MOSFET 作為四端元件在線性穩(wěn)壓器里的應(yīng)用

進(jìn)入立锜以前雖然已經(jīng)工作了十幾年，但我一直不懂模擬電路，更不知道 MOSFET 是個(gè)四端元件，第一次聽說這個(gè)概念還是第一次去中國臺(tái)灣新竹總部出差的時(shí)候，一位早已認(rèn)識(shí)的 RD 人員和我聊起 RT9701，這顆 IC 似乎是那時(shí)市場上唯一可以避免電流倒灌的電子開關(guān)，而他就是這顆 IC 的設(shè)計(jì)者，我當(dāng)時(shí)和他聊的是看能否設(shè)計(jì)一顆新的器件，但所有聊天的細(xì)節(jié)到現(xiàn)在還記得的就是 MOSFET 是個(gè)四端元件的信息，其他的一概都成了過往云煙。
關(guān)于 MOSFET，百度百科的詞條里有這樣的內(nèi)容：

圖1（指上圖，源自百度百科，與本段文字同源）是典型平面 N 溝道增強(qiáng)型 NMOSFET 的剖面圖。它用一塊 P 型硅半導(dǎo)體材料作襯底，在其面上擴(kuò)散了兩個(gè) N 型區(qū)，再在上面覆蓋一層二氧化硅 (SiO2）絕緣層，最后在 N 區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個(gè)孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)做成三個(gè)電極：G (柵極）、S（源極）及 D（漏極），如圖所示。從圖 1 中可以看出柵極 G 與漏極 D 及源極 S 是 絕緣的，D 與 S 之間有兩個(gè) PN 結(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起，這樣，相當(dāng)于 D 與 S 之間有一個(gè) PN 結(jié)。
這段描述的最后一句話所陳述的事實(shí)對于它被我們理解為三端元件有很重要的作用，“襯底與源極在內(nèi)部連接在一起”指的是我們看到的 MOSFET 單管的內(nèi)部情況，它表現(xiàn)在上圖中就是從 S 源極連接到襯底 P 部的那條線，到了變成原理圖上的符號(hào)時(shí)已經(jīng)不那么突出了，而“相當(dāng)于 D 與 S 之間有一個(gè) PN 結(jié)”的影響卻表現(xiàn)得很充分，非常明確地在提醒我們這個(gè)二極管的作用。

（此圖源自百度百科）
借助這個(gè) PN 結(jié)二極管的作用，即使處于關(guān)斷的情況下，電流也能從 N-MOSFET 的 S 極流向 D 極、從 P-MOSFET 的 D 極流向 S 極。
現(xiàn)今的絕大部分低壓差線性穩(wěn)壓器采用 N-MOSFET 或 P-MOSFET 作為電壓調(diào)整管，其電路結(jié)構(gòu)圖如下面兩圖所示：

（此圖源自 RT9085A 規(guī)格書）

（此圖源自 RT9078 規(guī)格書）
它們的共同特性是都有一個(gè)體二極管存在于 VOUT 和 VIN 之間，當(dāng)輸出端電壓高于輸入端電壓并能使該二極管導(dǎo)通時(shí)便會(huì)有電流經(jīng)過它從輸出端倒灌到輸入端。
另一種線性穩(wěn)壓器則把調(diào)整管當(dāng)作四端元件來處理，調(diào)整管的襯底與其源極之間沒有直接連接，只要管子處于關(guān)斷狀態(tài)，即使輸出端的電壓比輸入端電壓高了許多也不會(huì)有倒灌電流產(chǎn)生，它們的電路結(jié)構(gòu)如下面的圖形所示：

（此圖源自 RT9048A 規(guī)格書）

（此圖源自 RTQ2531W 規(guī)格書）
在將 MOSFET 當(dāng)作四端元件處理而阻斷了體二極管的倒灌現(xiàn)象以后，雖然不會(huì)有關(guān)斷情況下的倒灌電流產(chǎn)生，但如果調(diào)整管處于導(dǎo)通狀態(tài)而輸出端的電壓又高于輸入端的電壓了，這種狀況仍然會(huì)產(chǎn)生倒灌電流，因?yàn)?MOSFET 在導(dǎo)通狀態(tài)下的電流是可以雙向流動(dòng)的，所以需要避免電流倒灌的器件就有對輸入、輸出電壓進(jìn)行比較的檢測措施，只要發(fā)現(xiàn)輸出端電壓已經(jīng)高于輸入端電壓了，它就會(huì)立刻將調(diào)整管切換到關(guān)斷狀態(tài)，避免了倒灌現(xiàn)象的發(fā)生。
有心的讀者應(yīng)該還記得我們前段時(shí)間介紹過一個(gè)型號(hào)為 RT9072 的高壓線性穩(wěn)壓器，它的調(diào)整管是雙極晶體管，同樣具有防倒灌作用，但其作用機(jī)制就與上述方式完全不同，是由雙極晶體管本身的特性來實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在給出它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖以供參考。

同樣的功能，不同的設(shè)計(jì)可以采用不同的方法，這個(gè)世界就是那么奇妙，我覺得這樣真的很好玩。