MOSFET知识-详解MOSFET栅极前100Ω电阻有什么用

年轻的应用工(gong)程师(shi) Neubean 想通过(guo)实验证明，为了(le)获(huo)得稳定性，是不是真(zhen)的必须(xu)把一(yi)个(ge) 100 Ω 的电阻放在(zai) MOSFET 栅极前。

MOSFET，金属(shu)-氧(yang)(yang)化物半(ban)导(dao)体场(chang)效应(ying)晶体管(guan)，简称金氧(yang)(yang)半(ban)场(chang)效晶体管(guan)（是(shi)一(yi)种可(ke)以广泛使(shi)用在模拟电路(lu)与(yu)数字电路(lu)的场(chang)效晶体管(guan)。MOSFET依照其(qi)“通道”（工作载(zai)流子）的极性(xing)不同，可(ke)分(fen)为(wei)“N型”与(yu)“P型” 的两种类型，通常又称为(wei)NMOSFET与(yu)PMOSFET，其(qi)他简称上包括NMOS、PMOS等。

高端电流检测简介

图1中的电(dian)路(lu)所示为一个典型的高端电(dian)流检测示例。

负反馈(kui)试(shi)图在增(zeng)(zeng)益电(dian)(dian)阻RGAIN上强制施(shi)加电(dian)(dian)压VSENSE。通过RGAIN的(de)(de)电(dian)(dian)流流过P沟道MOSFET (PMOS)，进(jin)入(ru)电(dian)(dian)阻ROUT，该电(dian)(dian)阻形成一个以地(di)为基准(zhun)的(de)(de)输(shu)出电(dian)(dian)压。总增(zeng)(zeng)益为：

电(dian)阻ROUT上的可选电(dian)容(rong) COUT 的作用(yong)是(shi)对输出(chu)(chu)电(dian)压滤波。即使 PMOS 的漏极电(dian)流快(kuai)速跟随检测到的电(dian)流，输出(chu)(chu)电(dian)压也会展现出(chu)(chu)单极点(dian)指(zhi)数轨迹。

原(yuan)理图中的电阻 RGATE 将放(fang)大器(qi)与PMOS栅极(ji)隔开。其值(zhi)是多少？经验丰富的 Gureux 可能会说(shuo)：“当(dang)然(ran)是100 Ω！”

尝试多个阻值

如果栅极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)之间有足(zu)够的电容，或者栅极(ji)(ji)电阻足(zu)够大，则应该可(ke)以(yi)导致(zhi)稳定(ding)性问题。一旦确定(ding)RGATE和CGATE相互会产生不利影响，则可(ke)以(yi)揭开100 Ω或者任何栅极(ji)(ji)电阻值成为合理答(da)案的原因。

图2所示为用(yong)于凸(tu)显电路行(xing)为的LTspice仿真示例。通过(guo)仿真来展现(xian)稳定(ding)性问题(ti)(ti)，他(ta)认为，稳定(ding)性问题(ti)(ti)会(hui)随着RGATE的增大而出现(xian)。毕竟，来自RGATE和CGATE的极点应该会(hui)蚕食与开(kai)环关联(lian)的相位裕量。然(ran)而，令人惊奇的是，在时域响应中(zhong)，所有RGATE值都未(wei)出现(xian)任何(he)问题(ti)(ti)。

电路并不简单

在研(yan)究频率响(xiang)应(ying)时，意识到(dao)，需要明(ming)确什么是开(kai)(kai)环响(xiang)应(ying)。如果(guo)(guo)与单位负反馈结(jie)合(he)，构(gou)成环路(lu)的正向路(lu)径会从(cong)差值开(kai)(kai)始，结(jie)束于结(jie)果(guo)(guo)负输入端。我们模拟了(le)VS/(VP – VS)或VS/VE，并(bing)将结(jie)果(guo)(guo)绘制成图(tu)。图(tu)3所示为该开(kai)(kai)环响(xiang)应(ying)的频域(yu)图(tu)。在图(tu)3的波特图(tu)中，直(zhi)流增益很小，并(bing)且交越时未发现相位裕量问题。事(shi)实上，从(cong)整体(ti)上看，这幅图(tu)显示非常怪异，因(yin)为交越频率小于0.001 Hz。

将电(dian)路分(fen)解(jie)成(cheng)控制系(xi)统的(de)(de)(de)结果如(ru)图(tu)4所(suo)示。就(jiu)像几乎(hu)所(suo)有电(dian)压(ya)反馈(kui)运(yun)算放大(da)(da)器(qi)一样，LTC2063具有高(gao)直流(liu)增益和单极点响(xiang)应(ying)(ying)。该(gai)运(yun)算放大(da)(da)器(qi)放大(da)(da)误差(cha)信号(hao)，驱动PMOS栅极，使信号(hao)通过(guo)RGATE– CGATE滤(lv)波(bo)器(qi)。CGATE和PMOS源(yuan)一起连接至运(yun)算放大(da)(da)器(qi)的(de)(de)(de)–IN输入(ru)端。RGAIN从该(gai)节点连接至低阻(zu)抗(kang)源(yuan)。即(ji)使在(zai)图(tu)4中(zhong)，可能(neng)看起来RGATE– CGATE滤(lv)波(bo)器(qi)应(ying)(ying)该(gai)会导(dao)致稳定性问题，尤其是在(zai)RGATE比RGATE大(da)(da)得多的(de)(de)(de)情况(kuang)下。毕竟，会直接影(ying)响(xiang)系(xi)统RGATE电(dian)流(liu)的(de)(de)(de)CGATE电(dian)压(ya)滞后于运(yun)算放大(da)(da)器(qi)输出变化。

对于为什么(me)RGATE和CGATE没有(you)导致不稳(wen)定(ding)，我(wo)们提供了一(yi)种解释：“栅极源(yuan)为固定(ding)电(dian)(dian)压，所以(yi)，RGATE – CGATE电(dian)(dian)路在这(zhei)里是(shi)无关(guan)紧要(yao)的(de)。你只需要(yao)按以(yi)下方式调整栅极和源(yuan)即可。这(zhei)是(shi)一(yi)个(ge)源(yuan)极跟随器。”

经验更(geng)丰富的(de)同事说：“实际(ji)上，不是(shi)这样(yang)(yang)的(de)。只有当(dang)PMOS作为电路里的(de)一个增(zeng)益(yi)模(mo)块正常工作时，情况才是(shi)这样(yang)(yang)的(de)。”

受此启发(fa)，思考(kao)数学问题——要是能(neng)直接模拟PMOS源对PMOS栅极的响应，结果会怎样？换言之(zhi)，V(VS)/V(VG)是什么？等式：

其(qi)中，

运(yun)算放大(da)(da)器(qi)增益为A，运(yun)算放大(da)(da)器(qi)极点为ωA。

什(shen)么是(shi)gm？对于一个(ge)MOSFET，看着图(tu)(tu)1中的(de)(de)电(dian)路，当(dang)通(tong)过(guo)RSENSE的(de)(de)电(dian)流为(wei)(wei)零(ling)时(shi)，通(tong)过(guo)PMOS的(de)(de)电(dian)流应该为(wei)(wei)零(ling)。当(dang)电(dian)流为(wei)(wei)零(ling)时(shi)，gm为(wei)(wei)零(ling)，因为(wei)(wei)PMOS实际上(shang)是(shi)关闭(bi)的(de)(de)，未被使(shi)用、无偏置且无增益(yi)。当(dang)gm = 0时(shi)，VS/VE为(wei)(wei)0，频率为(wei)(wei)0 Hz，VS/VG为(wei)(wei)0，频率为(wei)(wei)0 Hz，所以，根本没有(you)增益(yi)，图(tu)(tu)3中的(de)(de)曲线图(tu)(tu)可能是(shi)有(you)效的(de)(de)。

试图用LTC2063发现不稳定问题

带来这点(dian)启示，Neubean很快就用非零的ISENSE尝试进行了(le)一些仿真。

图5为(wei)从(cong)VE到VS的响应增益/相位图，该曲(qu)线跨越0dB以上(shang)到0dB以下，看起来(lai)要正(zheng)常得多。图5应该显示(shi)大(da)约(yue)2 kHz时，100 Ω下有(you)大(da)量的PM，100 kΩ下PM较少，1 MΩ下甚至更少，但不会(hui)不稳定。

Neubean来到实验室，用高端(duan)检(jian)(jian)测电(dian)路(lu)LTC2063得到一个检(jian)(jian)测电(dian)流。他(ta)插(cha)入一个高RGATE值，先(xian)是(shi)(shi)100 kΩ，然后是(shi)(shi)1 MΩ，希望能(neng)看到不稳定(ding)的(de)行为(wei)，或者(zhe)至少出(chu)现某类振铃。不幸的(de)是(shi)(shi)，他(ta)都没有(you)看到。他(ta)尝(chang)试加(jia)大MOSFET里(li)的(de)漏极电(dian)流，先(xian)增加(jia)ISENSE，然后使用较(jiao)小(xiao)的(de)RGAIN电(dian)阻值。结(jie)果(guo)仍然没能(neng)使电(dian)路(lu)出(chu)现不稳定(ding)问(wen)题(ti)。

他又回到了(le)仿(fang)真，尝试用非零ISENSE测(ce)量相位裕量。即使在(zai)仿(fang)真条件下也(ye)很难，甚(shen)至不可能发现不稳(wen)定问题(ti)或者低相位裕度问题(ti)。

Neubean找到Gureux，问他(ta)为(wei)什(shen)么没(mei)能(neng)使电路(lu)变(bian)得不稳(wen)定(ding)。Gureux建(jian)议他(ta)研究一下具体的(de)数字(zi)。Neubean已经对Gureux高深(shen)莫测的(de)话习以(yi)为(wei)常，所以(yi)，他(ta)研究了RGATE和(he)栅极(ji)总电容形成(cheng)的(de)实际(ji)极(ji)点。在(zai)100 Ω和(he)250 pF下，极(ji)点为(wei)6.4 MHz；在(zai)100 kΩ下，极(ji)点为(wei)6.4 kHz；在(zai)1 MΩ下，极(ji)点为(wei)640 Hz。LTC2063增益带宽积(GBP)为(wei)20 kHz。当LTC2063具有增益时，闭环(huan)交越频率(lv)可能(neng)轻(qing)松(song)下滑至RGATE– CGATE极(ji)点的(de)任何作用以(yi)下。

可能出现不稳定问题

意(yi)识(shi)到运算(suan)放大(da)器动态(tai)范围需要延伸至RGATE– CGATE极点的范围以(yi)外，Neubean选择(ze)了(le)一个更高增益(yi)带宽积(ji)的运放。LTC6255 5 V运算(suan)放大(da)器可以(yi)直接加(jia)入(ru)电路，增益(yi)带宽积(ji)也比(bi)较高，为6.5 MHz。

Neubean急切地(di)用电(dian)流、LTC6255、100 kΩ栅极(ji)电(dian)阻和300 mA检测电(dian)流进行(xing)了(le)仿真。

然后，Neubean在仿真里添加了RGATE。当RGATE足够大时，一个额外的极点可能会使电路变得不稳定(ding)。

图(tu)6和图(tu)7显示的(de)是在高RGATE值条件下的(de)仿真结(jie)果。当(dang)检测电(dian)流(liu)保持300 mA不变(bian)时(shi)，仿真会出现不稳定(ding)情况。

实验结果

为(wei)了解电流是否(fou)会在检测(ce)非零电流时(shi)出现异(yi)常(chang)行(xing)为(wei)，Neubean用不同步(bu)进的(de)负载(zai)电流和三(san)个不同的(de)RGATE值对LTC6255进行(xing)了测(ce)试。在瞬时(shi)开关切入更多并行(xing)负载(zai)电阻的(de)情况下，ISENSE从60 mA的(de)基数过度(du)到(dao)较(jiao)高值220 mA。这里没有(you)零ISENSE测(ce)量值，因为(wei)我们已(yi)经(jing)证明，那(nei)种情况下的(de)MOSFET增益太低。

实际上，图8最(zui)终表(biao)明(ming)，使(shi)用100 kΩ和1 MΩ电(dian)阻时，稳定性确实会受到影(ying)响。由于输出电(dian)压(ya)(ya)会受到严格滤(lv)波，所(suo)以，栅(zha)极(ji)电(dian)压(ya)(ya)就(jiu)变成了振铃(ling)检(jian)测(ce)器。振铃(ling)表(biao)示(shi)(shi)相位裕量糟糕或(huo)为负值，振铃(ling)频率显示(shi)(shi)交越频率。

头脑风暴时间

Neubean意(yi)识到(dao)(dao)，虽(sui)然(ran)看到(dao)(dao)过许(xu)多高端(duan)集成(cheng)电流检测(ce)电路，但不幸的是，工程师根本无力(li)决定栅极电阻，因(yin)为这些都是集成(cheng)在器(qi)件(jian)(jian)当中的。具(ju)体的例子有AD8212、LTC6101、LTC6102和LTC6104高电压、高端(duan)电流检测(ce)器(qi)件(jian)(jian)。事实(shi)上，AD8212采用的是PNP晶体管而非PMOS FET。他告诉Gureux说(shuo)：“真(zhen)的没关系，因(yin)为现代(dai)器(qi)件(jian)(jian)已经解决了这个问题。”

好像早等(deng)着这一刻，教授几乎打(da)断了Neubean的(de)话，说道：“我们假设，你(ni)要把极低(di)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)(dian)流与零漂(piao)移输入失调(diao)结合起来(lai)，比(bi)如安(an)装在(zai)偏远地点的(de)电(dian)(dian)(dian)池供电(dian)(dian)(dian)仪器。你(ni)可能会使用LTC2063或LTC2066，将其作为主放大器。或者你(ni)要通过470 Ω分流电(dian)(dian)(dian)阻(zu)测到(dao)低(di)等(deng)级电(dian)(dian)(dian)流，并尽(jin)量(liang)准确、尽(jin)量(liang)减少噪声；那种情(qing)况(kuang)下，你(ni)可能需要使用ADA4528，该器件支持轨(gui)到(dao)轨(gui)输入。在(zai)这些情(qing)况(kuang)下，你(ni)需要与MOSFET驱动电(dian)(dian)(dian)路打(da)交道。”

显然，只要栅极电(dian)阻过(guo)大，使高(gao)端电(dian)流检测电(dian)路变得(de)不(bu)稳定(ding)是(shi)(shi)(shi)有(you)(you)可能(neng)的。Neubean向乐于助人的老师(shi)Gureux谈(tan)起了自己的发(fa)现。Gureux表示，事实上，RGATE确实有(you)(you)可能(neng)使电(dian)路变得(de)不(bu)稳定(ding)，但开始时没能(neng)发(fa)现这种行为(wei)是(shi)(shi)(shi)因为(wei)问题的提法不(bu)正(zheng)确。需要有(you)(you)增(zeng)益，在当前(qian)电(dian)路中，被(bei)测信号(hao)需要是(shi)(shi)(shi)非零。

Gureux回(hui)答说(shuo)：“肯(ken)定，当极点侵蚀(shi)交越处的(de)相位裕量时，就会出现振铃。但是(shi)(shi)，你增加1 MΩ栅(zha)极电(dian)阻的(de)行为是(shi)(shi)非常荒(huang)谬的(de)，甚(shen)至(zhi)100 kΩ也是(shi)(shi)疯狂的(de)。记住，一(yi)种良好的(de)做法是(shi)(shi)限制运算放(fang)大(da)器的(de)输出电(dian)流，防止其将(jiang)栅(zha)极电(dian)容从一(yi)个(ge)供(gong)电(dian)轨(gui)转向(xiang)另(ling)一(yi)个(ge)供(gong)电(dian)轨(gui)。”

MOSFET应用优势

1、场(chang)效应(ying)晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)是电压控制元(yuan)(yuan)件(jian)，而(er)双(shuang)极结型晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)是电流控制元(yuan)(yuan)件(jian)。在(zai)只允许(xu)从取(qu)较少(shao)电流的情况下，应(ying)选(xuan)用场(chang)效应(ying)管(guan)(guan)；而(er)在(zai)信号电压较低(di)，又允许(xu)从信号源取(qu)较多电流的条件(jian)下，应(ying)选(xuan)用双(shuang)极晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)。

2、有些(xie)场(chang)效应管的源极(ji)和漏极(ji)可(ke)以互换使用，栅压也可(ke)正(zheng)可(ke)负，灵活(huo)性比双(shuang)极(ji)晶体管好。

3、场效应管是利用(yong)多数载(zai)流(liu)子(zi)导电(dian)，所(suo)以称(cheng)之为单极(ji)型器(qi)件，而双极(ji)结(jie)型晶体(ti)管是即有多数载(zai)流(liu)子(zi)，也利用(yong)少数载(zai)流(liu)子(zi)导电(dian)。因此被称(cheng)之为双极(ji)型器(qi)件。

4、场(chang)效应(ying)管能在(zai)很(hen)(hen)小电流和很(hen)(hen)低电压(ya)的条件下工(gong)作，而且它的制造工(gong)艺可以很(hen)(hen)方(fang)便地把很(hen)(hen)多(duo)场(chang)效应(ying)管集(ji)成在(zai)一块硅片上，因(yin)此场(chang)效应(ying)管在(zai)大规(gui)模集(ji)成电路中得到了广(guang)泛的应(ying)用。

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