【電路設計】PMOS做信號開關設計圖解-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2022-04-18
下圖是一個典型的PMOS信號開關應用,注意必須是從S極向D極傳送信號,并且D極沒有上拉電阻,有一個大的下拉電阻。
邏輯如下:
EN=1.8V時
A=0V,管子截止,B=0V;
A=1.8V,管子截止,B=0V(實際不是0,見解釋1).
如上A不能正常傳送到B,相當于開關斷開。
EN=0時
A=1.8V,管子導通,B=1.8V;
A=0V,管子截止,B=0V;
如上A能正確傳送到B,相當于開關導通。
解釋1:
EN=1.8V,A=1.8V,管子截止,B點電壓并不是0,而是R199,寄生二極管,R200的分壓!我們仿真的結果是0.689V,仿真過程如下:
開始仿真之前,解釋一下R200為何是100M,通常B點會連接一個IC的IO輸入,對于輸入,如果軟件沒有配置上下拉電阻(百K級別),輸入電阻將是無窮大,假設就是100Mohm。
下圖是仿真電路,D2相當于寄生二極管。
仿真結果如此,但為什么是這個結果?
二極管有反向截止特性,為什么沒有阻隔電壓?
有沒有辦法使VB=0V?
這要從二極管的反向特性著手來理解這些疑問,下圖是一個二極管的IV曲線:
由圖可知,二極管反向偏壓后,從0到-200mV,其反向電流隨反向電壓VF的(絕對值)增大而增加,近似計算其阻抗為8Mohm左右。從-200mV開始,VF(絕對值)增加,其反向電流一直維持在-7nA左右。
反向偏壓一直增加,這個值基本不變。一直到規(guī)格書上標稱的VF最大值75V后二極管擊穿。VF=-0.2V~-75V之間,其電阻從28Mohm到10.7Gohm逐漸增加。
若要想二極管起到良好的阻隔電壓的作用,就要盡量使二極管占有越大的壓降。比如上圖仿真電路兩種,當VB=0V時,二極管兩端壓差最大,此時二極管起到了最好的阻隔電壓效果。換句話說,要盡量使二極管工作在上圖所示的“理想截止區(qū)域”。
在理想截止區(qū)域,反向電流7nA是關鍵線索,如果B點的對地電阻過大,導致總電流小于7nA,二極管的電壓阻隔作用就會比較差。
B點對地阻抗到底是多少,VB才會等于0V呢,顯然B點對地阻抗為0時,才能實現(xiàn)。現(xiàn)實情況不可能,下面是幾組數(shù)據(jù):
R2=200K,VB=1.38mV,I=6.89nA
R2=1M,VB=6.89mV,I=6.89nA
R2=10M,VB=68.9mV,I=6.89nA
R2=50M,VB=345mV,I=6.89nA
R2=100M,VB=689mV,I=6.89nA
R2=200M,VB=1.38V,I=6.89nA
R2=300M,VB=1.72V,I=5.72nA
接下來,重點來了:通常,B點對地阻抗是百K級別,VB的電壓都會很小,可以簡單計算為Rx7nA,這時二極管的電壓阻隔作用最明顯!
既然PMOS能做開關,那么能用NMOS做信號開關嗎?答案是否定的!如下圖 :
接法一:EN=0V,NMOS才有可能截止,寄生二極管的存在,導致A高B也高,無法截止。
接法二:
EN=0V,NMOS截止(假設B點對地阻抗為100K);
EN=1.8V,管子導通,A拉高到1.8V,B也被拉高,瞬間Vgs=0V,管子又被截止。因此NMOS不能用作信號開關,仿真結果如下:
如果EN電壓明顯高于A點最高電壓,例如EN=5V,A=1.8V。這時,即使B=A=1.8V,Vgs=5-1.8=3.2V,管子仍然是導通的。因此當EN高電壓明顯高于(至少大Vgsth)傳輸信號的最高電壓時,NMOS也能做開關使用!但一般不用這種方法。
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