《電子技術(shù)應(yīng)用》
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簡談三極管和MOS管在開關(guān)電源中的應(yīng)用
摘要: 在做開關(guān)電源電路設(shè)計中,如何區(qū)別及選用三極管和MOS管?
Abstract:
Key words :

 

 在做開關(guān)電源電路設(shè)計中,如何區(qū)別及選用三極管和MOS管?

  三極管的工作原理:三極管是電流放大器件,有三個極,分別叫做集電極C,基極B,發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。

  我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib;把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的,所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是:集電極電流受基極電流的控制(假設(shè)電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話),并且基極電流很小的變化,會引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關(guān)系:集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍,即電流變化被放大了β倍,所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)(β一般遠大于1,例如幾十,幾百)。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間,這就會引起基極電流Ib的變化,Ib的變化被放大后,導(dǎo)致了Ic很大的變化。三極管是電流控制型器件。

  Mos管是金屬(metal)—氧化物(oxid)—半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管。或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的源(source)和漏(drain)是可以對調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個兩個區(qū)是一樣的,即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。

  當(dāng)MOS電容的柵極(Gate)相對于襯底(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)的硅層叫做溝道(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(dāng)GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時,不會形成channel。所以MOS是電壓控制型器件。

  (1)場效應(yīng)管是電壓控制元件,而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下,應(yīng)選用場效應(yīng)管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應(yīng)選用晶體管。

  (2)場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電,所以稱之為單極型器件,而晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極型器件。

  (3)有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負,靈活性比晶體管好。

  (4)場效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上,因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

  (5)場效應(yīng)晶體管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點,因而也被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源及各種電子設(shè)備中。尤其用場效管做開關(guān)電源的功率驅(qū)動,可以獲得一般晶體管很難達到的性能。

  (6)場效應(yīng)管分成結(jié)型和絕緣柵型兩大類,其控制原理都是一樣的。

  三極管BJT與場效應(yīng)管FET的區(qū)別很多,簡單列出幾條:

  1.三極管用電流控制,MOS管屬于電壓控制,BJT放大電流,F(xiàn)ET將柵極電壓轉(zhuǎn)換為漏極電流。BJT第一參數(shù)是電流放大倍數(shù)β值,F(xiàn)ET第一參數(shù)是跨導(dǎo)gm;

  2.驅(qū)動能力:MOS管常用來電源開關(guān)管,以及大電流地方開關(guān)電路;

  3.成本問題:三極管便宜,MOS管貴;

  4.BJT線性較差,F(xiàn)ET線性較好;

  5.BJT噪聲較大,F(xiàn)ET噪聲較小;

  6.BJT極性只有NPN和PNP兩類,F(xiàn)ET極性有N溝道、P溝道,還有耗盡型和增強型,所以FET選型和使用都比較復(fù)雜;

  7.功耗問題:BJT輸入電阻小,消耗電流大,F(xiàn)ET輸入電阻很大,幾乎不消耗電流;

  實際上就是三極管比較便宜,用起來方便,常用在數(shù)字電路開關(guān)控制;MOS管用于高頻高速電路,大電流場合,以及對基極或漏極控制電流比較敏感的地方。

  總的看,無論在分立元件電路還是集成電路中,F(xiàn)ET替代BJT都是一個大趨勢。

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