怎樣使用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行信號(hào)放大的應(yīng)用呢？

與三極管一樣，場(chǎng)效應(yīng)管不僅可以對(duì)模擬信號(hào)放大，也可作為控制開關(guān)使用，之所以我們將開關(guān)電路（而不是放大電路）的應(yīng)用提前介紹，是因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用當(dāng)中，場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)作開關(guān)電路應(yīng)用的情況還是相對(duì)更多一些。

可以這么說(shuō)，大多數(shù)讀者曾經(jīng)使用過(guò)或?qū)?lái)會(huì)使用三極管電路進(jìn)行信號(hào)放大的應(yīng)用，但大多數(shù)讀者都不曾使用或?qū)?lái)也不會(huì)使用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行信號(hào)放大的應(yīng)用。因此，我們將場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)電路詳細(xì)描述一下。

場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)電路大體可分為兩大類，即 模擬開關(guān) （Analog Switch）與 數(shù)字開關(guān) ，前者我們?cè)诖瞬贿M(jìn)行討論，讀者可參考文章《模擬開關(guān)》，而常用的數(shù)字開關(guān)電路大都使用增強(qiáng)型的NMOS或PMOS為核心，NMOS控制開關(guān)電路的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中，漏極電阻R1為上拉電阻，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止時(shí)將輸出電壓上拉至電源V CC （高電平），可以理解為開漏（OD）輸出結(jié)構(gòu)的上拉電阻，具體可參考文章《電阻（4）之上/下拉電阻》，柵極串聯(lián)電阻R2為限流電阻，防止輸入電壓變換的瞬間導(dǎo)致柵極電流超額而損壞場(chǎng)效應(yīng)管，下拉電阻R3用來(lái)確保無(wú)輸入信號(hào)（即懸空）時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。

此開關(guān)電路的基本原理很簡(jiǎn)單！當(dāng)輸入信號(hào)Vi為低電平“L”時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓Vo由漏極電阻R1上拉為電源VCC（高電平），此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1相當(dāng)于一個(gè)處于斷開狀態(tài)的開關(guān)，如下圖所示：

當(dāng)輸入信號(hào)Vi為高電平“H”時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓Vo被場(chǎng)效應(yīng)管下降至低電平，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1相當(dāng)于一個(gè)處于閉合狀態(tài)的開關(guān)，如下圖所示：

場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)應(yīng)用電路的要求主要有兩點(diǎn)，其中之一是限流電阻R2的阻值，需要根據(jù)開關(guān)頻率、前級(jí)驅(qū)動(dòng)能力、柵-源電容CGS等因素來(lái)決定，其中CGS與柵極電阻相當(dāng)于一個(gè)RC充放電電路。一般來(lái)講，對(duì)于開關(guān)頻率相對(duì)較高的應(yīng)用，限流阻值R2一般為十幾歐姆～幾百歐姆，換言之，限流電阻R2的阻值是比較小的，如下圖所示：

場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通速度在很大程序上取決于CGS的充放電常數(shù)，柵極電阻越大，則CGS充放電速度越慢，場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度也就慢下來(lái)了，當(dāng)然，限流電阻也不能太小，具體得根據(jù)實(shí)際情況決定，如果開關(guān)頻率很低的話，弄個(gè)1K以上都沒(méi)有太大的影響。

而要求之二是輸入的電壓幅值。任何場(chǎng)效應(yīng)管的柵-源電壓VGS都是有極限值的，如下圖所示（來(lái)自ALPHA & OMEGA的NMOS管AO3400數(shù)據(jù)手冊(cè)），柵-源電壓不應(yīng)超過(guò)最大極值，此值一般為12V左右。

這種開關(guān)電路的用法主要有兩種，其中之一就是將具體的負(fù)載（如電燈泡、馬達(dá)、電磁閥、繼電器、蜂鳴器等等）代替漏極電阻R 1 ，這樣輸入信號(hào)Vi高低電平就可以控制負(fù)載是否供電，如下圖所示為電燈泡控制開關(guān)電路：

當(dāng)輸入為低電平“L”時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q1是截止的，因此電燈泡兩端是沒(méi)有電壓的，當(dāng)輸入為高電平“H”時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q1是導(dǎo)通的，此時(shí)電源VCC施加到電燈泡兩端，如下圖所示：

電燈泡是阻性負(fù)載（相當(dāng)于一個(gè)電阻），如果換成是感性負(fù)載，我們還必須在感性負(fù)載兩端反向并聯(lián)一個(gè)二極管，如下圖所示繼電器應(yīng)用電路：

因?yàn)楦行载?fù)載相當(dāng)于一個(gè)電感，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，電感中的電流將會(huì)產(chǎn)生突變，如果此時(shí)沒(méi)有一個(gè)電流回路慢慢使電流下降，電感兩端將產(chǎn)生很高的反向電動(dòng)勢(shì)，并聯(lián)的二極管D1即用來(lái)為感性負(fù)載續(xù)流（防止場(chǎng)效應(yīng)管Q1被擊穿的同時(shí)也可以保護(hù)繼電器本身），因而稱之為續(xù)流二極管，如下圖所示：

開關(guān)電路的另一個(gè)用法是作為高速開關(guān)，如BUCK變換器中的開關(guān)管，如下圖所示（來(lái)自TI公司電源芯片TPS56120X數(shù)據(jù)手冊(cè)）

我們用下圖所示開關(guān)電路仿真一下：

其相關(guān)波形如下圖所示：

還有一種PMOS開關(guān)電路，它的典型應(yīng)用電路如下圖所示：

這種電路一般用在電源控制應(yīng)用中，比如消費(fèi)類電子待機(jī)時(shí)的控制開關(guān)管，它的原理也比較簡(jiǎn)單，在分析時(shí)只需要注意一點(diǎn)：PMOS管的柵-源電壓V GS在零電壓時(shí)為截止的，而VGS為負(fù)電壓時(shí)是導(dǎo)通的 。

當(dāng)輸入為低電平“L”時(shí)，三極管Q1是截止的，對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)電路而言，三極管相當(dāng)于不存在，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極與源極通過(guò)電阻R1連接在一起，換句話說(shuō)，柵-源電壓VGS等于零電壓，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2是截止的，相當(dāng)于一個(gè)處于斷開狀態(tài)的開關(guān)，如下圖所示：

當(dāng)輸入為高電平“H”時(shí)，三極管Q1是飽和導(dǎo)通的，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極電壓約為0V，換言之柵-源電壓約為（-V IN ），此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2是導(dǎo)通的，相當(dāng)于一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)，如下圖所示：

與NMOS開關(guān)管一樣，我們也可以用PMOS開關(guān)管點(diǎn)亮燈泡，如下圖所示：

至于其原理比較簡(jiǎn)單，我們就不再介紹了，與NMOS開關(guān)電路同樣需要注意的是：柵-源電壓不能超過(guò)其極限值。如果輸入電壓VIN超過(guò)柵-源極限值（比如15V、24V、36V等等），此開關(guān)電路就不能直接使用，怎么辦？很簡(jiǎn)單，用電阻分壓就可以了，如下圖所示：

這里我們有一個(gè)問(wèn)題：PMOS管與NMOS管在開關(guān)應(yīng)用的時(shí)候有區(qū)別嗎？答案是肯定的！從網(wǎng)上搜一下就有類似這樣的信息：PMOS比NMOS的導(dǎo)通電阻R DS(ON) 高、速度慢、價(jià)格貴等等，但是為什么會(huì)有這些差別呢？