场效应管做开关电路.doc

与三极管一样，场效应管不仅可以对模拟信号放大，也可作为控 制开关使用，之所以我们将开关电路（而不是放大电路）的应用提 前介绍，是因为在实际应用当中，场效应管当作开关电路应用的情 况还是相对更多一些。可以这么说，大多数读者曾经使用过或将来 会使用三极管电路进行信号放大的应用，但大多数读者都不曾使用 或将来也不会使用场效应管进行信号放大的应用。因此，我们将场 效应管的开关电路详细描述一下。 场效应管开关电路大体可分为两大类，即模拟开关（Analog Switch）与数字开关，前者我们在此不进行讨论，读者可参考文章 《模拟开关》，而常用的数字开关电路大都使用增强型的 NMOS 或 PMOS 为核心，NMOS 控制开关电路的基本结构如下图所示： 其中，漏极电阻 R1 为上拉电阻，当场效应管 Q1 截止时将输出电 压上拉至电源 VCC（高电平），可以理解为开漏（OD）输出结构的 上拉电阻，具体可参考文章《电阻（4）之上/下拉电阻》，栅极串 联电阻 R2 为限流电阻，防止输入电压变换的瞬间导致栅极电流超额 而损坏场效应管，下拉电阻 R3 用来确保无输入信号（即悬空）时场 效应管处于截止状态。 此开关电路的基本原理很简单！当输入信号 Vi 为低电平“L”时， 场效应管 Q1 处于截止状态，输出电压 Vo 由漏极电阻 R1 上拉为电 源 VCC（高电平），此时场效应管 Q1 相当于一个处于断开状态的 开关，如下图所示： 当输入信号 Vi 为高电平“H”时，场效应管 Q1 处于导通状态， 输出电压 Vo 被场效应管下降至低电平，此时场效应管 Q1 相当于一 个 处 于 闭 合 状 态 的 开 关 ， 如 下 图 所 示 ： 场效应管开关应用电路的要求主要有两点，其中之一是限流电阻 R2 的阻值，需要根据开关频率、前级驱动能力、栅-源电容 CGS 等 因素来决定，其中 CGS 与栅极电阻相当于一个 RC 充放电电路。一 般来讲，对于开关频率相对较高的应用，限流阻值 R2 一般为十几 欧姆～几百欧姆，换言之，限流电阻 R2 的阻值是比较小的，如下 图所示： 场效应管的导通速度在很大程序上取决于 CGS 的充放电常数，栅 极电阻越大，则 CGS 充放电速度越慢，场效应管的开关速度也就慢 下来了，当然，限流电阻也不能太小，具体得根据实际情况决定， 如果开关频率很低的话，弄个 1K 以上都没有太大的影响。 而要求之二是输入的电压幅值。任何场效应管的栅-源电压 VGS 都是有极限值的，如下图所示（来自 ALPHA OMEGA 的 NMOS 管 AO3400 数据手册），栅-源电压不应超过最大极值，此值一般为 12V 左右。 这种开关电路的用法主要有两种，其中之一就是将具体的负载 （如电灯泡、马达、电磁阀、继电器、蜂鸣器等等）代替漏极电阻 R1，这样输入信号 Vi 高低电平就可以控制负载是否供电，如下图所 示 为 电 灯 泡 控 制 开 关 电 路 ： 当输入为低电平“L”时，场效应管 Q1 是截止的，因此电灯泡两 端是没有电压的，当输入为高电平“H”时，场效应管 Q1 是导通的， 此 时 电 源 VCC 施 加 到 电 灯 泡 两 端 ， 如 下 图 所 示 ： 电灯泡是阻性负载（相当于一个电阻），如果换成是感性负载， 我们还必须在感性负载两端反向并联一个二极管，如下图所示继电 器 应 用 电 路 ： 因为感性负载相当于一个电感，当场效应管由导通变为截止时， 电感中的电流将会产生突变，如果此时没有一个电流回路慢慢使电 流下降，电感两端将产生很高的反向电动势，并联的二极管 D1 即 用来为感性负载续流（防止场效应管 Q1 被击穿的同时也可以保护 继 电 器 本 身 ） ， 因 而 称 之 为 续 流 二 极 管 ， 如 下 图 所 示 ： 开关电路的另一个用法是作为高速开关，如 BUCK 变换器中的开 关管，如下图所示（来自 TI 公司电源芯片 TPS56120X 数据手册） 我们用下图所示开关电路仿真一下： 其 相 关 波 形 如 下 图 所 示 ： 还有一种 PMOS 开关电路，它的典型应用电路如下图所示： 这种电路一般用在电源控制应用中，比如消费类电子待机时的控 制开关管，它的原理也比较简单，在分析时只需要注意一点：PMOS 管的栅-源电压 VGS 在零电压时为截止的，而 VGS 为负电压时是导通 的。 当输入为低电平“L”时，三极管 Q1 是截止的，对于场效应管开 关电路而言，三极管相当于不存在，场效应管 Q2 的栅极与源极通 过电阻 R1 连接在一起，换句话说，栅-源电压 VGS 等于零电压，此 时场效应管 Q2 是截止的，相当于一个处于断开状态的开关，如下 图 所 示 ： 当输入为高电平“H”时，三极管 Q1 是饱和导通的，场效应管 Q2 的栅