耗尽型 MOSFET 的典型用途

电器工程 场效应管 电路设计
2022-01-14 18:09:37

我一直在使用增强型 MOSFET。但我从未见过任何使用耗尽型 MOSFET 的电路。

耗尽型 MOSFET 有哪些典型用例?

3个回答

事实上,它们的使用不是很广泛,但仍有一些理由可以使用。

作为分立器件:

作为一个简单的恒流源

如果您在源极和栅极之间放置一个电阻器,那么您将创建一个恒流源:

在此处输入图像描述

如果电流增加,它会增加电阻器上的电压降,从而降低栅极电压,这会使 MOSFET 稍微关断。如果电流减小,则 MOSFET 会稍微导通。这将始终找到平衡,因此您有一个只有两个组件的电流源,其电流仅取决于电阻器和栅极阈值(虽然不是很准确)。

作为 SMPS 电源启动电路的一部分

这些电源在初级侧(220V 或 110V)使用控制器芯片。芯片需要一些低电压才能运行(通常为 10V),并且该电压可以由变压器上的辅助绕组提供以提高效率(如果您通过使用齐纳二极管降低初级上的高压来为芯片供电,您会浪费一些功率,这在低负载时会变得很重要)。这很好,但是当电源启动时,辅助绕组上还没有电压,因此控制器无法供电并且永远不会启动。

所以,不知何故,你必须通过降低高压来为控制器供电,至少在启动期间是这样。但是,一旦它启动,并且控制器可以通过辅助绕组供电,您想切断这条浪费电力的电流路径。如果你用耗尽型 FET 来做,这很容易:基本上,你只需将其源极设置为控制器的电源引脚,将栅极设置为控制器的地,并将漏极设置为高压(这是简化视图):

在此处输入图像描述

这样,当控制器未通电时,高压为控制器供电(栅极处无电压),一旦控制器通电,高压路径被中断(栅极处为负电压)。使用增强模式 fet 的所有其他方法都会降低效率(更多组件,更复杂,更多浪费的功率)。这就是为什么您能找到的大多数标准耗尽模式场效应晶体管实际上都是高压部件。

作为过压保护元件

此应用仅限于保护信号或低电流电源,因为耗尽型场效应管通常具有非常高的 RDSon。这是典型的电路:

在此处输入图像描述

即使信号电压过高,栅极也会保持在齐纳电压。因此,输出将无法超过 Vz+VGSthreshold,因为 mosfet 将停止导通。它实际上像调节器一样工作并钳制信号。您可以用它来保护 IC 输入,标称情况下的唯一结果是 mosfet 的 RDSon(比电阻和齐纳二极管更低的阻抗)。

注意上面的电路看起来像一个简单的 NPN 调节器。但是,有一个很大的区别:使用 NPN 稳压器时,输出电压为 Vz-0.6V。对于耗尽型 FET,输出电压为 Vz+VGSth。钳位输出高于参考。

另一个使用稳压器的过压保护示例:

在此处输入图像描述

原理与上述相同,只是我们直接使用稳压器输出作为馈入栅极的参考(可以避免齐纳二极管)。这就是 FET 的输出高于参考电压这一事实有用的地方:参考电压是经过调节的 5V,您知道您将允许 VGSth 用于调节器压降。

因此,由于可以很容易地获得用于高额定电压的耗尽型 FET,因此您可以使稳压器能够轻松承受数百伏(对电源电压有用)。再一次,请记住,这只能用于低电流(几十毫安)。

在集成电路内:

它们也曾一度用于逻辑 IC(80 年代初)。

基本上,它们被用作高电平传输元件,而不是现在在 CMOS IC 中使用的 P 型 FET。它主要用作上拉电阻,当输出低时其值变高,以降低功耗,并且在高电平状态下仍然具有低阻抗。反相门示例:

在此处输入图像描述

请参阅“depletion-load_NMOS_logic”维基百科条目


其他资源

有几个应用说明可用于获取更多信息:

  • 来自Infineon,描述了通用耗尽型 FET 的使用(SMPS 启动电路示例来自此文档)。
  • 来自IXYS,描述了许多当前来源的使用情况。(7805 示例电路的过压保护来自此文档)。
  • 来自Maxim,描述了信号的过压保护。
  • 来自ALD,它还提供了有关耗尽型 FET 构造的信息。

耗尽型 FET 在需要非常低电压操作的能量收集中很有用。典型的耗尽型 FET 将优于 Si BJT,甚至比 Ge BJT 做得更好。当然耗尽型 MOSFET 有点少见,但从生产的角度来看,它们是不如 Ge BJT 不受欢迎。另一个用途是在恢复老式收音机时更换 Valve。音频阀很容易找到,但 Radio Valve 有时是 unobtanium。小型高压耗尽模式 MOSFET 具有低栅极电容,使其成为 RF/IF/混频器的潜在候选者。

既不是增强模式也不是耗尽模式的设备怎么样?还是模棱两可?

许多 CMOS 工艺中都有“原生”晶体管。这些是未应用某些注入的晶体管,因此具有非常低的阈值电压。在某些过程中,该阈值变为负值(对于 NMOS),因此是耗尽器件。

它们的存在是为了使它们可用于偏置电路、上拉/下拉到轨和用于轨到轨 (RR) 操作的运算放大器。虽然没有必要拥有原生晶体管来获得 RR 操作。

在偏置电路中,它们非常方便,因此您可以在上电期间进行主动控制(这些电路首先启动)并且还可以增加工作范围,例如经典电流镜不会靠近轨道运行(低于 Vth) . 您可以使用 ative 设备来控制正常设备的亚阈值操作区域。

因此,即使在当今世界,这些设备也比人们想象的要普遍得多。

请注意,这些设备上的 Wikipedia 条目错误地指出还有其他植入物。虽然在某些情况下可能是这样,但据我所知,在大约 5 家不同的代工厂中,这些设备已删除了工艺步骤。