拋開教材，從實用的角度聊聊MOS管
[導(dǎo)讀]大家好，當我說到MOS管的時候呢，你的腦子里可能是一團糨糊的。大部分的教材都會告訴你長長的一段話：MOS管全稱金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，英文名Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，屬于絕緣柵極場效晶體管，以硅片為秤體，利...
大家好，當我說到MOS管的時候呢，你的腦子里可能是一團糨糊的。
大部分的教材都會告訴你長長的一段話：MOS管全稱金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，英文名Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，屬于絕緣柵極場效晶體管，以硅片為秤體，利用擴散工藝制作.......有N溝道和P溝道兩個型。不僅如此，它還有兩個兄弟，分別是結(jié)型場效應(yīng)管以及晶體場效應(yīng)管.......
面對這么大一段話，我不知道你有沒有搞明白，反正我大學(xué)里是完全沒有搞明白，學(xué)了一個學(xué)期就學(xué)了個寂寞。
那為什么這些教材要這么的反人類，他們難道就不能好好寫說人話嗎？
我大概分析了一下，因為同一本教材他需要面對不同專業(yè)的學(xué)生，所以教材最重要的是嚴謹。和全面相比是不是通俗易懂就沒有那么重要了。而且一般的教材也不會告訴你學(xué)了有什么用，這就導(dǎo)致了在學(xué)習(xí)中你很容易迷失在這些概念中，抓不到重點。
那本文呢，我想根據(jù)自己的工作學(xué)習(xí)經(jīng)歷，拋開書本上這些教條的框架，從應(yīng)用側(cè)出發(fā)來給大家介紹一下MOS管里面最常見也是最容易使用的一種：增強型NMOS管，簡稱NMOS。當你熟悉了這個NMOS的使用之后呢，再回過頭去看這個教材上的內(nèi)容，我相信就會有不同的體會了。
NMOS的用法
首先來看這么一張簡單的圖（圖1），我們可以用手去控制這個開關(guān)的開合，以此來控制這個燈光的亮滅。
圖1
那如果我們想要用Arduino或者單片機去控制這個燈泡的話呢，就需要使用MOS管來替換掉這個開關(guān)了。為了更加符合我們工程的實際使用習(xí)慣呢，我們需要把這張圖稍微轉(zhuǎn)換一下，就像如圖2這樣子。
圖2
那這兩張圖是完全等價的，我們可以看到MOS管是有三個端口，也就是有三個引腳，分別是gate，drain和source。至于為啥這么叫并不重要，只要記住他們分別簡稱g、d、s就可以。
圖3
我們把單片機的一個IO口接到這個MOS管的gate端口，就可以控制這個燈泡的亮滅了。當然別忘了供電。當這個單片機的IO口輸出為高的時候，NMOS就等效為這個被閉合的開關(guān)，指示燈光就會被打開；那輸出為低的時候呢，這個NMOS就等效為這個開關(guān)被松開了，那此時這個燈光就被關(guān)閉，是不很簡單。
那如果我們不停的切換這個開關(guān)，那燈光就會閃爍。如果切換的這個速度再快一點，因為人眼的視覺暫留效應(yīng)，燈光就不閃爍了。此時我們還能通過調(diào)節(jié)這個開關(guān)的時間來調(diào)光，這就是所謂的PWM波調(diào)光，以上就是MOS管最經(jīng)典的用法，它實現(xiàn)了單片機的IO口控制一個功率器件。當然你完全可以把燈泡替換成其他的器件。器件比如說像水泵、電機、電磁鐵這樣的東西。
圖4 PWM波調(diào)光
如何選擇NMOS
明白了NMOS的用法之后呢，我們來看一下要如何選擇一個合適的NMOS，也就是NMOS是如何選型的。
那對于一個初學(xué)者來說，有四個比較重要的參數(shù)需要來關(guān)注一下。第一個是封裝，第二個是vgsth，第三個是Rdson上，第四個是Cgs。
封裝比較簡單，它指的就是一個MOS管這個外形和尺寸的種類也有很多。一般來說封裝越大，它能承受的電流也就越大。為了搞明白另外三個參數(shù)呢，我們先要來介紹一下NMOS的等效模型。
圖5 NMOS等效模型
MOS其實可以看成是一個由電壓控制的電阻。這個電壓指的是g、s兩端的電壓差，電阻指的是d、s之間的電阻。這個電阻的大小呢，它會隨著g、s電壓的變化而產(chǎn)生變化。當然它們不是線性對應(yīng)的關(guān)系，實際的關(guān)系差不多像這樣的，橫坐標是g、s電壓差。
圖6?Rds與Vgs關(guān)系圖
縱坐標是電阻的值，當g、s的電壓小于一個特定值的時候呢，電阻基本上是無窮大的。然后這個電壓值大于這個特定值的時候，電阻就接近于零，至于說等于這個值的時候會怎么樣，我們先不用管這個臨界的電壓值，我們稱之為vgsth，也就是打開MOS管需要的g、s電壓，這是每一個MOS管的固有屬性，我們可以在MOS管的數(shù)據(jù)手冊里面找到它。
圖7 MOS管數(shù)據(jù)手冊
顯然vgsth一定要小于這個高電平的電壓值，否則的話就沒有辦法被正常的打開。所以在你選擇這個MOS管的時候，如果你的高電平是對應(yīng)的5V，那么選3V左右的vgsth是比較合適的。太小的話會因為干擾而誤觸發(fā)，太大的話又打不開這個MOS管。
接下來我們再來看看NMOS的第二個重要參數(shù)Rdson，剛才有提到NMOS被完全打開的時候，它的電阻接近于零。但是無論多小，它總歸是有一個電阻值的，這就是所謂的Rdson。它指的是NMOS被完全打開之后，d、s之間的電阻值。同樣的你也可以在數(shù)據(jù)手冊上找到它。這個電阻值當然是越小越好。越小的話呢，它分壓分的少，而且發(fā)熱也相對比較低。但實際情況一般Rdson越小，這個NMOS的價格就越高，而且一般對應(yīng)的體積也會比較大。所以還是要量力而行，選擇恰好合適。
最后說一下Cgs，這個是比較容易被忽視的一個參數(shù)，它指的是g跟s之間的寄生電容。所有的NMOS都有，這是一個制造工藝的問題，沒有辦法被避免。
那它會影響到NMOS打開速度，因為加載到gate端的電壓，首先要給這個電容先充電，這就導(dǎo)致了g、s的電壓并不能一下子到達給定的一個數(shù)值。
圖8
它有一個爬升的過程。當然因為Cgs比較小，所以一般情況下我們感覺不到它的存在。但是當我們把這個時間刻度放大的時候，我們就可以發(fā)現(xiàn)這個上升的過程了。對于這個高速的PWM波控制場景是致命的。當PWM波的周期接近于這個爬升時間時，這個波形就會失真。一般來說Cgs大小和Rdson是成反比的關(guān)系。Rdson越小，Cgs就越大。所以大家要注意平衡他們之間的關(guān)系。
以上就是關(guān)于NMOS大家需要初步掌握的知識了。END
作者：Tamia原文地址：https://www.xiaopingtou.net/article-104327.html版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。
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大部分的教材都會告訴你長長的一段話：MOS管全稱金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，英文名Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，屬于絕緣柵極場效晶體管，以硅片為秤體，利用擴散工藝制作.......有N溝道和P溝道兩個型。不僅如此，它還有兩個兄弟，分別是結(jié)型場效應(yīng)管以及晶體場效應(yīng)管.......
面對這么大一段話，我不知道你有沒有搞明白，反正我大學(xué)里是完全沒有搞明白，學(xué)了一個學(xué)期就學(xué)了個寂寞。
那為什么這些教材要這么的反人類，他們難道就不能好好寫說人話嗎？
我大概分析了一下，因為同一本教材他需要面對不同專業(yè)的學(xué)生，所以教材最重要的是嚴謹。和全面相比是不是通俗易懂就沒有那么重要了。而且一般的教材也不會告訴你學(xué)了有什么用，這就導(dǎo)致了在學(xué)習(xí)中你很容易迷失在這些概念中，抓不到重點。
那本文呢，我想根據(jù)自己的工作學(xué)習(xí)經(jīng)歷，拋開書本上這些教條的框架，從應(yīng)用側(cè)出發(fā)來給大家介紹一下MOS管里面最常見也是最容易使用的一種：增強型NMOS管，簡稱NMOS。當你熟悉了這個NMOS的使用之后呢，再回過頭去看這個教材上的內(nèi)容，我相信就會有不同的體會了。
NMOS的用法
首先來看這么一張簡單的圖（圖1），我們可以用手去控制這個開關(guān)的開合，以此來控制這個燈光的亮滅。
圖1
那如果我們想要用Arduino或者單片機去控制這個燈泡的話呢，就需要使用MOS管來替換掉這個開關(guān)了。為了更加符合我們工程的實際使用習(xí)慣呢，我們需要把這張圖稍微轉(zhuǎn)換一下，就像如圖2這樣子。
圖2
那這兩張圖是完全等價的，我們可以看到MOS管是有三個端口，也就是有三個引腳，分別是gate，drain和source。至于為啥這么叫并不重要，只要記住他們分別簡稱g、d、s就可以。
圖3
我們把單片機的一個IO口接到這個MOS管的gate端口，就可以控制這個燈泡的亮滅了。當然別忘了供電。當這個單片機的IO口輸出為高的時候，NMOS就等效為這個被閉合的開關(guān)，指示燈光就會被打開；那輸出為低的時候呢，這個NMOS就等效為這個開關(guān)被松開了，那此時這個燈光就被關(guān)閉，是不很簡單。
那如果我們不停的切換這個開關(guān)，那燈光就會閃爍。如果切換的這個速度再快一點，因為人眼的視覺暫留效應(yīng)，燈光就不閃爍了。此時我們還能通過調(diào)節(jié)這個開關(guān)的時間來調(diào)光，這就是所謂的PWM波調(diào)光，以上就是MOS管最經(jīng)典的用法，它實現(xiàn)了單片機的IO口控制一個功率器件。當然你完全可以把燈泡替換成其他的器件。器件比如說像水泵、電機、電磁鐵這樣的東西。
圖4 PWM波調(diào)光
如何選擇NMOS
明白了NMOS的用法之后呢，我們來看一下要如何選擇一個合適的NMOS，也就是NMOS是如何選型的。
那對于一個初學(xué)者來說，有四個比較重要的參數(shù)需要來關(guān)注一下。第一個是封裝，第二個是vgsth，第三個是Rdson上，第四個是Cgs。
封裝比較簡單，它指的就是一個MOS管這個外形和尺寸的種類也有很多。一般來說封裝越大，它能承受的電流也就越大。為了搞明白另外三個參數(shù)呢，我們先要來介紹一下NMOS的等效模型。
圖5 NMOS等效模型
MOS其實可以看成是一個由電壓控制的電阻。這個電壓指的是g、s兩端的電壓差，電阻指的是d、s之間的電阻。這個電阻的大小呢，它會隨著g、s電壓的變化而產(chǎn)生變化。當然它們不是線性對應(yīng)的關(guān)系，實際的關(guān)系差不多像這樣的，橫坐標是g、s電壓差。
圖6?Rds與Vgs關(guān)系圖
縱坐標是電阻的值，當g、s的電壓小于一個特定值的時候呢，電阻基本上是無窮大的。然后這個電壓值大于這個特定值的時候，電阻就接近于零，至于說等于這個值的時候會怎么樣，我們先不用管這個臨界的電壓值，我們稱之為vgsth，也就是打開MOS管需要的g、s電壓，這是每一個MOS管的固有屬性，我們可以在MOS管的數(shù)據(jù)手冊里面找到它。
圖7 MOS管數(shù)據(jù)手冊
顯然vgsth一定要小于這個高電平的電壓值，否則的話就沒有辦法被正常的打開。所以在你選擇這個MOS管的時候，如果你的高電平是對應(yīng)的5V，那么選3V左右的vgsth是比較合適的。太小的話會因為干擾而誤觸發(fā)，太大的話又打不開這個MOS管。
接下來我們再來看看NMOS的第二個重要參數(shù)Rdson，剛才有提到NMOS被完全打開的時候，它的電阻接近于零。但是無論多小，它總歸是有一個電阻值的，這就是所謂的Rdson。它指的是NMOS被完全打開之后，d、s之間的電阻值。同樣的你也可以在數(shù)據(jù)手冊上找到它。這個電阻值當然是越小越好。越小的話呢，它分壓分的少，而且發(fā)熱也相對比較低。但實際情況一般Rdson越小，這個NMOS的價格就越高，而且一般對應(yīng)的體積也會比較大。所以還是要量力而行，選擇恰好合適。
最后說一下Cgs，這個是比較容易被忽視的一個參數(shù)，它指的是g跟s之間的寄生電容。所有的NMOS都有，這是一個制造工藝的問題，沒有辦法被避免。
那它會影響到NMOS打開速度，因為加載到gate端的電壓，首先要給這個電容先充電，這就導(dǎo)致了g、s的電壓并不能一下子到達給定的一個數(shù)值。
圖8
它有一個爬升的過程。當然因為Cgs比較小，所以一般情況下我們感覺不到它的存在。但是當我們把這個時間刻度放大的時候，我們就可以發(fā)現(xiàn)這個上升的過程了。對于這個高速的PWM波控制場景是致命的。當PWM波的周期接近于這個爬升時間時，這個波形就會失真。一般來說Cgs大小和Rdson是成反比的關(guān)系。Rdson越小，Cgs就越大。所以大家要注意平衡他們之間的關(guān)系。
以上就是關(guān)于NMOS大家需要初步掌握的知識了。END
作者：Tamia原文地址：https://www.xiaopingtou.net/article-104327.html版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。
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