本站原创摘 要:本文主要介绍了MOS电流模逻辑电路的特点与整个设计流程中主要的要点和方法,以便今后在设计过程中引起人们对于MOS晶体管使用的重视.
关 键 词:晶体管设计MOS电流模逻辑电路
中图分类号:TM13文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)05(b)-0133-01随着微电子技术的迅猛发展以及手机、数码相机、电脑等便携电子产品的迅速普及与不断发展,MOS电流模逻辑电路的已经得到了广泛的应用于推广.与传统的电压模式控制相比,电路模式控制具有更快的瞬间反应与良好的闭环稳定性,且周期性的过流关断更好的保护着设备与其他器材.MOS电流模逻辑电路作为重要的器件除了有着以上的优点之外,还拥有着高频下降低功率,抗干扰、高速、低功率等特点.
1MOS电路模逻辑电路设计特点
1.1MOS管电路的结构特性
从MOS管的主要特性可知,MOS管电路不但工作的基本条件依赖于直流偏置,其使得MOS管一直工作在一个固定直流工作点上,而电路的功能只要是处理交流信号,例如对于交流电的信号放大.根据MOS管电路和信号的特点,就可以直接去确定提供的直流通道和交流通道的过程,即时使用MOS管电路中可以同时处理直流信号与交流信号,两种状态的电流通道可以同时存在于同一个MOS管电路当中.
(1)直流通道提供了电路的工作基础,没有直流通道电路就不能正常工作.同时,直流通道所引起的电路工作状态叫做电路的静态,电路的静态是分析电路的基础.(2)交流通道提供了电路的基本功能特征,交流通道所引起的电路交流状态以静态为基础.不同的静态将会引起不同的交流状态特征,例如电流和电压的变化范围.
从上分析可知,MOS管电路的静态设计直接决定了电路的特性,而实际上使用MOS管的电流镜、差分电路、有源负载等都有上述功能,也就是我们可以使用MOS管的静态特性来确保电路的稳定与保证电路开关不受到影响.
1.2叠加分析是分析的基本概念
根据当前电子电路的基本理论可知,MOS管电路的交流状态时以静态为主要基础的,即对于交流信号处理的状态时以直流偏置为核心的,因此在整个MOS管电路工作交流与静态直流同时存在时,是否会直接相互影响.如果交流状态对于直流静态有明显的影响,则MOS管的交流状态则无法直接确定.
为了解决上述问题,在半导体电路的分析理论与技术中,根据MOS管静态工作点在特性曲线中的位置,采用线性时不变的分析方法.
(1)如果在交流信号变化范围内,可以把MOS管看成是线性器件,则认为交流状态不会引起静态工作点的变化,即交流状态对静态无影响.(2)如果认为MOS管在分析所限定的时间内,其参数不会发生变化,则认为MOS管是一个时不变器件.只要偏置条件不发生变化,交流状态对静态没有影响,静态工作点也不会变化.根据MOS管跨导:
(1)
可以看出,随着ID的变化,gm也会发生变化.由此可知,MOS管电路分析必须限制交流信号的变化范围,这样做的目的是为了把电路限制在LTI(线性时不变)范围内.
2MOS管的应用流程方法
在MOS管应用过程中,其主要采用在开关性能应用上,电子开关的电路管理中,它能够保证在突发情况下,保证电器不受到直接的损坏.常见的使用电路在于开关电源和马达驱动,也有照明调光.因此在整个设计流程中应当注意以下几个应用方法,确保MOS管的稳定性.
2.1低压的应用.
在使用低压电源过程中,如果这时候使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V.如果我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就会出现一定的电压风险.如果在3V甚至更低的电压电源场合上也会有一样的风险.
2.2宽电压的应用
由于输入电压并不是简单的固定值,在很多时候在宽电压的应用会随着时间或者其他因素将会产生变动.这个变动将会导致PWM电路提供给MOS的驱动电压将会出现不稳定,而容易烧坏MOS管.
为了保证MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值.在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压时,静态电压功耗将会剧烈增加,从而保证了MOS管的稳定.
同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗.
2.3双电压的应用
在一些经典控制电路的应用当中,由于逻辑部分电压采用经典的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压,两个地方的电压采用共地方式进行连接.这就需要使用一个电路,使得低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管的功耗,并且高压侧也能通过MOS管直接对1和2中的问题进行解决.
3结语
根据上述分析,可以建立如下几个MOS管电路分析的基本概念有以下几点.
(1)固定电路的偏置后,电路的静态决定了电路的特性.(2)采用MOS管小信号模型对电路进行分析.这实际上意味着小信号是电路的重要约束条件,电路模型和特性只有在信号和静态满足这个条件时才是正确的.(3)分析电路时必须先进行直流分析,确定静态后再分析交流特性.(4)在小信号条件下,MOS管电路的直流分析和交流分析结果满足叠加原理.(5)小信号是MOS管信号处理电路分析和仿真中各种条件设计的基础.(6)必须保证在所限定的信号频率条件下,MOS管和其他元件等效电路模型仍然适用.否则,必须重新建立电路的模型.(7)对于比较复杂的MOS管电路,在确定LTI条件后,可以通过建立电路宏模型的方法对电路进行分析.
上述是MOS管电路的基本分析概念,也是MOS管电路设计、应用流程处理中注意的几个重要方法.