問:為了穩定性,必須在MOSFET閘極前面放一個100Ω電阻嗎?

答:往下看就可得到答案。

只要問任何經驗豐富的電氣工程師——如故事裡的教授Gureux——在MOSFET閘極前要放什麼,很可能會聽到「一個約100Ω的電阻」。雖然我們對這個問題的答案非常肯定,但人們仍然會問為什麼,並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,本文接下來將透過一個例子來探討這些問題。年輕的應用工程師Neubean想透過實驗證明,為了獲得穩定性,是不是真的必須把一個100Ω的電阻放在MOSFET閘極前。擁有30年經驗的應用工程師Gureux 則對他的實驗進行了監督,並全程提供專家指導。

高階電流感測簡介

圖1中的電路所示為一個典型的高階電流感測示例。負反饋試圖在增益電阻RGAIN上強制施加電壓VSENSE。透過RGAIN的電流流過P通道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:

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20180601TA01P1 圖1 高階電流感測。

電阻ROUT上的可選電容COUT的作用是對輸出電壓濾波。即使PMOS的漏極電流快速追隨感測到的電流,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閘極隔開。其值是多少?經驗豐富的Gureux可能會說:「當然是100Ω!」

嘗試多個Ω值

我們發現,這位朋友Neubean,也是Gureux的學生,正在認真思考這個閘極電阻。Neubean在想,如果閘極和源極之間有足夠的電容,或者閘極電阻足夠大,則應該可以導致穩定性問題。一旦確定RGATE和CGATE相互會產生不利影響,則可以揭開100Ω或者任何閘極電阻值成為合理答案的原因。

圖2所示為用於突顯電路行為的LTspice模擬示例。Neubean透過模擬來展現穩定性問題,他認為,穩定性問題會隨著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關聯的相位餘裕。然而,令Neubean感到驚奇的是,在時域響應中,所有RGATE值都未出現任何問題。

20180601TA01P2 圖2 高階電流感測模擬。

結果發現,電路並不簡單

在研究頻率響應時,Neubean意識到,需要明確什麼是開路響應。如果與單位負反饋結合,構成迴路的正向路徑會從差值開始,結束於結果負輸入端。Neubean然後模擬了VS/(VP-VS)或VS/VE,並將結果繪製成圖。圖3所示為該開路回應的頻域圖,在圖3的波特圖中,直流增益很小,並且交越時未發現相位餘裕問題。事實上,從整體上看,這幅圖顯示非常怪異,因為交越頻率小於0.001Hz。

20180601TA01P3 圖3 從誤差電壓到源電壓的頻率響應。

將電路分解成控制系統的結果如圖4所示。就像幾乎所有電壓回饋運算放大器一樣,LTC2063具有高直流增益和單極點響應。該運算放大器放大誤差訊號,驅動PMOS閘極,使訊號通過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定性問題,尤其是在RGATE比RGAIN大得多的情況下,畢竟,會直接影響系統RGAIN電流的CGATE電壓滯後於運算放大器輸出變化。

20180601TA01P4 圖4 高階感測電路功能框圖。

對於為什麼RGATE和CGATE沒有導致不穩定,Neubean提供了一種解釋:「閘極源為固定電壓,所以,RGATE-CGATE電路在這裡是無關緊要的。只需要按以下方式調整閘極和源即可。這是一個源極追隨器。」

經驗更豐富的同事Gureux說:「實際上,不是這樣的。只有當PMOS作為電路裡的一個增益模組正常工作時,情況才會是這樣。」

受此啟發,Neubean思考了數學問題——要是能直接模擬PMOS源對PMOS閘極的響應,那麼結果會是如何?換言之,V(VS)/V(VG)是什麼?Neubean趕緊跑到白板前,寫下了以下等式。

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其中,

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運算放大器增益為A,運算放大器極點為ωA。

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Neubean立刻就發現了重要項gm。什麼是gm?對於一個MOSFET,

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看著圖1中的電路,Neubean心頭一亮。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0Hz;VS/VG為0,頻率為0Hz,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發現不穩定問題

經由這點啟示,Neubean很快就用非零的ISENSE嘗試進行了一些模擬。

圖5為從VE到VS的回應增益/相點陣圖,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2kHz時,100Ω下有大量的PM,100kΩ下PM較少,1MΩ下甚至更少,但不會不穩定。

20180601TA01P5 圖5 非零感測電流條件下從誤差電壓到源電壓的頻率響應。

Neubean來到實驗室,用高階感測電路LTC2063得到一個感測電流。他插入一個高RGATE值,先是100kΩ,然後是1MΩ,希望能看到不穩定的行為,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裡的漏極電流,先增加ISENSE,然後使用較小的RGAIN電阻值。結果仍然沒能使電路出現不穩定問題。

他又回到了模擬,嘗試用非零ISENSE測量相位裕量。即使在模擬條件下也很難,甚至不可能發現不穩定問題或者低相位裕度問題。

Neubean找到Gureux,問他為什麼沒辦法使電路變得不穩定。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和閘極總電容形成的實際極點。在100Ω和250pF下,極點為6.4MHz;在100kΩ下,極點為6.4kHz;在1MΩ下,極點為640Hz。感測電路增益頻寬積(GBP)為20kHz,當該感測電路元件具有增益時,閉路交越頻率可能輕鬆下滑至RGATE-CGATE極點的任何作用以下。

是的,可能出現不穩定問題

意識到運算放大器動態範圍需要延伸至RGATE-CGATE極點的範圍以外,Neubean選擇了一個更高增益頻寬積的運算放大器。LTC6255 5V運算放大器可以直接加入電路,增益頻寬積也比較高,為6.5MHz。

Neubean急切地用電流、5V運算放大器、100kΩ閘極電阻和300mA檢測電流進行了模擬。然後,Neubean在模擬裡添加了RGATE。當RGATE夠大時,一個額外的極點可能會使電路變得不穩定。

圖6和圖7顯示的是在高RGATE值條件下的模擬結果。當感測電流保持300mA不變時,模擬會出現不穩定情況。

20180601TA01P6 圖6 有振鈴的時域圖。

20180601TA01P7 圖7 增加電流(VE至VS)後的正常波特圖,相位餘裕表現不佳。

實驗結果

為了瞭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。在暫態開關切入更多並行負載電阻的情況下,ISENSE從60mA的基數過度到較高值220mA,這裡沒有零ISENSE測量值,因為已經證明,那種情況下的MOSFET增益太低。

實際上,圖8最終表明,使用100kΩ和1MΩ電阻時,穩定性確實會受到影響。由於輸出電壓會受到嚴格濾波,所以,閘極電壓就變成了振鈴感測器。振鈴表示相位裕量糟糕或為負值,振鈴頻率顯示交越頻率。

20180601TA01P8 圖8 RGATE=100Ω,電流從低到高瞬變。

20180601TA01P9 圖9 RGATE=100Ω,電流從高到低瞬變。

20180601TA01P10 圖10 RGATE=100kΩ,電流從低到高瞬變。

20180601TA01P11 圖11 RGATE=100kΩ,電流從高到低瞬變。

20180601TA01P12 圖12 RGATE=1MΩ,電流從低到高瞬變。

20180601TA01P13 圖13 RGATE=1MΩ,電流從高到低瞬變。

腦力激盪時間

Neubean意識到,雖然看到過許多高階整合電流感測電路,但不幸的是,工程師根本無力決定閘極電阻,因為這些都是整合在元件當中的。具體的例子有AD8212、LTC6101、LTC6102和LTC6104高電壓、高階電流檢測元件。事實上,AD8212採用的是PNP電晶體而非PMOS FET。他告訴Gureux說:「真的沒關係,因為現代元件已經解決了這個問題。」

好像早等著這一刻,Gureux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,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,或者要透過470Ω分流電阻測到低等級電流,並儘量準確、儘量減少雜訊;那種情況下,可能需要使用ADA4528,該元件支援軌對軌輸入,在這些情況下,需要與MOSFET驅動電路打交道。」

所以…

顯然,只要閘極電阻過大,使高階電流感測電路變得不穩定是有可能的。Neubean向樂於助人的老師Gureux談起了自己的發現。Gureux表示,事實上,RGATE確實有可能使電路變得不穩定,但開始時沒發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,被測訊號需要是非零。

Gureux回答:「當然,當極點侵蝕交越處的相位裕量時,就會出現振鈴。但是,增加1MΩ閘極電阻的行為是非常荒謬的,甚至100kΩ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,防止其將閘極電容從一個供電軌轉向另一個供電軌。」

Neubean表示贊同,「那麼,我需要用到哪種電阻值?」

Gureux自信地答道:「100 Ω。」