场效应管MOSFET介绍及应用电路

前几天给大家讲了一下晶体管BJT，今天讲一下场效应管-MOSFET。

场效应管MOSFET与BJT的不同之处在于BJT需要向基极引脚施加电流，以便于集电极和发射极引脚之间流动。另一方面，场效应管MOSFET只需要栅极引脚上的电压来允许电流在漏极和源极引脚之间流动。场效应管MOSFET在实际设计中具有非常高的栅极阻抗，这就决定了MOSFET的一个特点，非常擅长降低电路的运行所需要的功率。

先来简单介绍一下场效应管MOSFET。

什么是场效应管MOSFET?

场效应管MOSFET 是具有源极 (S)、栅极 (G)、漏极 (D) 和体 (B) 端子的四端子器件。通常，场效应管MOSFET的主体与源极端子相连，从而形成三端器件，例如场效应晶体管。场效应管MOSFET 通常被认为是一种晶体管，并用于模拟和数字电路。

场效应管MOSFET的一般结构如下所示：

场效应管MOSFET

P沟道场效应管MOSFET和N沟道场效应管MOSFET

P沟道场效应管MOSFET：如果要工作，源极电压 (VS ) 必须比栅极电压 (VG )大，且栅源电压(VGS)不能小于漏源电压 (VDS )。

N沟道场效应管MOSFET：如果要工作，栅极电压 (VG ) 必须比源极电压 (VS ) 大，且漏源电压 (VDS )不能小于栅源电压(VGS)。

下图为这两种场效应管MOSFET类型的原理图符号。

场效应管MOSFET原理图符号图

场效应管MOSFET的应用

一、场效应管MOSFET用作开关

MOSFET很容易饱和，这就意味着说，MOSFET完全打开，且非常可靠，可以在饱和区域之间进行非常快速的切换，这就意味着MOSFET可以用作开关，尤其是适用于电机、灯等大功率应用。

在实际应用中，可以使用与大功率设备相同的电源来操作MOSFET，使用机械开关施加栅极电压。如下图所示，使用的是N沟道MOSFET。

或者也可以使用电子信号，例如微控制器激活MOSFET。P沟道MOSFET

N沟道MOSFET

N沟道MOSFET开关电路图

当按下按钮时，LED亮起。1kΩ 电阻充当下拉电阻，将栅极电压保持在与电池负极端子相同的电位，直到按下按钮。这会在栅极施加正电压，打开漏极和源极引脚之间的通道，并允许电流流过 LED。

P沟道MOSFET

P沟道MOSFET开关电路图

二、场效应管MOSFET用作电机驱动电路

N沟道MOSFET

如下图所示，两个二极管反向偏置放置在电机触点和MOSFET漏极/源极引脚上。

N 沟道 MOSFET 电机驱动电路

P沟道MOSFET

P沟道MOSFET电机驱动电路

双向运行控制器

如果想要一个可以双向运行的电机控制器，就把上面两个电路结合起来，如下图所示。

双向电机驱动电路

三、场效应管MOSFET应用在逻辑门电路中

在这之前，先简单介绍一下逻辑门。

双输入与门(AND)

双输入与门(AND)是最容易理解的逻辑。如下图所示。

与门逻辑图

只有两个输入都为高时，与门(AND)的输出才会为高。如果任一输入为低电平，则输出也为低电平。下图为真值表图。

与门真值表

与非门(NAND)

下图为与非门(NAND)的真值表，关于数字逻辑中的使用的逻辑门，如果大家感兴趣，我将在之后的文章进行总结。

与非门真值表

逻辑门中的MOSFET

由于MOSFET很容易在低电压和几乎可以忽略不计的电流下饱和(完全导通)，就可以用它构建上面的逻辑门，进而构建及其可靠的数字逻辑系统来处理数据。

非门(NOT)

如下图所示。PB1 将两个 MOSFET 栅极连接到 +6V，但只有 ZVN 会以正电压打开。但是，当它打开时，它将输出连接到 GND，因此 + 输入在输出处变为 GND。相反，当我们通过 PB2 将 GND 施加到输入时，只有 ZVP 打开，将输出连接到 +6V，再次反转信号。

非门电路图

内部的与非门(NAND)

与非门使用4个MOSFET，如下图所示。

只有当 SWA 和 SWB 都为高电平(逻辑 1)时，LED 才会关闭(逻辑 0)。

与非门的电路图

如果将上面两个图结合起来会发生上面?会不会是负负得正?如下图所示。

内部的与非门

从上图中可以看出来，外部的与非门(NAND)是与门(AND)的否定，但内部的与门(AND)实际上是由一个与非门(NAND)和一个非门(NOT)组成。所以实际上的与门也就是非与非门。

或门(OR)

如下图所示，或门就是或非门(NOR)和非门(NOT)组成的。

异或门(XOR)

如下图所示，异或门也就是同或门(XNOR)和非门(NOT)组成。

异或门(XOR)

由上面几个可以证明，不管什么逻辑门，都可以用有限数量的与非门构成。

四、逻辑电路

这个电路相对来说很简单，不过需要大量的N沟道和P沟道MOSFET或者逻辑芯片。

在使用逻辑芯片的时候要注意以下几个点：

1)一定要避免任何静电积聚或者放电，以免损坏芯片。

2)每个芯片都有一个用于 +V 的公共引脚和一个公共 GND 引脚，这个在原理图上很容易找到。

3)任何未使用的输入引脚都应连接到 GND

4)逻辑芯片并不是用于大负载(如电机等)的大电流驱动器。

下面将从一个简单的LED闪光灯开始。

LED闪光灯

使用两个或非门就可以构建一个振荡器。如下图所示。

振荡器

如果想要两个来回闪烁的LED，则LED2和R2都是可以选择的。不然的话LED1将以R1和C1的值确定速率闪烁开/关。

设置/复位锁存器

设置/复位锁存器是时序逻辑的关键组件。

一组 8 个锁存器将形成一个 8 位存储单元的核心结构。在内存中，SR 锁存器称为 D 锁存器(数据)，它与系统内核时钟一起用于确定何时进行锁存。具体如下图所示。

复位锁存器

上面这个电路更多的是概念演示，因为在实际应用上，通常锁存器只要一个输出就够了，当按下按钮时状态之间的输出触发器时，它们将始终处于彼此相反的状态。

当然也可以将此处的一个输出连接到第二个电路，并且将锁存器用作第二个电路的“推开”非机械开关。

两位输出的半加器

单个的异或门(XOR)可以用作1位二进制加法器，通常添加两个与非门(NAND)，就可以做成一个带有两位输出的半加器。

先做一个或门(OR)，如下图所示，由3个与非门(NAND)门组成。

半加器

在将或门(OR)更改为或非门(NOR)，只需要在 U3 的输出和 LED 之间添加第四个与非门 NAND，并将 U4 的两个输入连接在一起就可以了。

再次使用与非门(NAND)，可以构建一个同或门(XNOR)。

XNOR

将 U5 移除并将 U4 的输出连接到 R3，就可以得到一个 XOR 门。

单个的异或门(XOR)可以用作1位二进制加法器，通常添加两个与非门(NAND)，就可以做成一个带有两位输出的半加器。

全加器

全加器需要进行一些更改(添加一个异或门( XOR)、两个与非门(NAND) 和一个或门(OR))，其中添加一个输入来处理来自前一个加法器的进位信号。然后将几个加法器堆叠在一起，每个位一个加法器，以构建一个加法机。

PB1 是位 A，PB2 是位 B，PB3 是前一个加法器块的进位位。如果我们只按PB1或PB2，我们是加1+0，只有LED 2会亮，表示值为1。如果我们同时按PB1和PB2，表示二进制加1+1，即二进制10 (表示为 10b)。这将点亮 LED1 并关闭 LED2。如果我们然后按 PB3 并再添加 1，我们得到 11b，两个 LED 都亮起。

4位加法器

右边的第一个块(带有 A0 和 B0)可以用半加器交换，而不影响输出。它只是删除了第一个全加器上的进位(Cin)，无论如何，它在这里连接到 GND。

在这个例子中，我们将两个 4 位数字 A 和 B 相加。每个 (A0 和 B0) 的第一位在右侧相加，结果发送到 S0，任何进位位 (C1) 发送到下一个加法器. 然后将 A1 和 B1 以及来自第一个加法器的 C1 相加，结果进入输出 S1，任何进位位都在 (C2) 上发送。最后一个加法器要么显示最后的进位位 (C4)，如果有的话，或者如果没有空间或它不重要，则忽略它。

4 位比较器数字锁

如前所述，异或门(XOR )可以用作加法器，但它们也是比较器，如果两个输入相同，则输出一个状态，如果两个输入不同，则输出反转状态。这使我们能够检查引脚的状态，并仅在正确时进行切换和输出。