EUR | USD

Come scegliere un MOSFET per circuiti logici o la progettazione di gate

I transistor a effetto di campo di tipo MOS (semiconduttore a ossido di metallo), o MOSFET, sono i semiconduttori maggiormente utilizzati nelle applicazioni comuni di commutazione azionate da tensione, con alta tensione e corrente elevata. Attualmente sono preferiti al predecessore azionato a corrente, il BJT (transistor a giunzione bipolare). Sul lato opposto dello spettro di commutazione, i MOSFET di livello logico prevalgono per la costruzione di processori e altri dispositivi a piccolo segnale, soprattutto grazie alla loro maggiore efficienza e alla capacità di commutazione ad alta velocità.

Il MOSFET si discosta nettamente dal BJT in termini di configurazione, ma utilizza comunque giunzioni P e N con canali di arricchimento o esaurimento dove avviene la conducibilità. Per informazioni sulla costruzione e il funzionamento dei MOSFET in generale, consultare l'articolo di Digi-Key Electronics in eewiki.

Molti progetti di basette sperimentali o PCB con microcontroller specificano la logica TTL utilizzando transistor BJT come il rinomato 2N3904 (NPN) o 2N3906 (PNP). Questi transistor in effetti si comportano egregiamente sia con che senza una polarizzazione preventiva della base, ma sono meno efficienti e in alcuni casi hanno tempi di risposta inferiori rispetto ai CMOS.

Sia con una logica a 3,3 V che a 5 V, ci sono valori di soglia tra queste tensioni e la terra che determinano l'alta o bassa tensione dal punto di vista logico. È inoltre necessario un intervallo di tensioni tra alta e bassa che agisca da cuscinetto, una condizione spesso chiamata regione "illegale", che garantisce che il punto critico tra alta e bassa tensione piena non sia troppo brusco, perché potrebbe causare risultati imprevedibili (Figura 1).

Parametri da considerare per scegliere un MOSFET a canale N di livello logico

Tensione di soglia gate-source - Vgs(th)(min) e Vgs(th)(max): la tensione di gate al valore di soglia minimo o inferiore spegne il MOSFET. Normalmente le tensioni di gate minime per una logica a 5 V sono tra 0,5 V e 1 V. Le tensioni di gate superiori al valore di soglia massimo accendono il MOSFET. Le tensioni di soglia di gate tra il minimo e il massimo potrebbero accendere o spegnere il MOSFET e devono essere evitate. Si noti come i valori minimi e massimi coincidano più o meno con la regione illegale nella Figura 1.

Figura 1

Resistenza nello stato On drain/source - RDSon: quando il MOSFET è acceso, è presente resistenza tra il drain e il source, che si riduce man mano che la tensione di gate-source o il valore Vgs aumenta. Scegliete un MOSFET dove i valori RDSon più bassi si verifichino in corrispondenza del valore di alta tensione logica ideale, e non diminuiscano in modo significativo con valori Vgs più alti. Vedere la Figura 2.

Figura 2

Esempio: secondo la scheda tecnica, un MOSFET Infineon IRLZ44 ha 25 mOhm di resistenza drain/source a 5 V, 35 mOhm a 4 V e 22 mOhm a 10 V. A 5 V, il valore RDSon è di solo 3 mOhm superiore rispetto a quello a 10 V, ma di 10 mOhm inferiore rispetto al valore RDSon a 4 V. È quindi una buona scelta se consideriamo RDSon.

Figura 3

Capacità di ingresso - CISS: la combinazione tra gate, strato di ossido e attacco del corpo di un MOSFET funziona da piccolo condensatore che inizia a caricarsi quando è presente tensione sul gate. La carica richiede tempo e quindi si verifica un ritardo dello stato On. Scegliete un MOSFET con una capacità di ingresso più bassa possibile, per evitare lunghi ritardi e per ridurre al minimo la corrente di inserzione che può essere molto elevata all'inizio ma ridursi mentre il condensatore si carica. Idealmente, il ritardo dello stato On deve essere molto breve, ma questo potrebbe creare un picco transitorio che danneggerebbe un pin I/O con limitata capacità di generazione di corrente.

Un resistore di limitazione di corrente tra il pin e il gate impedisce un assorbimento di corrente eccessivo del pin I/O.

Se si utilizza un MOSFET collegato direttamente a un pin di uscita del microcontroller, il gate del MOSFET deve essere portato su alto o basso, secondo le necessità, utilizzando un resistore esterno, per impedire una logica di tipo floating gate e un risultato indesiderato dal MOSFET durante l'avvio e il ripristino della MCU.

I parametri appena illustrati sono solo l'inizio per chi deve scegliere un MOSFET per circuiti logici o progetti gate, e possono essere ampliati con ulteriori considerazioni che riguardano la dissipazione del calore e altri parametri prestazionali. Non aspettate: provate i MOSFET già nel vostro prossimo progetto.

Informazioni su questo autore

Image of Don Johanneck

Don Johanneck, Technical Content Developer presso Digi-Key Electronics, lavora in azienda dal 2014. Di recente promosso alla sua attuale posizione, è responsabile delle descrizioni per i video e dei contenuti di prodotto. Don ha conseguito una laurea tecnico-scientifica in Electronics Technology & Automated Systems presso Northland Community & Technical College attraverso il programma di borse di studio Digi-Key. Ama il modellismo radiocomandato, il restauro di auto d'epoca e il bricolage.

More posts by Don Johanneck