MOSFET知識-詳解MOSFET柵極前100Ω電阻有什么用
MOSFET知識-詳解MOSFET柵極前100Ω電阻有什么用
年輕的應用工程師 Neubean 想通過實驗證明，為了獲得穩(wěn)定性，是不是真的必須把一個 100 Ω 的電阻放在 MOSFET 柵極前。
MOSFET，金屬-氧化物半導體場效應晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（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，其他簡稱上包括NMOS、PMOS等。
高端電流檢測簡介
圖1中的電路所示為一個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RGAIN的電流流過P溝道MOSFET (PMOS)，進入電阻ROUT，該電阻形成一個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，輸出電壓也會展現出單極點指數軌跡。
原理圖中的電阻 RGATE 將放大器與PMOS柵極隔開。其值是多少？經驗豐富的 Gureux 可能會說：“當然是100 Ω！”
嘗試多個阻值
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(wěn)定性問題。一旦確定RGATE和CGATE相互會產生不利影響，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。通過仿真來展現穩(wěn)定性問題，他認為，穩(wěn)定性問題會隨著RGATE的增大而出現。畢竟，來自RGATE和CGATE的極點應該會蠶食與開環(huán)關聯的相位裕量。然而，令人驚奇的是，在時域響應中，所有RGATE值都未出現任何問題。
電路并不簡單
在研究頻率響應時，意識到，需要明確什么是開環(huán)響應。如果與單位負反饋結合，構成環(huán)路的正向路徑會從差值開始，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，并且交越時未發(fā)現相位裕量問題。事實上，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(tǒng)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響應。該運算放大器放大誤差信號，驅動PMOS柵極，使信號通過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(jié)點連接至低阻抗源。即使在圖4中，可能看起來RGATE– CGATE濾波器應該會導致穩(wěn)定性問題，尤其是在RGATE比RGATE大得多的情況下。畢竟，會直接影響系統(tǒng)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沒有導致不穩(wěn)定，我們提供了一種解釋：“柵極源為固定電壓，所以，RGATE – CGATE電路在這里是無關緊要的。你只需要按以下方式調整柵極和源即可。這是一個源極跟隨器。”
經驗更豐富的同事說：“實際上，不是這樣的。只有當PMOS作為電路里的一個增益模塊正常工作時，情況才是這樣的。”
受此啟發(fā)，思考數學問題——要是能直接模擬PMOS源對PMOS柵極的響應，結果會怎樣？換言之，V(VS)/V(VG)是什么？等式：
其中，
運算放大器增益為A，運算放大器極點為ωA。
什么是gm？對于一個MOSFET，看著圖1中的電路，當通過RSENSE的電流為零時，通過PMOS的電流應該為零。當電流為零時，gm為零，因為PMOS實際上是關閉的，未被使用、無偏置且無增益。當gm = 0時，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)現不穩(wěn)定問題
帶來這點啟示，Neubean很快就用非零的ISENSE嘗試進行了一些仿真。
圖5為從VE到VS的響應增益/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應該顯示大約2 kHz時，100 Ω下有大量的PM，100 kΩ下PM較少，1 MΩ下甚至更少，但不會不穩(wěn)定。
Neubean來到實驗室，用高端檢測電路LTC2063得到一個檢測電流。他插入一個高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。結果仍然沒能使電路出現不穩(wěn)定問題。
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(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字。Neubean已經對Gureux高深莫測的話習以為常，所以，他研究了RGATE和柵極總電容形成的實際極點。在100 Ω和250 pF下，極點為6.4 MHz；在100 kΩ下，極點為6.4 kHz；在1 MΩ下，極點為640 Hz。LTC2063增益帶寬積(GBP)為20 kHz。當LTC2063具有增益時，閉環(huán)交越頻率可能輕松下滑至RGATE– CGATE極點的任何作用以下。
可能出現不穩(wěn)定問題
意識到運算放大器動態(tài)范圍需要延伸至RGATE– CGATE極點的范圍以外，Neubean選擇了一個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檢測電流進行了仿真。
然后，Neubean在仿真里添加了RGATE。當RGATE足夠大時，一個額外的極點可能會使電路變得不穩(wěn)定。
圖6和圖7顯示的是在高RGATE值條件下的仿真結果。當檢測電流保持300 mA不變時，仿真會出現不穩(wěn)定情況。
實驗結果
為了解電流是否會在檢測非零電流時出現異常行為，Neubean用不同步進的負載電流和三個不同的RGATE值對LTC6255進行了測試。在瞬時開關切入更多并行負載電阻的情況下，ISENSE從60 mA的基數過度到較高值220 mA。這里沒有零ISENSE測量值，因為我們已經證明，那種情況下的MOSFET增益太低。
實際上，圖8最終表明，使用100 kΩ和1 MΩ電阻時，穩(wěn)定性確實會受到影響。由于輸出電壓會受到嚴格濾波，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。
頭腦風暴時間
Neubean意識到，雖然看到過許多高端集成電流檢測電路，但不幸的是，工程師根本無力決定柵極電阻，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。事實上，AD8212采用的是PNP晶體管而非PMOS FET。他告訴Gureux說：“真的沒關系，因為現代器件已經解決了這個問題。”
好像早等著這一刻，教授幾乎打斷了Neubean的話，說道：“我們假設，你要把極低電源電流與零漂移輸入失調結合起來，比如安裝在偏遠地點的電池供電儀器。你可能會使用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驅動電路打交道。”
顯然，只要柵極電阻過大，使高端電流檢測電路變得不穩(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。Gureux表示，事實上，RGATE確實有可能使電路變得不穩(wěn)定，但開始時沒能發(fā)現這種行為是因為問題的提法不正確。需要有增益，在當前電路中，被測信號需要是非零。
Gureux回答說：“肯定，當極點侵蝕交越處的相位裕量時，就會出現振鈴。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供電軌轉向另一個供電軌。”
MOSFET應用優(yōu)勢
1、場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、場效應管是利用多數載流子導電，所以稱之為單極型器件，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。因此被稱之為雙極型器件。
4、場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效應管集成在一塊硅片上，因此場效應管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應用。
