【導讀】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。雖然我們對這個問題的答案非??隙ǎ銈兓蛟S會繼續(xù)問——“為什么呢?他的具體作用是什么呢?電阻值為什么是 100 Ω 呢”為了滿足你們的這種好奇心,我們接下來將通過一個故事來探討這個問題。擁有30 年經(jīng)驗的應用工程師 Gureux 對他的實驗進行了監(jiān)督,并全程提供專家指導。
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。
圖1. 高端電流檢測
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(xiàn)出單極點指數(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)驗豐富的 Gureux 可能會說:“當然是100 Ω!”
嘗試多個Ω值
我們發(fā)現(xiàn),我們的朋友Neubean,也是Gureux的學生,正在認真思考這個柵極電阻。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,則應該可以導致穩(wěn)定性問題。一旦確定RGATE和CGATE相互會產(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。Neubean通過仿真來展現(xiàn)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(xiàn)。畢竟,來自RGATE和CGATE的極點應該會蠶食與開環(huán)關聯(lián)的相位裕量。然而,令Neubean感到驚奇的是,在時域響應中,所有RGATE值都未出現(xiàn)任何問題。
圖2. 高端電流檢測仿真
結果發(fā)現(xiàn),電路并不簡單
在研究頻率響應時,Neubean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。Neubean然后模擬了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(xiàn)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。
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(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。
圖4. 高端檢測電路功能框圖
對于為什么RGATE和CGATE沒有導致不穩(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(jīng)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),Neubean思考了數(shù)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?Neubean趕緊跑到白板前,寫下了以下等式:
其中,
運算放大器增益為A,運算放大器極點為ωA。
Neubean立刻就發(fā)現(xiàn)了重要項gm。什么是gm?對于一個MOSFET,
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。
圖5. 非零檢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(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。
是的,可能出現(xiàn)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(xiàn)不穩(wěn)定情況。
圖6. 有振鈴的時域圖
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
實驗結果
為了了解電流是否會在檢測非零電流時出現(xiàn)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(shù)過度到較高值220 mA。這里沒有零ISENSE測量值,因為我們已經(jīng)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。
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
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(xiàn)代器件已經(jīng)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。”
所以……
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(xiàn)。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(xiàn)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(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。”
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”。
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