MOS管和比较器

前言

基础知识可以看个人笔记：个人笔记

一、前置器件复习使用

1.比较器工作特性

比较器有两个输入信号||V+和V-；以及一个输出信号Vout

当V+>V-时，Vout为高电平；

当V+<V-时，Vout为低电平

但是并不是所有的比较器都是这样的，这种是属于推挽输出，可以主动的输出高低电平

但是有的比较器内部是开漏输出，只能让信号线输出低电平，这就需要在输出处加一个上拉电阻：

2.光电二极管

光电二极管是远红外线接收管，是一种光能与电能进行转换的器件。PN结型光电二极管充分利用PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化。

在无光照时，与普通二极管一样，具有单向导电性。外加正向电压时，电流与端电压成指数关系，见特性曲线的第一象限；外加反向电压时，反向电流称为暗电流，通常小于0.2μA。

以上图为例子，假设R为100KΩ，当没有接收到红外的时候，Vout输出就是5V

当接收到红外时，产生反向电流，假设为10微安，那么R电阻两端的电压就是：10微安 * 100k = 1V

那么A的电压就是5-1为4V，也就是Vout输出为4V，这就可以利用比较器设计一个红外出水水龙头

3.红外出水水龙头

用到的就是红外接收二极管+比较器+三极管

当收到红外，Vout输出4V，比较器输出Vcc，导通三极管，电机转动；当没有接收到红外的时候，Vout输出就是0V，电机不转动

注意电机是要加一个续流二极管的，因为电机本身其实是个电感，会储能（电流），但突然断开的瞬间，为了维持电路的电流不变，会根据外部电路，产生一个很大的电压（作用在这里的三极管），直到电机存储的电流慢慢减少（主要还是电感流过的电流不能突变的特性）

4.温控风扇工作原理

用PNP管（低边驱动：基极比发射极低 0.7V 才导通）+热敏电阻+三极管模拟实现

假设温度升高，热敏电阻分走电压（比如1V），导致输出的V1为4V，大于比较器的负端，比较器输出端会输出高电平5V，这会导致三极管的基极-集电极不满足-0.7V，无法导通。相反，如果热敏电阻分走了4V，比较器就会输出低电平，集电极-基极大于0.7V，导通，电机工作

二、MOS管

1.前置

1.1 增强型MOS管

d：漏极

g：栅极

s：源极

增强型MOS管是一种无栅压时不导通的MOS管，其导通是由外部施加电压增强形成导电沟道，因此称为“增强型”。

以N型为例子：

• V****GS = 0V（无偏置）时：

• • 没有沟道存在；
  • 漏极与源极之间无导通；
  • 器件处于“关断”状态。

• V****GS > Vth（阈值电压）时（耗尽层拉开形成反型层）：

• • 栅极电压正向增强吸引P衬底中的电子聚集在SiO₂下方；
  • 在P衬底中形成反型的N沟道；
  • 如果再加上VDS（漏源电压），则形成电流从D流向S；
  • MOS管导通，进入“线性区”（ VDS < V****GS - V****th ）或“饱和区”（ VDS ≥ V****GS - V****th ，就是夹断了）工作。

1.2 耗尽型MOS管

对于N沟道：

Ugs可以去通过控制反型层的大小来控制电阻的大小，进而影响Is的流出电流，这和三极管不同，三极管基极的电流是影响不到发射极的电流的（其实也影响到，IC收IB影响，特别是放大区的时候，IC又会流向IE）：

• MOSFET 是电压控制器件：靠 栅极电压 U****GS 控制源漏之间是否导通、导通电阻多大；
• 三极管（BJT）是电流控制器件：靠 基极电流 I****B 控制集电极电流 IC 的大小。
• 一个是电压，一个是电流

对于P沟道：

1.3 四种

对比三极管：

1.4 比较

2.基本结构

左边为N型，右边为P型，以N型内部为例子：

由于存在PN结，那么其实就是个二极管，并且由于中间存在绝缘层，就会导致存在一个寄生电容

而一般来说，源极s一般会和衬底连接一起，就会让1二极管短路，如下图，s极和B连接了：

而由于s于B连接导致S和衬底之间的二极管相当于短路掉，那么而d和衬底的二极管还存在，那就相当于S和d之间就连接着一个寄生二极管：

而对于P型其实也差不多，这不过d和s的寄生二极管反过来，而寄生电阻其实都是差不多的：

3.导通条件

Nmos：Vg-Vs>Vth，DS之间导通 -> 当Nmos的g极电压比s极电压大于导通电压（Vth）时，DS之间闭合

Pmos： Vg-Vs<Vth，DS之间导通 -> 当Pmos的g极电压比s极电压小于导通电压（Vth）时，DS之间闭合

看前置中MOS管的内部原理，这里其实都能理解

4.开关电路的设计方法

寄生二极管和寄生电容都不能忽略

其和三极管差不多，需要注意的是三极管是电流控制电流的器件，而MOS管则是电压控制电流的器件，并且三个引脚两两之间都绝缘的

相比较三极管，珊极的限流R4、R6电阻并不是必要的（但是通常也会有，用来 防止高频震荡（G-S结构是寄生电容） ）

因为从内部材料也说过，N和P之间是存在一个绝缘体的，这就会导致电流是无法流过的，无论是g和s，还是g和d，或者d和s，都是不行的，两两直接是存在绝缘层的，而d的电流之所以能通过MOS管到s，是内部形成一个通道（反型层），并不是通过PN结的

三极管则不同，P和N之间是不存在绝缘层，基极、发射极、集电极两两之间是实实在在有电流通过的，因此对于基极是需要加一个限流电阻的，防止一下子从基极到发射极的电流太大导致烧坏三级管（Ie = Ib + Ic），又或者是进入了一个放大区，流进来的Ic电流太大烧坏二极管

5.寄生电容问题

就以N型来讲

当开关闭合，栅极g和源极e之间由于有绝缘层，那么其实就是个寄生电容，相当于存在电容C（把内部的移出来展示的，实际上外部是没有这个C的，为了方便理解），那么此时C会被充电到5V，而假设导通电压是2V，满足Vge满足大于2V，电机会转动

问题来了，那当开关断开后，电机还会转动？？是会的

• 因为寄生电容的存在，开关断开了，电容的能量无法向外部电路放出，而内部各层之间又是绝缘的，就会导致寄生电容一直维持着5V，导致MOS管一直导通，电机还是会继续转动
• 理想状态上的，现实中实际上是做不到百分百绝缘的，寄生电容还是可以通过内部的绝缘层缓慢流掉能量，当道理一样，会导致电机不是立刻停止转动的
• 因此需要加一个电阻（图中绿色所示），而且这个电阻不仅仅可以用来流掉断开后的寄生电容的电流，还能抗干扰（比如人体摸上去会产生一个公频干扰）

6.寄生二极管不能忽略

mos管的寄生体二极管不能够忽略，否则容易导致电流反灌的问题

当三极管没导通的时候，MOS管肯定也没导通，B点电压就是6V。

当三极管导通的时候，那么B点的电压就是0.3V（导通压降电压，且三极管输入的导通电压大于0.7V），这时候MOS管的gs电压就是5.7，满足到导通条件

可以看到电路中有个RL负载，它运行需要10V的电压，有外部的电路提供，假设要保证RL外部电路要和MOS管的电路不产生联系，也就是当开关A闭合的时候，要保证10V产生的电流不能进入到MOS左边的电路

而从这个电路上来看，实际上是会进入MOS管左边的电路的：MOS管的寄生二极管导致的，这会导致给左边的电池充电，产生一个很大的影响，相当于短路，产生一个很大的电流

可以改成类似下面这样，注意目的，为了实现左右两边电路不会产生各自的电流倒灌：

左边MOS不能用二极管代替，二极管承受电流一般是1A，电源供电一般都会超过，容易烧坏，它的作用也是一样，防止左边的电流通过右边的MOS倒灌进右边的负载电路

而且右边的MOS不单单是用来防止外部电源倒流，当电池供电时可以通过三极管抬高S电压继而导通，实现开关功能

7.Nmos管做电源开关的注意事项

所谓的mos导通，值得是mos进入恒流区

Nmos控制负载的工作电源时，需要使用自举电容或者一个比电源更高的控制信号来控制mos栅极

假设导通电压是3V

这个电路这样是有一个问题的，当V5电源刚接入的时候（5V），MOS肯定是导通的（Vgs为5V，大于Vth）

而在4.5V电源的作用下，Vs的电压慢慢上升（因为1k的电阻会慢慢升压），而当Vs一直上升到2.1V，那么Vgs就只有2.9V，同时Vds=4.5-2.1=2.4V的电压，这时候MOS管就不满足导通条件的（Vgs < 3V），会进入一个可变可变电阻区，Id流入的电流会越来越小

• 漏极是固定在 4.5V；
• 导通后电流流动方向是：从 D → S（典型 N-MOS 方向）；
• 源极电压随着电流流过1kΩ电阻会升高（因为有压降）；
• 随着源极电压升高，V****GS = V****G - V****S 会下降；
• 当 VGS 降到接近 Vth（ 3V）时，反型层开始变窄，沟道电阻变大；
• 这时 MOS 管逐渐接近截止，电流减少。

因为随着Vg的继续增大，Vd会越来越小，同时还不满足导通条件，会从恒流区进入可变电阻区。

其实就是反型层慢慢的变窄，通道变小，电阻肯定就变大了

这时候的MOS其实就是个电阻，会分走原本属于1k的电阻的电压，而如果这个电阻很小呢？那么这个Id的电流可能就会很大，MOS管分到的电压有很大，就会发热

解决思路就是防止因电阻电压慢慢升高而导致Vs的上升，影响到Vgs的大小，从而进入了可变电阻区，如下：

第一种，直接给给电源从5V加到10V，确保Vgs始终大于导通电压：

第二种：

• 
• 利用电容两端相对电压不能突变的特性，这个5V的电池其实本身就是个电容
• 这样当10Ω的电阻升压到12V，也就是Vs为12，那么Vg就会是12+5=7V，因为随着Vs的电压升高，Vg也必须升高，Vg是接到电源的负极，负极升到12V，电容两端电压不能突变，正极也会增加12V，也就是17V

当键A闭合，Vs增加到了12V，那么②的电压就是12，这时候①也会被抬到12，根据电容两端电压不能突变，③从原本的12V会被抬到22V，Vg减去Vs还是满足导通条件

8.Pmos管做电源开关的注意事项

Pmos做开关时，通常S极接电源

9.Pmos防反接电路的工作原理

当没有控制信号进入的时候，三极管闭合，此时Vbat1的电流是会经过Pmos进入到MCU（寄生二极管），此时二极管压降0.7V，A点的电压为11.3V，而由于三极管没有导通，B点的电压也是为11.3V

MCU接收到后发送控制信号，三极管导通，R1分压，这时候B的电压就是11.3➗2≈5.6V，AB点的电压就是5.6V，也就是说Vgs为5.6V，小于Vth，MOS导通，A电恢复到12V

那么如果Vbat1接反呢？？？也就是12会经过接地线流入到MCU，就MCU不就毁了么，然后并不会，因为MOS的寄生二极管，导致无法形成一个回路，电流无法重新流回Vbat1

10.mos管DS之间的电流是双向导通的

三极管的ce之间有电流方向，但是mos没有。

只要mos的gs之间满足导通条件，mos管DS之间的电流可以双向导通

中间的反型层，决定了mos管的电流是双向导通的
反接的电路图示例如下（Nmos）：

寄生二极管的作用下然mos导通，虽然这样无法实现一个开关的效果，但是在现有的基础上加一个mos管就可以了

像左边这种加法是不行的，还是没法实现一个开关的效果，当开关没闭合的时候，下拉电阻会分压（寄生电容是释能），让mos管不是关闭

应该改为左边的情况，下拉电阻100kΩ不会影响到电路，这样在开关没闭合的情况下，回路是没有电流的，mos管也无法导通，同时这样也可以抵消掉mos自身的寄生二极管的影响，实现原来的开关效果。

11.MOS管的耐压

所有的mos管都有最大耐压值，主要看型号，每个型号耐压不一样

DS的耐压会比较大，GS的耐压会小很多（大部分是20V）

三、比较器

基本特性在第一点中讲过了

1.使用注意事项

比较器的输出结构主要分为OC||OD（开漏）、推挽输出三种结构

其中OC和OD要加上拉电阻，推挽输出不需要加上拉电阻

但是推挽模式也是可以加上拉电阻的，这可以加快mos寄生电容的充放电速度，但是会比较器加大损耗，因为放电的时候，电容放完了，上拉电阻的电流还是会继续流过比较器到地面

2.输入信号范围

比较器的输入范围不能够超出芯片的供电范围，超过芯片供电范围可能会工作异常。

可以看出，当负半周的时候，输出确实一下子变低了，但一下子又变高了，就是因为输入电压太低了，导致内部工作逻辑出问题了

3.颤振问题

比较器有偏置电压，简单来说就是比较器的两输入端本身就存在一定的压差： 当两个输入端电压相等时，输出仍然会有一个非零值（高或低），这时需要人为加一个微小差值才能使输出反转。

• 理想比较器：输入 A = B 时输出正好翻转
• 实际比较器：输入 A 必须比 B 高 V****OS（或更低）才翻转

主要来源：

• 内部晶体管的不对称；
• 制程工艺中的随机失配；
• 温度、电源波动等引入的小电压漂移。

就是指在电平转换的瞬间有抖动：

• 若输入电压在翻转点附近缓慢变化（例如斜率很小的锯齿波），
• 因为比较器的 VOS和输入噪声，导致输出会在翻转点附近“抖动”（输出来回翻转）。

理想的比较器为了避免抖动，通常会加入迟滞（Hysteresis）；

如果没有迟滞，当输入在某个点来回抖动，就会导致输出来回翻转，非常不稳定。

只要加一个回滞（迟滞）电路就好了：

• 当输出为高时，通过100kΩ的电阻把电压反馈到输出比较器的 V+，提高V+；
• 当输出为低时，V+也变低，形成“不同的阈值电压”
• 让“高电平门槛更高、低电平门槛更低”
• 就假如，原本是以2.5V为基准，高或低一点才能电平翻转，通过加迟滞电路， 大于 2.6V 才跳到高电平， 小于 2.4V 才跳到低电平 ，这样在 2.5 附近来回晃也不会跳，因为必须超过 2.6 或低于 2.4才跳

通过正反馈形成迟滞的电路，也称作施密特触发器结构。它可以有效防止输出电平在输入接近阈值时频繁抖动或误触发，非常适合处理慢变化信号或有噪声信号。

其实就是 施密特触发器原理 。

连接V+和Vout的那个100kΩ就是一个反馈电阻： 比较器中正反馈电阻的作用是设置迟滞电压（回差电压）大小，电阻越小 → 正反馈越强 → 迟滞越大

当输出为高电平（Vout = Vcc） 时：

目标就是让这个 V₋ 值等于希望的翻转电压（上门槛） ，去反推Rf

也可以从噪声角度：噪声越大，Rf要越接近R1，噪声越小，Rf则相反，要取大一些，不需要太大的反馈