MOSFET在開關(guān)電路中的應(yīng)用
在一些簡(jiǎn)單的小功率開關(guān)電路中，利用雙極結(jié)型三極管（BJT，Bipolar Junction Transistor）作為開關(guān)管時(shí)可能會(huì)遇到輸入電流不足，BJT工作狀態(tài)無法正確配置，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)電路功能的情況。
例如圖1所示的一個(gè)使用BJT SS8050LT作為開關(guān)管的加熱控制電路，BJT為共射極連接。將BJT視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，輸入端口為電阻與NTC型熱敏電阻構(gòu)成的基極分壓回路，參數(shù)分別為基極-發(fā)射極電壓以及流入基極的電流；輸出端口沒有連接任何負(fù)載，參數(shù)分別為集電極與發(fā)射極兩端的電壓和集電極電流。49Ω基極電阻作為發(fā)熱器件，由8個(gè)390Ω電阻并聯(lián)而成。
圖1 BJT加熱控制電路
圖1所示的加熱控制電路設(shè)計(jì)的功能可描述為：當(dāng)環(huán)境溫度為常溫25℃時(shí)，熱敏電阻的阻值為10.000kΩ，基極-發(fā)射極電壓，BJT未導(dǎo)通，電路未工作；當(dāng)環(huán)境溫度下降到10℃時(shí)，熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，基極-發(fā)射極電壓，BJT導(dǎo)通，集電極電流流過基極電阻，電阻發(fā)熱，電路正常工作。
顯然，電路中BJT的工作狀態(tài)需要處于飽和區(qū)內(nèi)，保證電壓盡可能多的電壓落在基極電阻的兩端，提高電阻的發(fā)熱功率。根據(jù)BJT的工作原理可知，BJT的發(fā)射極和集電極均處于正向偏置的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。在這一區(qū)域內(nèi)，一般有，因而集電極內(nèi)電場(chǎng)被削弱，集電極收集載流子的能力減弱，這時(shí)電流分配關(guān)系不再滿足，隨增加而迅速上升，如圖2所示。飽和區(qū)內(nèi)的很小，稱為BJT的飽和壓降，其大小與及有關(guān)。圖中虛線是飽和區(qū)與放大區(qū)的分界線，稱為臨界飽和線。對(duì)于小功率管，可以認(rèn)為當(dāng)（即）時(shí)，BJT處于臨界飽和（或臨界放大）狀態(tài)。
圖2 BJT SS8050LT共射極連接時(shí)的輸出特性曲線
要想使BJT工作在飽和區(qū)內(nèi)，就要增大基極-發(fā)射極電壓，而環(huán)境溫度越低，熱敏電阻阻值越大，從而增大。但是必須注意到，BJT輸入端口的基極分壓回路電阻越大，輸入電流則越小。具體來說，在BJT導(dǎo)通后，基極-發(fā)射極電壓，基極分壓回路總電流，從圖1.2中可以看出，流入基極的電流太小，BJT無法工作在正常狀態(tài)下，電路功能無法實(shí)現(xiàn)。而且由于NTC型熱敏電阻的器件選型限制，無法改用更小阻值的分壓電阻來降低基極分壓回路的總電阻值。
對(duì)于這種BJT流控器件的限制，可以采用MOSFET壓控器件來代替。
一、原理描述
MOSFET全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管。隨著制造工藝的成熟，MOSFET兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。而且MOSFET還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中占有重要的地位。
作為一種場(chǎng)效應(yīng)管（FET），MOSFET為單極型器件，即管子只有一種載流子（電子或空穴）導(dǎo)電。從導(dǎo)電載流子的帶電極性來看，MOSFET有N（電子型）溝道和P（空穴型）溝道之分；按照導(dǎo)電溝道形成機(jī)理不同，又有增強(qiáng)型（E型）和耗盡型（D型）的區(qū)別。忽略MOSFET的工作原理，不同類型的管子特性比較如表3所示。
表3 各種MOSFET的特性比較
由表3中可知，在MOSFET中，N溝道增強(qiáng)型的轉(zhuǎn)移特性有正的開啟電壓，P溝道增強(qiáng)型則為負(fù)的；N溝道耗盡型的轉(zhuǎn)移特性有負(fù)的夾斷電壓，P溝道耗盡型則為正的。MOSFET的輸出特性曲線與BJT的類似，不同的是輸出端口的漏極電流由柵源極電壓控制。因此，MOSFET是一種電壓控制電流的器件，輸出特性的分析也不一樣。
以N溝道增強(qiáng)型MOSFET AO3400A舉例，AO3400A的輸出特性如圖4所示。將曲線圖分為三個(gè)區(qū)域，分別為截止區(qū)、可變電阻區(qū)、飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）。
1)截止區(qū)
當(dāng)時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，，為截止工作狀態(tài)。
2)可變電阻區(qū)
當(dāng)時(shí)，MOSFET處于可變電阻區(qū)，此時(shí)輸出電阻受控制。
3)飽和區(qū)
當(dāng)，且時(shí)，MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)。不隨變化，而是由柵源極電壓控制。
圖4 AO3400A輸出特性
二、方案論證
根據(jù)上述MOSFET的原理敘述，在上面提到的加熱控制電路中應(yīng)該采用N溝道增強(qiáng)型MOSFET代替原有的BJT，這里選擇AO3400A，于是有如圖5所示的MOSFET共源極放大電路。由于MOSFET是電壓控制器件，所以提供合適的柵源極電壓，就可以建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路工作在正常狀態(tài)。
圖5 MOSFET加熱控制電路
根據(jù)N溝道增強(qiáng)型MOSFET AO3400A的數(shù)據(jù)手冊(cè)，AO3400A的開啟電壓在常溫25℃下為。當(dāng)環(huán)境溫度下降到10℃時(shí)，電路開始工作。此時(shí)NTC型熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，MOSFET導(dǎo)通，即柵源極電壓，在這里需要將分壓電阻的阻值調(diào)整為47kΩ。隨著溫度的下降，柵源極電壓增大，流過發(fā)熱電阻的電流也隨著增大。
舉例說明，當(dāng)環(huán)境溫度下降到-20℃時(shí)，熱敏電阻的阻值增大至67.801kΩ，柵源極電壓增大至。使用萬用表實(shí)測(cè)得到漏源極電壓，說明MOSFET工作在可變電阻區(qū)內(nèi)；同時(shí)測(cè)得漏極電流，可計(jì)算得到發(fā)熱電阻的功率為，實(shí)際發(fā)熱效果可靠，電路功能實(shí)現(xiàn)。
