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详解直流电源的芯片电流随时间变化规律

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-06 14:27    点击量:

    直流电源分布网络从字面上就很好理解,就是直流电源电流从供电端到用电端的一些路径网络.一个芯片需要工作,就需要有电源来提供直流电源电流.而电源与用电直流电源电路之间就必然存在电源的传输网络.就像供电站需要通过电线将电能传输到各家各户一样.

详解直流电源的芯片电流随时间变化规律
    既然存在传输,就存在传输损耗.根据欧姆定律我们知道当直流电源电流流过导体,在导体两端就会产生压降.所以当直流电源电流流经电源传输网络,就会在供电端与用电端产生压降.比如需要使用10A的直流电源电流,电源传输网络的阻抗为1毫欧,那么供电端与用电端的压降就为10mV.这个问题看起来很简单,但是我们需要面对2个不简单的事情.1是用电端的直流电源电流需要是随着时间变化的,2是电源传输网络的阻抗也不是一个常数,由于趋肤效应,寄生电感,寄生电容等因素使得电源传输网络对不要频率的信号显示出不同的阻抗.

    直流电源电流需要是随时间变化而变化的要解释问题,我们有必要先了解一些数字直流电源电路的基本知识(这里我们只对CMOS数字直流电源电路进行分析,其它直流电源电路也有类似的问题).

    MOSFET场效应管在了解数字直流电源电路前,有必要先了解一下数字直流电源电路的基本组长单元:MOSFET场效应管.MOSFET的全称是The metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,即金属-氧化层半导体场效应管.它对于数字直流电源电路来说,主要起了一个开关的作用.它主要的优势是生产工艺很简单,使得我们可以以很经济的方式生产大规模的复杂直流电源电路.

    一个NMOS的基本结构下图所示,场效应管MOSFET是一个四端口器件,包括一个p型的衬底,以及两个n+型扩散区域源极source(S)和漏极drain(D),另外在源极与漏极之间的衬底表明覆盖一层薄氧化层,在该薄氧化层上沉淀形成的栅极gate(G).

    直流电源的芯片电流随时间变化规律NMOS管的工作原理是,栅极与p型衬底由薄的氧化层隔开,从而形成一个电容.而源极,p型衬底以及漏极则由2个pn(S-B以及D-B)结形成背对背的二极管,从而源极与漏极之间实现了绝缘.当有一个比较小的正直流电源电压施加到栅极时,电子开始向栅极方向累积,同时电场作用下,空穴开始朝衬底方向移动.当栅极直流电源电压超过一定的直流电源电压阈值Vt之后,便在衬底表面形成一个由大量电子组成的n型的导电沟道,如下图所示:

    直流电源的芯片电流随时间变化规律在导电沟道形成以后,一旦有直流电源电压施加到漏极与源极之间,电子通过导电沟道进行运动,就在源极与漏极之间形成了直流电源电流的流动,如下图所示.

    直流电源的芯片电流随时间变化规律如下图所示,随着V_{GS}的增大,沟道开始逐步形成,当V_{GS}大于某个阈值直流电源电压V_{t}以后,沟道连通源极与漏极,开始有直流电源电流从源极流向漏极,随着V_{GS}的持续增加,直流电源电流也不断增加.

    PMOS与NMOS恰巧相反,采用n型衬底,源极及漏极为p+型扩散区.也就是说在V_{GS}为0时,源极与漏极之间存在导电沟道,随着V_{GS}增加,导电沟道会变窄,最终当V_{GS}大于某个阈值直流电源电压V_{t}时,沟道正式关闭.

    CMOS反相器如果单独使用NMOS或者PMOS,直流电源电路存在比较大的静态直流电源电流.于是出现了CMOS直流电源电路.如下图a所示就是一个CMOS的示意图.是由一个PMOS场效应管的漏极与一个NMOS场效应管的源极连接在一起组成.

    我们知道,对于NMOS管来说,关断电阻为无穷大,导通电阻比较小.这样当V_in为高电平或者等于VDD的时候,NMOS就被导通,同时PMOS关断.这时的等效直流电源电路如上图b.输出V_out和ground结点之间有一个直接的通道,导致输出处于一个稳定的0V.当输入为低电平(0V),NMOS关断,PMOS导通,等效直流电源电路如上图c,这时输出V_out与V_DD之间存在一个直接通道,所以输出为高.最终直流电源电路表现出一个反相器的功能.

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