MOSFET導(dǎo)通過(guò)程詳解,MOSFET簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”(工作載流子)的極性不同,可分為“N型”與“P型” 的兩種類型,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡(jiǎn)稱上包括NMOS、PMOS等。
(一)MOSFET開通過(guò)程
T0~T1:驅(qū)動(dòng)通過(guò)Rgate對(duì)Cgs充電,電壓Vgs以指數(shù)的形式上升。
T1~T2:Vgs達(dá)到MOSFET開啟電壓,MOSFET進(jìn)入線性區(qū),Id緩慢上升,至T2時(shí)刻Id到達(dá)飽和或是負(fù)載最大電流。在此期間漏源極之間依然承受近乎全部電壓Vdd。
T2~T3:T2時(shí)刻 Id達(dá)到飽和并維持穩(wěn)定值,MOS管工作在飽和區(qū),Vgs固定不變, 電壓Vds開始下降。此期間Cgs不再消耗電荷, VDD開始給Cgd提供放電電流。
T3~T4: 電壓Vds下降到0V,VDD繼續(xù)給Cgs充電,直至Vgs=VDD,MOSFET完成導(dǎo)通過(guò)程。
重要說(shuō)明:
Vgs的各個(gè)階段的時(shí)間跨度同柵極消耗電荷成比例(因△Q = IG△T,而IG在此處為恒流源之輸出)。
T0 ~ T2跨度代表了Ciss(VGS+ CGD)所消耗的電荷,對(duì)應(yīng)于器件規(guī)格書中提供的參數(shù)Qgs(Gate to Source Charge)。
T2 ~ T3跨度代表了CGD(或稱為米勒電容)消耗的電荷,對(duì)應(yīng)于器件規(guī)格書中提供的參數(shù)Qds(Gate to Drain (“Miller”) Charge)。
T3時(shí)刻前消耗的所有電荷就是驅(qū)動(dòng)電壓為Vdd、電流為Id的MOSFET所需要完全開通的最少電荷需求量。T3以后消耗的額外電荷并不表示驅(qū)動(dòng)所必須的電荷,只表示驅(qū)動(dòng)電路提供的多余電荷而已 。
開關(guān)損失:在MOSFET導(dǎo)通的過(guò)程中,兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程,流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程,那么這段時(shí)間里,MOS管損失的是電壓和電流的乘積,稱為開關(guān)損失。
導(dǎo)通損耗: MOS管在導(dǎo)通之后,電流在導(dǎo)通電阻上消耗能量,稱為導(dǎo)通損耗。
整體特性表現(xiàn):
驅(qū)動(dòng)電量要求:
△Q t0 ~ t4= (t4-t0 )IG = VG(CGS + CGD)+ VDDCGD
驅(qū)動(dòng)電流要求:
IG =△Q t0 ~ t4 /(t4-t0 )≈△Q t0 ~ t3 / (t3-t0 )≈Qg/(Td(on) + Tr)
驅(qū)動(dòng)功率要求:
Pdrive=∫t4-t0 vg(t)ig(t)≈VG△Q≈VG〔VG(CGS+CGD)+ VDDCGD〕
驅(qū)動(dòng)電阻要求:
RG = VG / IG
一般地可以根據(jù)器件規(guī)格書提供的如下幾個(gè)參數(shù)作為初期驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的計(jì)算假設(shè):
a) Qg(Total Gate Charge):作為最小驅(qū)動(dòng)電量要求。
b)相應(yīng)地可得到最小驅(qū)動(dòng)電流要求為IG ≈Qg/(td(on)+tr)。
c)Pdrive=VG *Qg作為最小驅(qū)動(dòng)功率要求。
d)相應(yīng)地,平均驅(qū)動(dòng)損耗為VG *Qg*fs
二、MOSFET關(guān)斷過(guò)程
MOSFET關(guān)斷過(guò)程是開通過(guò)程的反過(guò)程,如上圖示意
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