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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 

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MOS管種類和結(jié)構(gòu)

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(yīng)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(dǎo)通電阻小,且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達驅(qū)動的應(yīng)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(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計或選擇驅(qū)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(qū)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(nèi)部通常是沒有的。

MOS管導(dǎo)通特性

導(dǎo)通的意思是作為開關(guān),相當于開關(guān)閉合。NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通,適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)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(dǎo)通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動,但由于導(dǎo)通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動中,通常還是使用NMOS。

MOS開關(guān)管損失

不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)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(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗?,F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。MOS在導(dǎo)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(nèi),MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開關(guān)頻率越快,損失也越大。導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大??s短開關(guān)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。

MOS管和CMOS

MOS管和CMOS

MOS管驅(qū)動

跟雙極性晶體管相比,一般認為使MOS管導(dǎo)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(jié)構(gòu)中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)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(shè)計MOS管驅(qū)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(qū)動的NMOS,導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)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(tǒng)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(qū)動器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高,導(dǎo)通速度越快,導(dǎo)通電阻也越小?,F(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,一般4V導(dǎo)通就夠用了。

MOS管集成電路

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(guī)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(shù)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(jié)省了硅片面積,而且簡化了工藝利于大規(guī)模集成。常用的符號如圖所示。

MOS管和CMOS

CMOS介紹

CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)的縮寫。它是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)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(shè)置完電腦硬件參數(shù)后的數(shù)據(jù),這個芯片僅僅是用來存放數(shù)據(jù)的。而對BIOS中各項參數(shù)的設(shè)定要通過專門的程序。BIOS設(shè)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(shè)置程序,方便地對系統(tǒng)進行設(shè)置。因此BIOS設(shè)置有時也被叫做CMOS設(shè)置。


CMOS集成電路的性能及特點


(1)功耗低

CMOS集成電路采用場效應(yīng)管,且都是互補結(jié)構(gòu),工作時兩個串聯(lián)的場效應(yīng)管總是處于一個管導(dǎo)通,另一個管截止的狀態(tài),電路靜態(tài)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(tài)功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW,動態(tài)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(wěn)壓。國產(chǎn)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(shù)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(lián)電阻構(gòu)成的保護網(wǎng)絡(luò),故比一般場效應(yīng)管的輸入電阻稍小,但在正常工作電壓范圍內(nèi),這些保護二極管均處于反向偏置狀態(tài),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(qū)動電路的功率。

(6)溫度穩(wěn)定性能好

由于CMOS集成電路的功耗很低,內(nèi)部發(fā)熱量少,而且,CMOS電路線路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)都具有對稱性,在溫度環(huán)境發(fā)生變化時,某些參數(shù)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(shù)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(qū)動同類型,如不考慮速度,一般可以驅(qū)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(shù)載流子導(dǎo)電器件。各種射線、輻射對其導(dǎo)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(shè)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(qū)動,也容易驅(qū)動其他類型的電路或器件。


CMOS集成電路的工作原理

以CMOS集成電路中的一個最基本電路——反相器(其他復(fù)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(gòu)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(shè)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(dǎo)通,所以輸出電壓V0為高電平“1”(VDD),實現(xiàn)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(dǎo)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(guān)系。

由上述分析可知,當輸入信號為“0”或“1”的穩(wěn)定狀態(tài)時,電路中的兩個MOS管總有一個處于截止狀態(tài),使得VDD和VSS之間無低阻抗直流通路,因此靜態(tài)功耗極小。這便是CMOS集成電路最主要的特點。


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