MOSFET知識-詳解MOSFET柵極前100Ω電阻有什么用-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-09-09
年輕的應用工程師 Neubean 想通過(guò)實(shí)驗證明，為了獲得穩定性，是不是真的必須把一個(gè) 100 Ω 的電阻放在 MOSFET 柵極前。
MOSFET，金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管（是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場(chǎng)效晶體管。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類(lèi)型，通常又稱(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)上包括NMOS、PMOS等。
高端電流檢測簡(jiǎn)介
圖1中的電路所示為一個(gè)典型的高端電流檢測示例。
負反饋試圖在增益電阻RGAIN上強制施加電壓VSENSE。通過(guò)RGAIN的電流流過(guò)P溝道MOSFET (PMOS)，進(jìn)入電阻ROUT，該電阻形成一個(gè)以地為基準的輸出電壓。總增益為：
電阻ROUT上的可選電容 COUT 的作用是對輸出電壓濾波。即使 PMOS 的漏極電流快速跟隨檢測到的電流，輸出電壓也會(huì )展現出單極點(diǎn)指數軌跡。
原理圖中的電阻 RGATE 將放大器與PMOS柵極隔開(kāi)。其值是多少？經(jīng)驗豐富的 Gureux 可能會(huì )說(shuō)：“當然是100 Ω！”
嘗試多個(gè)阻值
如果柵極和源極之間有足夠的電容，或者柵極電阻足夠大，則應該可以導致穩定性問(wèn)題。一旦確定RGATE和CGATE相互會(huì )產(chǎn)生不利影響，則可以揭開(kāi)100 Ω或者任何柵極電阻值成為合理答案的原因。
圖2所示為用于凸顯電路行為的LTspice仿真示例。通過(guò)仿真來(lái)展現穩定性問(wèn)題，他認為，穩定性問(wèn)題會(huì )隨著(zhù)RGATE的增大而出現。畢竟，來(lái)自RGATE和CGATE的極點(diǎn)應該會(huì )蠶食與開(kāi)環(huán)關(guān)聯(lián)的相位裕量。然而，令人驚奇的是，在時(shí)域響應中，所有RGATE值都未出現任何問(wèn)題。
電路并不簡(jiǎn)單
在研究頻率響應時(shí)，意識到，需要明確什么是開(kāi)環(huán)響應。如果與單位負反饋結合，構成環(huán)路的正向路徑會(huì )從差值開(kāi)始，結束于結果負輸入端。我們模擬了VS/(VP – VS)或VS/VE，并將結果繪制成圖。圖3所示為該開(kāi)環(huán)響應的頻域圖。在圖3的波特圖中，直流增益很小，并且交越時(shí)未發(fā)現相位裕量問(wèn)題。事實(shí)上，從整體上看，這幅圖顯示非常怪異，因為交越頻率小于0.001 Hz。
將電路分解成控制系統的結果如圖4所示。就像幾乎所有電壓反饋運算放大器一樣，LTC2063具有高直流增益和單極點(diǎn)響應。該運算放大器放大誤差信號，驅動(dòng)PMOS柵極，使信號通過(guò)RGATE– CGATE濾波器。CGATE和PMOS源一起連接至運算放大器的–IN輸入端。RGAIN從該節點(diǎn)連接至低阻抗源。即使在圖4中，可能看起來(lái)RGATE– CGATE濾波器應該會(huì )導致穩定性問(wèn)題，尤其是在RGATE比RGATE大得多的情況下。畢竟，會(huì )直接影響系統RGATE電流的CGATE電壓滯后于運算放大器輸出變化。
對于為什么RGATE和CGATE沒(méi)有導致不穩定，我們提供了一種解釋?zhuān)骸皷艠O源為固定電壓，所以，RGATE – CGATE電路在這里是無(wú)關(guān)緊要的。你只需要按以下方式調整柵極和源即可。這是一個(gè)源極跟隨器。”
經(jīng)驗更豐富的同事說(shuō)：“實(shí)際上，不是這樣的。只有當PMOS作為電路里的一個(gè)增益模塊正常工作時(shí)，情況才是這樣的。”
受此啟發(fā)，思考數學(xué)問(wèn)題——要是能直接模擬PMOS源對PMOS柵極的響應，結果會(huì )怎樣？換言之，V(VS)/V(VG)是什么？等式：
其中，
運算放大器增益為A，運算放大器極點(diǎn)為ωA。
什么是gm？對于一個(gè)MOSFET，看著(zhù)圖1中的電路，當通過(guò)RSENSE的電流為零時(shí)，通過(guò)PMOS的電流應該為零。當電流為零時(shí)，gm為零，因為PMOS實(shí)際上是關(guān)閉的，未被使用、無(wú)偏置且無(wú)增益。當gm = 0時(shí)，VS/VE為0，頻率為0 Hz，VS/VG為0，頻率為0 Hz，所以，根本沒(méi)有增益，圖3中的曲線(xiàn)圖可能是有效的。
試圖用LTC2063發(fā)現不穩定問(wèn)題
帶來(lái)這點(diǎn)啟示，Neubean很快就用非零的ISENSE嘗試進(jìn)行了一些仿真。
圖5為從VE到VS的響應增益/相位圖，該曲線(xiàn)跨越0dB以上到0dB以下，看起來(lái)要正常得多。圖5應該顯示大約2 kHz時(shí)，100 Ω下有大量的PM，100 kΩ下PM較少，1 MΩ下甚至更少，但不會(huì )不穩定。
Neubean來(lái)到實(shí)驗室，用高端檢測電路LTC2063得到一個(gè)檢測電流。他插入一個(gè)高RGATE值，先是100 kΩ，然后是1 MΩ，希望能看到不穩定的行為，或者至少出現某類(lèi)振鈴。不幸的是，他都沒(méi)有看到。他嘗試加大MOSFET里的漏極電流，先增加ISENSE，然后使用較小的RGAIN電阻值。結果仍然沒(méi)能使電路出現不穩定問(wèn)題。
他又回到了仿真，嘗試用非零ISENSE測量相位裕量。即使在仿真條件下也很難，甚至不可能發(fā)現不穩定問(wèn)題或者低相位裕度問(wèn)題。
Neubean找到Gureux，問(wèn)他為什么沒(méi)能使電路變得不穩定。Gureux建議他研究一下具體的數字。Neubean已經(jīng)對Gureux高深莫測的話(huà)習以為常，所以，他研究了RGATE和柵極總電容形成的實(shí)際極點(diǎn)。在100 Ω和250 pF下，極點(diǎn)為6.4 MHz；在100 kΩ下，極點(diǎn)為6.4 kHz；在1 MΩ下，極點(diǎn)為640 Hz。LTC2063增益帶寬積(GBP)為20 kHz。當LTC2063具有增益時(shí)，閉環(huán)交越頻率可能輕松下滑至RGATE– CGATE極點(diǎn)的任何作用以下。
可能出現不穩定問(wèn)題
意識到運算放大器動(dòng)態(tài)范圍需要延伸至RGATE– CGATE極點(diǎn)的范圍以外，Neubean選擇了一個(gè)更高增益帶寬積的運放。LTC6255 5 V運算放大器可以直接加入電路，增益帶寬積也比較高，為6.5 MHz。
Neubean急切地用電流、LTC6255、100 kΩ柵極電阻和300 mA檢測電流進(jìn)行了仿真。
然后，Neubean在仿真里添加了RGATE。當RGATE足夠大時(shí)，一個(gè)額外的極點(diǎn)可能會(huì )使電路變得不穩定。
圖6和圖7顯示的是在高RGATE值條件下的仿真結果。當檢測電流保持300 mA不變時(shí)，仿真會(huì )出現不穩定情況。
實(shí)驗結果
為了解電流是否會(huì )在檢測非零電流時(shí)出現異常行為，Neubean用不同步進(jìn)的負載電流和三個(gè)不同的RGATE值對LTC6255進(jìn)行了測試。在瞬時(shí)開(kāi)關(guān)切入更多并行負載電阻的情況下，ISENSE從60 mA的基數過(guò)度到較高值220 mA。這里沒(méi)有零ISENSE測量值，因為我們已經(jīng)證明，那種情況下的MOSFET增益太低。
實(shí)際上，圖8最終表明，使用100 kΩ和1 MΩ電阻時(shí)，穩定性確實(shí)會(huì )受到影響。由于輸出電壓會(huì )受到嚴格濾波，所以，柵極電壓就變成了振鈴檢測器。振鈴表示相位裕量糟糕或為負值，振鈴頻率顯示交越頻率。
頭腦風(fēng)暴時(shí)間
Neubean意識到，雖然看到過(guò)許多高端集成電流檢測電路，但不幸的是，工程師根本無(wú)力決定柵極電阻，因為這些都是集成在器件當中的。具體的例子有AD8212、LTC6101、LTC6102和LTC6104高電壓、高端電流檢測器件。事實(shí)上，AD8212采用的是PNP晶體管而非PMOS FET。他告訴Gureux說(shuō)：“真的沒(méi)關(guān)系，因為現代器件已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。”
好像早等著(zhù)這一刻，教授幾乎打斷了Neubean的話(huà)，說(shuō)道：“我們假設，你要把極低電源電流與零漂移輸入失調結合起來(lái)，比如安裝在偏遠地點(diǎn)的電池供電儀器。你可能會(huì )使用LTC2063或LTC2066，將其作為主放大器。或者你要通過(guò)470 Ω分流電阻測到低等級電流，并盡量準確、盡量減少噪聲；那種情況下，你可能需要使用ADA4528，該器件支持軌到軌輸入。在這些情況下，你需要與MOSFET驅動(dòng)電路打交道。”
顯然，只要柵極電阻過(guò)大，使高端電流檢測電路變得不穩定是有可能的。Neubean向樂(lè )于助人的老師Gureux談起了自己的發(fā)現。Gureux表示，事實(shí)上，RGATE確實(shí)有可能使電路變得不穩定，但開(kāi)始時(shí)沒(méi)能發(fā)現這種行為是因為問(wèn)題的提法不正確。需要有增益，在當前電路中，被測信號需要是非零。
Gureux回答說(shuō)：“肯定，當極點(diǎn)侵蝕交越處的相位裕量時(shí)，就會(huì )出現振鈴。但是，你增加1 MΩ柵極電阻的行為是非常荒謬的，甚至100 kΩ也是瘋狂的。記住，一種良好的做法是限制運算放大器的輸出電流，防止其將柵極電容從一個(gè)供電軌轉向另一個(gè)供電軌。”
1、場(chǎng)效應晶體管是電壓控制元件，而雙極結型晶體管是電流控制元件。在只允許從取較少電流的情況下，應選用場(chǎng)效應管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用雙極晶體管。
2、有些場(chǎng)效應管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負，靈活性比雙極晶體管好。
3、場(chǎng)效應管是利用多數載流子導電，所以稱(chēng)之為單極型器件，而雙極結型晶體管是即有多數載流子，也利用少數載流子導電。因此被稱(chēng)之為雙極型器件。
4、場(chǎng)效應管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)效應管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)效應管在大規模集成電路中得到了廣泛的應用。
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助
