为什么CMOS通常使用PMOS作为上管、NMOS作为下管的原因

时间: 2023-05-13 22:06:16 浏览: 516

MOS管当开关控制时为什么一般用PMOS做上管NMOS做下管

在电子电路设计中，MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）被广泛用作开关控制元件。MOS管分为两种类型：N沟道MOS管（NMOS）和P沟道MOS管（PMOS）。NMOS管的载流子是电子，而PMOS管的载流子是空穴。为了在开关控制电路中更方便地使用，通常选择PMOS管作为上管（高端开关），NMOS管作为下管（低端开关）。这是因为它们在开通和关断时的电气特性和控制逻辑较为适合这种配置。 NMOS管的导通条件是其栅极（G）相对于源极（S）的电压差（VGS）必须足够大，一般为5~10V，具体值取决于MOS管的类型和规格。这意味着栅极必须比源极高5~10V。在实际电路设计中，如果将NMOS用作上管（高端开关），源极会直接接到正电源（VCC），此时源极电压不稳定（可能接近VCC，也可能接近地电位），这就使得要精确控制栅极电压变得复杂，因为我们需要确保栅极总是比源极高出至少5~10V。这种情况下，控制电路会复杂很多，可能需要隔离电源等额外措施。另外，如果要将NMOS作为下管（低端开关），源极接地，则相对简单，因为源极电压是固定的（零电平），只需保证栅极电压比源极高出5~10V即可使NMOS导通。因此，在这种配置下使用NMOS是简单直接的。相对地，PMOS管的导通条件是其栅极相对于源极的电压差（VGS）必须足够低，通常为-5~-10V，表示栅极电压必须比源极低5~10V。如果要使用PMOS作为上管，源极直接接到正电源（VCC），此时源极电压固定，只需要保证栅极电压比源极低6V，就可以使PMOS导通。若使用PMOS作为下管，源极接地，其源极电压不稳定（可能为0V，也可能为VCC），那么控制栅极电压同样复杂，因为此时无法确定控制栅极的确切电压值，通常需要使用隔离电压设计。由于PMOS管在作为上管时相对简单，而且能够提供较低的导通电阻，它在开关应用中常被用来控制上半桥电路。而NMOS管由于其导通时的VGS小，且具有较低的导通电阻，非常适用于控制下半桥电路。在设计使用MOS管的电路时，通常需要考虑MOS管的电压承受能力和电流负载能力、开关速度、功率损耗、控制电路的复杂性等因素。NMOS管在多数情况下比PMOS管具有更好的导通性能（例如更低的导通电阻和更小的开关损耗），但控制方面相对复杂。所以，在设计中，工程师会根据具体的应用需求、成本和可靠性等因素综合考量来选择合适的MOS管和配置方式。通常，PMOS管被用作上管，NMOS管被用作下管，这种配置利用了各自的优势，简化了控制电路设计，提高了电路的可靠性和性能。

CMOS通常使用PMOS作为上管、NMOS作为下管的原因是因为PMOS和NMOS的导通特性互补，可以实现高电平和低电平的传输。同时，PMOS和NMOS的电流流向相反，可以避免电流的短路和浪费。这种设计可以实现低功耗、高速度和高可靠性的电路。

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