    cd1a5d52-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    N 溝道 MOSFET 電機驅(qū)動電路

    P溝道MOSFET

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    P溝道MOSFET電機驅(qū)動電路

    雙向運行控制器

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

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    雙向電機驅(qū)動電路

    三、場效應(yīng)管MOSFET應(yīng)用在邏輯門電路中

    在這之前,先簡單介紹一下邏輯門。

    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。

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    與門邏輯圖

    只有兩個輸入都為高時,與門(AND)的輸出才會為高。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。

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    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行總結(jié)。

    cd904634-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    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,進而構(gòu)建及其可靠的數(shù)字邏輯系統(tǒng)來處理數(shù)據(jù)。

    非門(NOT)

    如下圖所示。PB1 將兩個 MOSFET 柵極連接到 +6V,但只有 ZVN 會以正電壓打開。但是,當(dāng)它打開時,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 PB2 將 GND 施加到輸入時,只有 ZVP 打開,將輸出連接到 +6V,再次反轉(zhuǎn)信號。

    cda21738-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    非門電路圖

    內(nèi)部的與非門(NAND)

    與非門使用4個MOSFET,如下圖所示。

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

    cdb3bbd2-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    與非門的電路圖

    如果將上面兩個圖結(jié)合起來會發(fā)生上面?會不會是負負得正?如下圖所示。

    cdd93d8a-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    內(nèi)部的與非門

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

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    cdedfefa-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

     

     

    或門(OR)

    如下圖所示,或門就是或非門(NOR)和非門(NOT)組成的。

    ce00a6ae-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    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。

    ce1899ee-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    異或門(XOR)

    由上面幾個可以證明,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

    這個電路相對來說很簡單,不過需要大量的N溝道和P溝道MOSFET或者邏輯芯片。

    在使用邏輯芯片的時候要注意以下幾個點:

    1)一定要避免任何靜電積聚或者放電,以免損壞芯片。

    2)每個芯片都有一個用于 +V 的公共引腳和一個公共 GND 引腳,這個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載(如電機等)的大電流驅(qū)動器。

    下面將從一個簡單的LED閃光燈開始。

    LED閃光燈

    使用兩個或非門就可以構(gòu)建一個振蕩器。如下圖所示。

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    振蕩器

    如果想要兩個來回閃爍的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/關(guān)。

    設(shè)置/復(fù)位鎖存器

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

    一組 8 個鎖存器將形成一個 8 位存儲單元的核心結(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)核時鐘一起用于確定何時進行鎖存。具體如下圖所示。

    ce5896ca-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    復(fù)位鎖存器

    上面這個電路更多的是概念演示,因為在實際應(yīng)用上,通常鎖存器只要一個輸出就夠了,當(dāng)按下按鈕時狀態(tài)之間的輸出觸發(fā)器時,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輸出連接到第二個電路,并且將鎖存器用作第二個電路的“推開”非機械開關(guān)。

    兩位輸出的半加器

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

    先做一個或門(OR),如下圖所示,由3個與非門(NAND)門組成。

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    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 之間添加第四個與非門 NAND,并將 U4 的兩個輸入連接在一起就可以了。

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

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    XNOR

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

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

    cebf38ee-2c57-11ed-ba43-dac502259ad0

    全加器

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

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    PB1 是位 A,PB2 是位 B,PB3 是前一個加法器塊的進位位。如果我們只按PB1或PB2,我們是加1+0,只有LED 2會亮,表示值為1。如果我們同時按PB1和PB2,表示二進制加1+1,即二進制10 (表示為 10b)。這將點亮 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 LED 都亮起。

    4位加法器

    右邊的第一個塊(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全加器上的進位(Cin),無論如何,它在這里連接到 GND。

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    在這個例子中,我們將兩個 4 位數(shù)字 A 和 B 相加。每個 (A0 和 B0) 的第一位在右側(cè)相加,結(jié)果發(fā)送到 S0,任何進位位 (C1) 發(fā)送到下一個加法器. 然后將 A1 和 B1 以及來自第一個加法器的 C1 相加,結(jié)果進入輸出 S1,任何進位位都在 (C2) 上發(fā)送。最后一個加法器要么顯示最后的進位位 (C4),如果有的話,或者如果沒有空間或它不重要,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,如果兩個輸入相同,則輸出一個狀態(tài),如果兩個輸入不同,則輸出反轉(zhuǎn)狀態(tài)。這使我們能夠檢查引腳的狀態(tài),并僅在正確時進行切換和輸出。

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    如上面所示,在日常生活中,我們經(jīng)常會用到MOSFET,可以說,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),在這個文章中并沒有提到說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)驗來看,模擬信號放大器任務(wù)最好由BJT處理,而快速、大電流開關(guān)最好用 MOSFET 。

    其實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。


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