3.三极管和MOS管

3.三极管和MOS管

  • 基础知识
    • 三极管是电流控制型器件
    • MOS管是电压控制型器件
  • 分类及引脚定义
  • 电流导通方向
  • 基础应用
  • 常用MOS管电平转换电路
    • MOS管实现电平转换
    • 用MOS管实现的“I2C总线电平转换电路”,实现3.3V电压域与5V电压域间的双向通讯

基础知识

三极管是电流控制型器件

三极管的导通,需要在其b极提供电流,才能使ce导通,流过ce之间的电流与b极电流的关系是Ib*β=Ice,这个β称为三极管的放大倍数,从规格书获取,典型值是100,同一个芯片不同Ib的β也是不同的。

MOS管是电压控制型器件

MOS管的导通,以NMOS为例,需要提供一定的Vgs电压,这个参数在规格书中称为Vgs(th),也就是导通所需要的电压。

分类及引脚定义

从半导体结构上分
3.三极管和MOS管_第1张图片
按沟道分
3.三极管和MOS管_第2张图片

电流导通方向

三极管导通方向,NPN:c→e,PNP:e→c
3.三极管和MOS管_第3张图片
MOS管导通方向
3.三极管和MOS管_第4张图片

基础应用

NPN三极管和NMOS管
3.三极管和MOS管_第5张图片
PNP三极管和PMOS管
3.三极管和MOS管_第6张图片

常用MOS管电平转换电路

电平及电源转换电路是硬件设计中的常见电路,用于将一个电平/电源转换为另一个不同电平/电源,确保外设之间可以正常通信和工作。

基于MOS管的电平转换电路基本模型:
3.三极管和MOS管_第7张图片
工作原理:

  • 从A到B
    A为高电平时,B作为输入,此时为高阻态,MOS管关断,B端通过上拉,输出高电平;A为低电平时,MOS管内的体二极管导通,使MOS管的S极被拉低,考虑体二极管的压降一般为0.7V,Vgs=3.3V-0.7V=2.6V,当Vgs=2.6V>Vgs(th),MOS管导通,B端被拉低,输出低电平;(MOS管的导通阈值电压一定要小于2.6V),A为高阻态时,MOS管关断,B端通过上拉,输出高电平。
  • 从B到A
    B为高电平时,MOS管关断,A端通过上拉,输出高电平;B为低电平时,Vgs=3.3V>Vgs(th),MOS管导通,A端被拉低,输出低电平;B为高阻态时,MOS管关断,A端通过上拉,输出高电平。

MOS管实现电平转换

需求:使用一个NMOS管就实现双向电平转换功能,且输出电平与输入电平极性相同,具体具体电路见下:
3.三极管和MOS管_第8张图片
电路分析:

  • 当INPUT=0时,NMOS管导通,OUTPUT通过NMOS下拉至GND,此时OUTPUT输出为低电平;
  • 当INPUT=1时,NMOS管截止,OUTPUT被R5上拉至VCC_5V0,此时OUTPUT输出为高电平;
  • 当OUTPUT=0时,体二极管导通,INPUT为体二极管上压降(约0.7V),可视为INPUT为低电平;
  • 当OUTPUT=1时,体二极管和NMOS管均截止,INPOT被R上拉至VCC_1V8,INPIT输出高电平。

用MOS管实现的“I2C总线电平转换电路”,实现3.3V电压域与5V电压域间的双向通讯

3.三极管和MOS管_第9张图片
工作原理分析,简化来看,留下I2C的一根线来分析就可以了。
3.三极管和MOS管_第10张图片
分四种情况:

  • 当SDA1输出高电平时:MOS管Q1的Vgs = 0,MOS管关闭,SDA2被电阻R3上拉到5V。
  • 当SDA1输出低电平时:MOS管Q1的Vgs = 3.3V,大于导通电压,MOS管导通,SDA2通过MOS管被拉到低电平。
  • 当SDA2输出高电平时:MOS管Q1的Vgs不变,MOS维持关闭状态,SDA1被电阻R2上拉到3.3V。
  • 当SDA2输出低电平时:MOS管不导通,但是它有体二极管!MOS管里的体二极管把SDA1拉低到低电平,此时Vgs约等于3.3V,MOS管导通,进一步拉低了SDA1的电压。

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