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開關(guān)電源設(shè)計(jì)中如何選用三極管和MOS管

發(fā)布時(shí)間:2014-03-28 責(zé)任編輯:xiangpeng

【導(dǎo)讀】三極管是電流驅(qū)動(dòng)元件,分成NPN和PNP兩種,MOS管是金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管,是電壓驅(qū)動(dòng)元件,這兩個(gè)元件在開關(guān)電源中的運(yùn)用是比較常見的,他們的作用也是大家多熟悉的,但是對(duì)于它們?cè)陂_關(guān)電源應(yīng)用中誰能夠適應(yīng)現(xiàn)代電子元器件發(fā)展要求,誰更有代表電源控制系統(tǒng)的主流,我們一看便知。 

三極管的工作原理:三極管是電流放大器件,有三個(gè)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(gè)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(gè)箭頭來表示電流的方向。
 

開關(guān)電源設(shè)計(jì)中如何區(qū)別及選用三極管和MOS管

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(huì)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(yuǎn)大于1,例如幾十,幾百)。如果我們將一個(gè)變化的小信號(hào)加到基極跟發(fā)射極之間,這就會(huì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管?;蛘叻Q是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的源(source)和漏(drain)是可以對(duì)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(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

當(dāng)MOS電容的柵極(Gate)相對(duì)于襯底(BACKGATE)正偏置時(shí)發(fā)生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場(chǎng)加強(qiáng)了,有更多的電子從襯底被拉了上來。同時(shí),空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高,會(huì)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(qiáng)反轉(zhuǎn)。Channel形成時(shí)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(shí),不會(huì)形成channel。所以MOS是電壓控制型器件。

(1)場(chǎng)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(hào)源取較少電流的情況下,應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管;而在信號(hào)電壓較低,又允許從信號(hào)源取較多電流的條件
下,應(yīng)選用晶體管。

(2)場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負(fù),靈活性比晶體管好。

(4)場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上,因此場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點(diǎn),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(chǎng)效管做開關(guān)電源的功率驅(qū)動(dòng),可以獲得一般晶體管很難達(dá)到的性能。

(6)場(chǎng)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。

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三極管BJT與場(chǎng)效應(yīng)管FET的區(qū)別,簡(jiǎn)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(dòng)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(qiáng)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(shí)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(chǎng)合,以及對(duì)基極或漏極控制電流比較敏感的地方。

綜上可知,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(gè)大趨勢(shì)。

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