MOS管（三极管）——一些常用的硬件设计电路分析
0. 概念
PMOS和NMOS的源漏方位相反，NMOS的漏端drain在上面，PMOS的源端source在上面，之所以这么做是借助方位来表明电位的高低。NMOS的漏端drain和PMOS的源端source的电压都比栅端gate电压高，所以这么标注获得一个“visual aid”。电流方向是一致的，如果采用箭头表示电流方向，都是从上到下的。底下是razavi书上的图和说明，一并奉上作为参考。
- 概述
芯片的集成度虽然越来越高，但是整个电路功能的实现，还是离不开分离器件的搭配，本文就针对笔者在实际工作中的关于 MOS 管（三极管）的应用做一些整理。
本文所介绍的功能，使用三极管也是可以的，但是实际应用中，多使用 MOS 管，故本文多以 MOS 管进行说明。
- 应用
2.1 NMOS 开关控制
如图，通过 NMOS 的开关作用，完成对 LED 的亮灭控制。此时 MOS 管工作于截止区和可变电阻区。
| 控制端 | 状态 |
|---|---|
| LED0 为高电平 | LED点亮 |
| LED0为低电平 | LED熄灭 |
总结：对于 NMOS ，当 Vgs = Vg - Vs > 0 时，NMOS 导通；当 Vgs = Vg - Vs < 0 时，NMOS 断开。
2.2 PMOS 电源控制
2.2.1 IO 控制
PMOS 在整个电路系统中，其中某一部分的电路上电通过控制中可以方便用于通断控制。上图的电路中，使用时需要注意的一点是 VCC_IN 与控制端的电平 PWR_CON 要处于同一标准（eg：VCC_IN = 3.3V；PWR_CON 高电平 = 3.3V）。
| 控制端 | 状态 |
|---|---|
| PWR_CON 为高电平 | PMOS 断开，VCC_OUT 无电压输出 |
| PWR_CON 为低电平 | PMOS 导通，VCC_OUT 有电压输出，VCC_IN ≈ VCC_OUT |
总结：对于 PMOS ，当 Vgs = Vg - Vs < 0 时，PMOS 导通；当 Vgs = Vg - Vs > 0 时，PMOS 断开。因为 MOS 管的导通压降是非常小的，所以在 Rds 之上的能量损耗是比较少的。
2.2.2 NMOS 控制 PMOS
进一步地，上图的电路可以扩展为下图，PMOS 的栅极通过 NMOS 来控制。
拓展为此电路，针对 VCC_IN 与 PWR_CON 电压就没有强制的要求了。当 PWR_CON 为高电平的时候，NMOS 导通，PMOS 的栅极被拉低到低电平，PMOS 导通，VCC_OUT 有电压输出；反之，当 PWR_CON 为低电平时，NMOS 关断，从而使 PMOS 也断开，这样就完成了 VCC_IN 输出电压到 VCC_OUT 的控制。
2.2.3 按键上电控制
上图的电路，就可以完成所谓的按键开机的功能。
（1）按下 K1 按键，PMOS 的栅极被拉低，Vgs < 0，PMOS 导通，VCC_OUT 有电压输出；
（2）VCC_OUT 有电压输出，按键按下时可完成对 MCU 的供电，然后软件端通过 MCU 的 GPIO 进而控制 NMOS 的栅极，即 PWR_CON 。先通过 KEY_DET 检测到按键动作，然后把 PWR_CON 设置为高电平，NMOS 导通，使得 PMOS 也导通，这时候抬起按键，VCC_OUT 一端也有电压稳定输出，就实现了按键上电开机的功能。
此电路的二极管，功能是防止电压反窜和 对MCU 的 GPIO 的保护。
功能流程：
2.3 反相（非门逻辑）
如果电路中需要实现逻辑非的功能，可以采用 MOS 管（三极管）加上电阻来实现，如下图所示：
| 控制端 | 状态 |
|---|---|
| INPUT 为高电平 | OUTPUT 为低电平 |
| INPUT 为低电平 | OUTPUT 为高电平 |
通过一个 MOS 管（三极管）加上两个电阻，就可以实现非门的逻辑。
2.4 电池防反接功能
在大多数的电池防反接电路中，常选择压降小的二极管（如：肖特基二极管）来完成，但是针对如 3.7V 锂电池的应用场景，肖特基约为 0.2V 的压降天然的造成了电池容量的浪费，而 MOS 管导通的低压降（Vds）就有很大的优势了。
如上图所示，PMOS 在此处的作用就是防止 VBUS 存在时，LDO Vin 端的电压反窜到电池上。
原理分析：
（1）当 USB VBUS 存在时，PMOS 的栅极电压 Vg = 5V，源极电压 Vs = 3.7V（假设此时的电池电压为 3.7V），Vgs = 5 - 3.7 = 1.3V（大于0），此时 PMOS 关断，就起到了防止 Vin 端电压反窜的作用；
（2）当 USB VBUS 不存在时，PMOS 的栅极通过 10K 的电阻下拉到 GND，因此栅极电压 Vg = 0V，源极电压 Vs = 3.7V（假设此时的电池电压为 3.7V），电池通过 PMOS 自身的寄生二极管使得 Vs = 3.7V，所以 PMOS 的导通电压 Vgs = 0 - 3.7 = -3.7V，PMOS 导通，这样就完成了电池电压到 Vin 端的输入。
上图的 LDO 电路，只要使能端 LDO_CON 给一个开启信号，输出端 V_3V3 就可以稳定输出 3.3V，C3、C4 为 LDO 的输入输出电容，一般大于 1uF（具体参考数据手册取值）。
2.5 IO通信双向切换
在一些设备中，如果两个通过 IO 连接的器件，某一时刻，一个处于休眠，一个处于掉电，这时候就会导致休眠的器件向掉电的器件灌入电流，为了完全杜绝此状态下的电路窜入，可采取如下电路的设计（比如：I2C 的 SDA 信号）
原理分析：
| M_DATA | S_DATA | 导通状态 | 方向 |
|---|---|---|---|
| 高电平 | 高电平 | Vgs = 0V，MOS 管截止 | M_DATA—>S_DATA |
| 低电平 | 低电平 | Vgs > 0V，MOS 管导通 | M_DATA—>S_DATA |
| S_DATA | M_DATA | 导通状态 | 方向 |
|---|---|---|---|
| 高电平 | 高电平 | M_DATA 通过上拉电阻 R9 设置成高电平，MOS 管截止 | S_DATA—>M_DATA |
| 低电平 | 低电平 | S_DATA = 0，NMOS 的寄生二极管导通，进而使得 Vgs > 0，MOS 管导通，M_DATA 为低电平 | S_DATA—>M_DATA |
如上面两个方向的表格分析，这样通过 NMOS 就完成了一个 IO 双向通信的控制。（只能选择 NMOS，不可选择 PMOS，原因读着可以自行分析一下）
2.6 3.3V 与 5V 的电平转换
（1） MOS 实现：
在实际的应用中，常会遇到通信的两个芯片之间的电平不匹配的问题，这时候就需要通过外部的电路来完成电平匹配的工作（如：MCU 的电平为 3.3V，而外设的电平为 5V）。
原理分析：
| 3V3_DATA | 5V_DATA | 导通状态 | 方向 |
|---|---|---|---|
| 高电平 | 高电平 | Vgs = 0V，MOS 管截止 | 3V3_DATA—>5V_DATA |
| 低电平 | 低电平 | Vgs > 0V，MOS 管导通 | 3V3_DATA—>5V_DATA |
通过 3.3V 端高低电平的变化，使得 NMOS 对应开关，就完成了 3.3V 电平到 5V 电平的转换。
| 5V_DATA | 3V3_DATA | 导通状态 | 方向 |
|---|---|---|---|
| 高电平 | 高电平 | MOS 管截止，3V3_DATA 通过上拉电阻 R12 设置成高电平 | 5V_DATA—>3V3_DATA |
| 低电平 | 低电平 | 5V_DATA= 0，NMOS 的寄生二极管导通，进而使得 Vgs > 0，MOS 管导通，M_DATA 为低电平 | 5V_DATA—>3V3_DATA |
反之，也完成了对 5V 设备的数据的读取。
注：此电路用三极管也可以实现同样的功能，如下图：
（2） 两级 NPN 实现：
如下图所示，3.3V 与 5V 之间的电平转换，也可以通过两级的 NPN 三极管来实现。
原理分析：
| 3V3_DATA | 5V_DATA | 导通状态 | 方向 |
|---|---|---|---|
| 高电平 | 高电平 | Q10 导通，Q9 截止，5V_DATA 端得到 5V 的高电平 | 3V3_DATA—>5V_DATA |
| 低电平 | 低电平 | Q10 截止，Q9 导通，5V_DATA 端得到 低电平 | 3V3_DATA—>5V_DATA |
以上为一些常用的 MOS 管的实际应用电路，部分笔者已在实际中进行了验证，如有不足之处，欢迎指正。
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