MOSFET在开关电路中的应用

在一些简单的小功率开关电路中，利用双极结型三极管（BJT，Bipolar Junction Transistor）作为开关管时可能会遇到输入电流不足，BJT工作状态无法正确配置，进而无法实现电路功能的情况。

例如图1所示的一个使用BJT SS8050LT作为开关管的加热控制电路，BJT为共射极连接。将BJT视为一个二端口网络，输入端口为电阻 与NTC型热敏电阻 构成的基极分压回路，参数分别为基极-发射极电压 以及流入基极的电流 ；输出端口没有连接任何负载，参数分别为集电极与发射极两端的电压 和集电极电流 。49Ω基极电阻作为发热器件，由8个390Ω电阻并联而成。

图1 BJT加热控制电路

图1所示的加热控制电路设计的功能可描述为：当环境温度为常温25℃时，热敏电阻 的阻值为10.000kΩ，基极-发射极电压，BJT未导通，电路未工作；当环境温度下降到10℃时，热敏电阻 的阻值增大至17.958kΩ，基极-发射极电压 ，BJT导通，集电极电流 流过基极电阻，电阻发热，电路正常工作。

显然，电路中BJT的工作状态需要处于饱和区内，保证电压尽可能多的电压落在基极电阻的两端，提高电阻的发热功率。根据BJT的工作原理可知，BJT的发射极和集电极均处于正向偏置的区域为饱和区。在这一区域内，一般有 ，因而集电极内电场被削弱，集电极收集载流子的能力减弱，这时电流分配关系 不再满足， 随 增加而迅速上升，如图2所示。饱和区内的 很小，称为BJT的饱和压降 ，其大小与 及 有关。图中虚线是饱和区与放大区的分界线，称为临界饱和线。对于小功率管，可以认为当（即 ）时，BJT处于临界饱和（或临界放大）状态。

图2 BJT SS8050LT共射极连接时的输出特性曲线

要想使BJT工作在饱和区内，就要增大基极-发射极电压 ，而环境温度越低，热敏电阻阻值越大，从而增大 。但是必须注意到，BJT输入端口的基极分压回路电阻越大，输入电流则越小。具体来说，在BJT导通后，基极-发射极电压 ，基极分压回路总电流 ，从图1.2中可以看出，流入基极的电流 太小，BJT无法工作在正常状态下，电路功能无法实现。而且由于NTC型热敏电阻的器件选型限制，无法改用更小阻值的分压电阻来降低基极分压回路的总电阻值。

对于这种BJT流控器件的限制，可以采用MOSFET压控器件来代替。

MOSFET全称为Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名称为金属-氧化物-半导体场效应管。随着制造工艺的成熟，MOSFET兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点。而且MOSFET还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点，因而获得了广泛的应用，特别是在大规模和超大规模集成电路中占有重要的地位。

作为一种场效应管（FET），MOSFET为单极型器件，即管子只有一种载流子（电子或空穴）导电。从导电载流子的带电极性来看，MOSFET有N（电子型）沟道和P（空穴型）沟道之分；按照导电沟道形成机理不同，又有增强型（E型）和耗尽型（D型）的区别。忽略MOSFET的工作原理，不同类型的管子特性比较如表3所示。

表3 各种MOSFET的特性比较

由表3中可知，在MOSFET中，N沟道增强型的转移特性有正的开启电压 ，P沟道增强型则为负的；N沟道耗尽型的转移特性有负的夹断电压 ，P沟道耗尽型则为正的。MOSFET的输出特性曲线与BJT的类似，不同的是输出端口的漏极电流 由栅源极电压 控制。因此，MOSFET是一种电压控制电流的器件，输出特性的分析也不一样。

以N沟道增强型MOSFET AO3400A举例，AO3400A的输出特性如图4所示。将曲线图分为三个区域，分别为截止区、可变电阻区、饱和区（恒流区又称放大区）。

当 时，导电沟道尚未形成， ，为截止工作状态。

当 时，MOSFET处于可变电阻区，此时输出电阻 受 控制。

当 ，且 时，MOSFET进入饱和区。 不随 变化，而是由栅源极电压 控制。

图4 AO3400A输出特性

根据上述MOSFET的原理叙述，在上面提到的加热控制电路中应该采用N沟道增强型MOSFET代替原有的BJT，这里选择AO3400A，于是有如图5所示的MOSFET共源极放大电路。由于MOSFET是电压控制器件，所以提供合适的栅源极电压 ，就可以建立合适的静态工作点，使电路工作在正常状态。

图5 MOSFET加热控制电路

根据N沟道增强型MOSFET AO3400A的数据手册，AO3400A的开启电压在常温25℃下为 。当环境温度下降到10℃时，电路开始工作。此时NTC型热敏电阻的阻值增大至17.958kΩ，MOSFET导通，即栅源极电压 ，在这里需要将分压电阻 的阻值调整为47kΩ。随着温度的下降，栅源极电压 增大，流过发热电阻的电流 也随着 增大。

举例说明，当环境温度下降到-20℃时，热敏电阻的阻值增大至67.801kΩ，栅源极电压增大至 。使用万用表实测得到漏源极电压 ，说明MOSFET工作在可变电阻区内；同时测得漏极电流 ，可计算得到发热电阻的功率为 ，实际发热效果可靠，电路功能实现。