問：

為了穩(wěn)定性，必須在MOSFET柵極前面放一個(gè) 100 Ω 電阻嗎?

答：

簡(jiǎn)介

只要問任何經(jīng)驗(yàn)豐富的電氣工程師——如我們故事里的教授 Gureux——在 MOSFET 柵極前要放什么，你很可能會(huì)聽到“一個(gè)約 100 Ω 的電阻。”雖然我們對(duì)這個(gè)問題的答案非�？隙�，但人們?nèi)匀粫?huì)問為什么，并且想知道具體的作用和電阻值。為了滿足人們的這種好奇心，我們接下來(lái)將通過一個(gè)例子探討這些問題。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。擁有 30 年經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用工程師 Gureux 對(duì)他的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了監(jiān)督，并全程提供專家指導(dǎo)。

高端電流檢測(cè)簡(jiǎn)介

圖 1. 高端電流檢測(cè)。

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(shuō)：“當(dāng)然是 100 Ω!”

嘗試多個(gè) Ω 值

我們發(fā)現(xiàn)，我們的朋友 Neubean，也是 Gureux 的學(xué)生，正在認(rèn)真思考這個(gè)柵極電阻。Neubean 在想，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.高端電流檢測(cè)仿真。

圖 2 所示為用于凸顯電路行為的 LTspice 仿真示例。Neubean 通過仿真來(lái)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(lái)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 Neubean 感到驚奇的是，在時(shí)域響應(yīng)中，所有 RGATE 值都未出現(xiàn)任何問題。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電路并不簡(jiǎn)單

圖 3.從誤差電壓到源電壓的頻率響應(yīng)。

在研究頻率響應(yīng)時(shí)，Neubean 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。Neubean 然后模擬了 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。

圖 4. 高端檢測(cè)電路功能框圖。

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(lái) 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 RGAIN 大得多的情況下。畢竟，會(huì)直接影響系統(tǒng) RGAIN 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，Neubean 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(wú)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 Gureux 說(shuō)：“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)，Neubean 思考了數(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? Neubean趕緊跑到白板前，寫下了以下等式。

其中，

運(yùn)算放大器增益為 A，運(yùn)算放大器極點(diǎn)為 ωA。

Neubean 立刻就發(fā)現(xiàn)了重要項(xiàng) gm。什么是 gm?對(duì)于一個(gè) MOSFET，

看著圖 1 中的電路，Neubean 心頭一亮。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)? PMOS 實(shí)際上是關(guān)閉的，未被使用、無(wú)偏置且無(wú)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(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.非零檢測(cè)電流條件下從誤差電壓到源電壓的頻率響應(yīng)。

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(lái)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(lái)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 RGAI N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。

是的，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.有振鈴的時(shí)域圖。

圖 7.增加電流 (VE 至 VS) 后的正常波特圖，相位裕量表現(xiàn)糟糕。

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。

圖 8.RGATE = 100 Ω，電流從低到高瞬態(tài)。

圖 9.RGATE = 100 Ω，電流從高到低瞬態(tài)。

圖 10.RGATE = 100 kΩ，電流從低到高瞬態(tài)。

圖 11.RGATE = 100 kΩ，電流從高到低瞬態(tài)。

圖 12.RGATE = 1 MΩ，電流從低到高瞬態(tài)。

圖 13.RGATE = 1 MΩ，電流從高到低瞬態(tài)。

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(wú)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(shuō)：“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(shuō)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(lái)，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�；蛘吣阋�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。”

所以……

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(shuō)：“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�；闹嚨�，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。”

Neubean 表示贊同，“那么，我需要用到哪種電阻值?”

Gureux 自信地答道：“100 Ω”。