年輕的應(yīng)用工程師 Neubean 想通過實(shí)驗(yàn)證明，為了獲得穩(wěn)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管（是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)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” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱上包括NMOS、PMOS等。
高端電流檢測(cè)簡(jiǎn)介
圖1中的電路所示為一個(gè)典型的高端電流檢測(cè)示例。
負(fù)反饋試圖在增益電阻RGAIN上強(qiáng)制施加電壓VSENSE。通過RGAIN的電流流過P溝道MOSFET (PMOS)，進(jìn)入電阻ROUT，該電阻形成一個(gè)以地為基準(zhǔn)的輸出電壓。總增益為：
電阻ROUT上的可選電容 COUT 的作用是對(duì)輸出電壓濾波。即使 PMOS 的漏極電流快速跟隨檢測(cè)到的電流，輸出電壓也會(huì)展現(xiàn)出單極點(diǎn)指數(shù)軌跡。
原理圖中的電阻 RGATE 將放大器與PMOS柵極隔開。其值是多少？經(jīng)驗(yàn)豐富的 Gureux 可能會(huì)說：“當(dāng)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(yīng)該可以導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。一旦確定RGATE和CGATE相互會(huì)產(chǎn)生不利影響，則可以揭開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。通過仿真來展現(xiàn)穩(wěn)定性問題，他認(rèn)為，穩(wěn)定性問題會(huì)隨著RGATE的增大而出現(xiàn)。畢竟，來自RGATE和CGATE的極點(diǎn)應(yīng)該會(huì)蠶食與開環(huán)關(guān)聯(lián)的相位裕量。然而，令人驚奇的是，在時(shí)域響應(yīng)中，所有RGATE值都未出現(xiàn)任何問題。
電路并不簡(jiǎn)單
在研究頻率響應(yīng)時(shí)，意識(shí)到，需要明確什么是開環(huán)響應(yīng)。如果與單位負(fù)反饋結(jié)合，構(gòu)成環(huán)路的正向路徑會(huì)從差值開始，結(jié)束于結(jié)果負(fù)輸入端。我們模擬了VS/(VP – VS)或VS/VE，并將結(jié)果繪制成圖。圖3所示為該開環(huán)響應(yīng)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(xiàn)相位裕量問題。事實(shí)上，從整體上看，這幅圖顯示非常怪異，因?yàn)榻辉筋l率小于0.001 Hz。
將電路分解成控制系統(tǒng)的結(jié)果如圖4所示。就像幾乎所有電壓反饋運(yùn)算放大器一樣，LTC2063具有高直流增益和單極點(diǎn)響應(yīng)。該運(yùn)算放大器放大誤差信號(hào)，驅(qū)動(dòng)PMOS柵極，使信號(hào)通過RGATE– CGATE濾波器。CGATE和PMOS源一起連接至運(yùn)算放大器的–IN輸入端。RGAIN從該節(jié)點(diǎn)連接至低阻抗源。即使在圖4中，可能看起來RGATE– CGATE濾波器應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問題，尤其是在RGATE比RGATE大得多的情況下。畢竟，會(huì)直接影響系統(tǒng)RGATE電流的CGATE電壓滯后于運(yùn)算放大器輸出變化。
對(duì)于為什么RGATE和CGATE沒有導(dǎo)致不穩(wěn)定，我們提供了一種解釋：“柵極源為固定電壓，所以，RGATE – CGATE電路在這里是無關(guān)緊要的。你只需要按以下方式調(diào)整柵極和源即可。這是一個(gè)源極跟隨器。”
經(jīng)驗(yàn)更豐富的同事說：“實(shí)際上，不是這樣的。只有當(dāng)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(shù)學(xué)問題——要是能直接模擬PMOS源對(duì)PMOS柵極的響應(yīng)，結(jié)果會(huì)怎樣？換言之，V(VS)/V(VG)是什么？等式：
其中，
運(yùn)算放大器增益為A，運(yùn)算放大器極點(diǎn)為ωA。
什么是gm？對(duì)于一個(gè)MOSFET，看著圖1中的電路，當(dāng)通過RSENSE的電流為零時(shí)，通過PMOS的電流應(yīng)該為零。當(dāng)電流為零時(shí)，gm為零，因?yàn)镻MOS實(shí)際上是關(guān)閉的，未被使用、無偏置且無增益。當(dāng)gm = 0時(shí)，VS/VE為0，頻率為0 Hz，VS/VG為0，頻率為0 Hz，所以，根本沒有增益，圖3中的曲線圖可能是有效的。
試圖用LTC2063發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定問題
帶來這點(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(yīng)增益/相位圖，該曲線跨越0dB以上到0dB以下，看起來要正常得多。圖5應(yīng)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(wěn)定。
Neubean來到實(shí)驗(yàn)室，用高端檢測(cè)電路LTC2063得到一個(gè)檢測(cè)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(wěn)定的行為，或者至少出現(xiàn)某類振鈴。不幸的是，他都沒有看到。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(jié)果仍然沒能使電路出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。
他又回到了仿真，嘗試用非零ISENSE測(cè)量相位裕量。即使在仿真條件下也很難，甚至不可能發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定問題或者低相位裕度問題。
Neubean找到Gureux，問他為什么沒能使電路變得不穩(wěn)定。Gureux建議他研究一下具體的數(shù)字。Neubean已經(jīng)對(duì)Gureux高深莫測(cè)的話習(xí)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(dāng)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(xiàn)不穩(wěn)定問題
意識(shí)到運(yùn)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(yùn)放。LTC6255 5 V運(yùn)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(cè)電流進(jìn)行了仿真。
然后，Neubean在仿真里添加了RGATE。當(dāng)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(wěn)定。
圖6和圖7顯示的是在高RGATE值條件下的仿真結(jié)果。當(dāng)檢測(cè)電流保持300 mA不變時(shí)，仿真會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了解電流是否會(huì)在檢測(cè)非零電流時(shí)出現(xiàn)異常行為，Neubean用不同步進(jìn)的負(fù)載電流和三個(gè)不同的RGATE值對(duì)LTC6255進(jìn)行了測(cè)試。在瞬時(shí)開關(guān)切入更多并行負(fù)載電阻的情況下，ISENSE從60 mA的基數(shù)過度到較高值220 mA。這里沒有零ISENSE測(cè)量值，因?yàn)槲覀円呀?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(wěn)定性確實(shí)會(huì)受到影響。由于輸出電壓會(huì)受到嚴(yán)格濾波，所以，柵極電壓就變成了振鈴檢測(cè)器。振鈴表示相位裕量糟糕或?yàn)樨?fù)值，振鈴頻率顯示交越頻率。
頭腦風(fēng)暴時(shí)間
Neubean意識(shí)到，雖然看到過許多高端集成電流檢測(cè)電路，但不幸的是，工程師根本無力決定柵極電阻，因?yàn)檫@些都是集成在器件當(dāng)中的。具體的例子有AD8212、LTC6101、LTC6102和LTC6104高電壓、高端電流檢測(cè)器件。事實(shí)上，AD8212采用的是PNP晶體管而非PMOS FET。他告訴Gureux說：“真的沒關(guān)系，因?yàn)楝F(xiàn)代器件已經(jīng)解決了這個(gè)問題。”
好像早等著這一刻，教授幾乎打斷了Neubean的話，說道：“我們假設(shè)，你要把極低電源電流與零漂移輸入失調(diào)結(jié)合起來，比如安裝在偏遠(yuǎn)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470 Ω分流電阻測(cè)到低等級(jí)電流，并盡量準(zhǔn)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(qū)動(dòng)電路打交道。”
顯然，只要柵極電阻過大，使高端電流檢測(cè)電路變得不穩(wěn)定是有可能的。Neubean向樂于助人的老師Gureux談起了自己的發(fā)現(xiàn)。Gureux表示，事實(shí)上，RGATE確實(shí)有可能使電路變得不穩(wěn)定，但開始時(shí)沒能發(fā)現(xiàn)這種行為是因?yàn)閱栴}的提法不正確。需要有增益，在當(dāng)前電路中，被測(cè)信號(hào)需要是非零。
Gureux回答說：“肯定，當(dāng)極點(diǎn)侵蝕交越處的相位裕量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)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(yùn)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(zhuǎn)向另一個(gè)供電軌。”
MOSFET應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
1、場(chǎng)效應(yīng)晶體管是電壓控制元件，而雙極結(jié)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(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用雙極晶體管。
2、有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比雙極晶體管好。
3、場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而雙極結(jié)型晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。因此被稱之為雙極型器件。
4、場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。
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