MOS管，CMOS-MOS管CMOS集成電路、工作原理解析以及簡單比較-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-07-19
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管型號和增強型的P溝道MOS管型號，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。對于這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易制造。所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。 MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細介紹。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅動感性負載，這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒有的。
導通的意思是作為開關，相當于開關閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS。
不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。
跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。在MOS管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里，但在12V汽車電子系統里，一般4V導通就夠用了。
MOS集成電路特點：制造工藝比較簡單、成品率較高、功耗低、組成的邏輯電路比較簡單，集成度高、抗干擾能力強，特別適合于大規模集成電路。
MOS集成電路包括:NMOS管組成的NMOS電路、PMOS管組成的PMOS電路及由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路，即CMOS電路。
PMOS門電路與NMOS電路的原理完全相同，只是電源極性相反而已。
數字電路中MOS集成電路所使用的MOS管均為增強型管子，負載常用MOS管作為有源負載，這樣不僅節省了硅片面積，而且簡化了工藝利于大規模集成。常用的符號如圖所示。
CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補金屬氧化物半導體）的縮寫。它是指制造大規模集成電路芯片用的一種技術或用這種技術制造出來的芯片，是電腦主板上的一塊可讀寫的RAM芯片。因為可讀寫的特性，所以在電腦主板上用來保存BIOS設置完電腦硬件參數后的數據，這個芯片僅僅是用來存放數據的。而對BIOS中各項參數的設定要通過專門的程序。BIOS設置程序一般都被廠商整合在芯片中，在開機時通過特定的按鍵就可進入BIOS設置程序，方便地對系統進行設置。因此BIOS設置有時也被叫做CMOS設置。
（1）功耗低
CMOS集成電路采用場效應管，且都是互補結構，工作時兩個串聯的場效應管總是處于一個管導通，另一個管截止的狀態，電路靜態功耗理論上為零。實際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態功耗（在1MHz工作頻率時）也僅為幾mW。
（2）工作電壓范圍寬
CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩壓。國產CC4000系列的集成電路，可在3~18V電壓下正常工作。
（3）邏輯擺幅大CMOS集成電路的邏輯高電平“1”、邏輯低電平“0”分別接近于電源高電位VDD及電影低電位VSS。當VDD=15V，VSS=0V時，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓利用系數在各類集成電路中指標是較高的。
（4）抗干擾能力強
CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的45%，保證值為電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓（當VSS=0V時），電路將有7V左右的噪聲容限。
（5）輸入阻抗高
CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護二極管和串聯電阻構成的保護網絡，故比一般場效應管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內，這些保護二極管均處于反向偏置狀態，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達103~1011Ω，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅動電路的功率。
（6）溫度穩定性能好
由于CMOS集成電路的功耗很低，內部發熱量少，而且，CMOS電路線路結構和電氣參數都具有對稱性，在溫度環境發生變化時，某些參數能起到自動補償作用，因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為-55 ~ +125℃；塑料封裝的電路工作溫度范圍為-45 ~ +85℃。
（7）扇出能力強
扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當CMOS集成電路用來驅動同類型，如不考慮速度，一般可以驅動50個以上的輸入端。
（8）抗輻射能力強
CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管，屬于多數載流子導電器件。各種射線、輻射對其導電性能的影響都有限，因而特別適用于制作航天及核實驗設備。
（9）可控性好
CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時間可以控制，其輸出的上升和下降時間的典型值為電路傳輸延遲時間的125%~140%。
（10）接口方便
因為CMOS集成電路的輸入阻抗高和輸出擺幅大，所以易于被其他電路所驅動，也容易驅動其他類型的電路或器件。
以CMOS集成電路中的一個最基本電路——反相器（其他復雜的CMOS集成電路大多是由反相器單元組合而成）為例，分析CMOS集成電路的工作過程。
利用一個P溝道MOS管和一個N溝道MOS管互補連接就構成了一個最基本的反相器單元電路如附圖所示。圖2中VDD為正電源端，VSS為負電源端。電路設計采用正邏輯方法，即邏輯“1”為高電平，邏輯“0”為低電平。
圖2中，當輸入電壓VI為低電平“0”（VSS）時，N溝道MOS管的柵-源電壓VGSN=0V（源極和襯底一起接VSS），由于是增強型管，所以管子截止，而P溝道MOS管的柵-源電壓VGSN=VSS—VDD。若|VSS—VDD|>|VTP|（MOS管開啟電壓），則P溝道MOS管導通，所以輸出電壓V0為高電平“1”（VDD），實現了輸入和輸出的反相功能。
當輸入電壓VI為底電平“1”（VDD）時，VGSN=（VDD—VSS）。若（VDD—VSS）>VGSN，則N溝道MOS管導通，此時VGSN=0V，P溝道MOS管截止，所以輸出電壓V0為低電平“0”（VSS），與VI互為反相關系。
由上述分析可知，當輸入信號為“0”或“1”的穩定狀態時，電路中的兩個MOS管總有一個處于截止狀態，使得VDD和VSS之間無低阻抗直流通路，因此靜態功耗極小。這便是CMOS集成電路最主要的特點。
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