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盤點場效應管在電路中應用

2022年11月30日 11:20 STM32嵌入式開發 作者:STM32嵌入式開發 用戶評論(0

場效應管MOSFET 通常被認為是一種晶體管,并用于模擬數字電路。MOS管基礎請移步:MOS場效應管基本知識。

下文介紹場效應管MOSFET的應用。

一、場效應管MOSFET用作開關

MOSFET很容易飽和,這就意味著說,MOSFET完全打開,且非常可靠,可以在飽和區域之間進行非常快速的切換,這就意味著MOSFET可以用作開關,尤其是適用于電機、燈等大功率應用。

在實際應用中,可以使用與大功率設備相同的電源來操作MOSFET,使用機械開關施加柵極電壓。如下圖所示,使用的是N溝道MOSFET。

或者也可以使用電子信號,例如微控制器激活MOSFET。

N溝道MOSFET

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如上,N溝道MOSFET開關電路圖。

當按下按鈕時,LED亮起。1kΩ 電阻充當下拉電阻,將柵極電壓保持在與電池負極端子相同的電位,直到按下按鈕。這會在柵極施加正電壓,打開漏極和源極引腳之間的通道,并允許電流流過 LED。

P溝道MOSFET

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如上,P溝道MOSFET開關電路圖。

二、場效應管MOSFET用作電機驅動電路

N溝道MOSFET

如下圖所示,兩個二極管反向偏置放置在電機觸點和MOSFET漏極/源極引腳上。

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如上,N 溝道 MOSFET 電機驅動電路。

P溝道MOSFET

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如上,P溝道MOSFET電機驅動電路。

雙向運行控制器

如果想要一個可以雙向運行的電機控制器,就把上面兩個電路結合起來,如下圖所示。

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如上,雙向電機驅動電路圖。

三、場效應管MOSFET應用在邏輯門電路中

在這之前,先簡單介紹一下邏輯門。

雙輸入與門(AND)

雙輸入與門(AND)是最容易理解的邏輯。如下圖所示。

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只有兩個輸入都為高時,與門(AND)的輸出才會為高。如果任一輸入為低電平,則輸出也為低電平。

下圖為與門邏輯真值表圖。

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與非門(NAND)

下圖為與非門(NAND)的真值表。

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邏輯門中的MOSFET

由于MOSFET很容易在低電壓和幾乎可以忽略不計的電流下飽和(完全導通),就可以用它構建上面的邏輯門,進而構建及其可靠的數字邏輯系統來處理數據。

非門(NOT)

如下圖所示,PB1 將兩個 MOSFET 柵極連接到 +6V,但只有 ZVN 會以正電壓打開。但是,當它打開時,它將輸出連接到 GND,因此 + 輸入在輸出處變為 GND。相反,當我們通過 PB2 將 GND 施加到輸入時,只有 ZVP 打開,將輸出連接到 +6V,再次反轉信號。

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如上,非門電路圖。

與非門(NAND)內部是什么樣?

與非門使用4個MOSFET,如下圖所示。

只有當 SWA 和 SWB 都為高電平(邏輯 1)時,LED 才會關閉(邏輯 0)。

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如上,與非門的電路圖。

如果將上面兩個圖結合起來會發生上面?會不會是負負得正?如下圖所示。

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如上,內部的與非門。

從上圖中可以看出來,外部的與非門(NAND)是與門(AND)的否定,但內部的與門(AND)實際上是由一個與非門(NAND)和一個非門(NOT)組成。所以實際上的與門也就是非與非門。

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或門(OR

如下圖所示,或門就是或非門(NOR)和非門(NOT)組成的。

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異或門(XOR)

如下圖所示,異或門也就是同或門(XNOR)和非門(NOT)組成。

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由上面幾個可以證明,不管什么邏輯門,都可以用有限數量的與非門構成。

四、邏輯電路

這個電路相對來說很簡單,不過需要大量的N溝道和P溝道MOSFET或者邏輯芯片

在使用邏輯芯片的時候要注意以下幾個點:

1)一定要避免任何靜電積聚或者放電,以免損壞芯片。

2)每個芯片都有一個用于 +V 的公共引腳和一個公共 GND 引腳,這個在原理圖上很容易找到。

3)任何未使用的輸入引腳都應連接到 GND

4)邏輯芯片并不是用于大負載(如電機等)的大電流驅動器

下面將從一個簡單的LED閃光燈開始。

LED閃光燈

使用兩個或非門就可以構建一個振蕩器。如下圖所示。

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如果想要兩個來回閃爍的LED,則LED2和R2都是可以選擇的。不然的話LED1將以R1和C1的值確定速率閃爍開/關。

設置/復位鎖存器

設置/復位鎖存器是時序邏輯的關鍵組件。

一組 8 個鎖存器將形成一個 8 位存儲單元的核心結構。在內存中,SR 鎖存器稱為 D 鎖存器(數據),它與系統內核時鐘一起用于確定何時進行鎖存。具體如下圖所示。

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上面這個電路更多的是概念演示,因為在實際應用上,通常鎖存器只要一個輸出就夠了,當按下按鈕時狀態之間的輸出觸發器時,它們將始終處于彼此相反的狀態。

當然也可以將此處的一個輸出連接到第二個電路,并且將鎖存器用作第二個電路的“推開”非機械開關。

兩位輸出的半加器

單個的異或門(XOR)可以用作1位二進制加法器,通常添加兩個與非門(NAND),就可以做成一個帶有兩位輸出的半加器。

先做一個或門(OR),如下圖所示,由3個與非門(NAND)門組成。

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在將或門(OR)更改為或非門(NOR),只需要在 U3 的輸出和 LED 之間添加第四個與非門 NAND,并將 U4 的兩個輸入連接在一起就可以了。

再次使用與非門(NAND),可以構建一個同或門(XNOR)。

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將 U5 移除并將 U4 的輸出連接到 R3,就可以得到一個 XOR 門。

單個的異或門(XOR)可以用作1位二進制加法器,通常添加兩個與非門(NAND),就可以做成一個帶有兩位輸出的半加器。

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全加器

全加器需要進行一些更改(添加一個異或門( XOR)、兩個 與非門(NAND) 和一個 或門(OR)),其中添加一個輸入來處理來自前一個加法器的進位信號。然后將幾個加法器堆疊在一起,每個位一個加法器,以構建一個加法機。

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PB1 是位 A,PB2 是位 B,PB3 是前一個加法器塊的進位位。如果我們只按PB1或PB2,我們是加1+0,只有LED 2會亮,表示值為1。如果我們同時按PB1和PB2,表示二進制加1+1,即二進制10 (表示為 10b)。這將點亮 LED1 并關閉 LED2。如果我們然后按 PB3 并再添加 1,我們得到 11b,兩個 LED 都亮起。

4位加法器

右邊的第一個塊(帶有 A0 和 B0)可以用半加器交換,而不影響輸出。它只是刪除了第一個全加器上的進位(Cin),無論如何,它在這里連接到 GND。

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在這個例子中,我們將兩個 4 位數字 A 和 B 相加。每個 (A0 和 B0) 的第一位在右側相加,結果發送到 S0,任何進位位 (C1) 發送到下一個加法器. 然后將 A1 和 B1 以及來自第一個加法器的 C1 相加,結果進入輸出 S1,任何進位位都在 (C2) 上發送。最后一個加法器要么顯示最后的進位位 (C4),如果有的話,或者如果沒有空間或它不重要,則忽略它。

4位比較器數字鎖

如前所述,異或門(XOR )可以用作加法器,但它們也是比較器,如果兩個輸入相同,則輸出一個狀態,如果兩個輸入不同,則輸出反轉狀態。這使我們能夠檢查引腳的狀態,并僅在正確時進行切換和輸出。

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如上面所示,在日常生活中,我們經常會用到MOSFET,可以說,MOSFET是當今使用的最重要的電子元件。

如果看到最后的話,應該可以發現,在這個文章中并沒有提到說MOSFET用在放大電路中。不是不可以用作放大電路,而是根據我的經驗來看,模擬信號放大器任務最好由BJT處理,而快速、大電流開關最好用 MOSFET 。

其實這兩種晶體管類型都有很多例子可以很好地雙向工作。具體怎么使用,還是看大家的電路要求。

  審核編輯:湯梓紅
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