故事开始
年轻的应用工程师 Neubean 想通过实验证明,为了获得稳定性,是不是真的必须把一个 100 Ω 的电阻放在 MOSFET 栅极前。拥有 30 年经验的应用工程师 Gureux 对他的实验进行了监督,并全程提供专家指导。

 

高端电流检测简介

图 1 中的电路所示为一个典型的高端电流检测示例。

 

图 1 高端电流检测

 

负反馈试图在增益电阻 RGAIN 上强制施加电压 VSENSE。通过 RGAIN 的电流流过 P 沟道 MOSFET (PMOS),进入电阻 ROUT,该电阻形成一个以地为基准的输出电压。总增益为:

 

 

电阻 ROUT 上的可选电容 COUT 的作用是对输出电压滤波。即使 PMOS 的漏极电流快速跟随检测到的电流,输出电压也会展现出单极点指数轨迹。

 

原理图中的电阻 RGATE 将放大器与 PMOS 栅极隔开。其值是多少?经验丰富的 Gureux 可能会说:“当然是 100 Ω!”

 

尝试多个阻值

我们发现,我们的朋友 Neubean,也是 Gureux 的学生,正在认真思考这个栅极电阻。Neubean 在想,如果栅极和源极之间有足够的电容,或者栅极电阻足够大,则应该可以导致稳定性问题。一旦确定 RGATE 和 CGATE 相互会产生不利影响,则可以揭开 100 Ω或者任何栅极电阻值成为合理答案的原因。

 

图 2 所示为用于凸显电路行为的 LTspice 仿真示例。Neubean 通过仿真来展现稳定性问题,他认为,稳定性问题会随着 RGATE 的增大而出现。毕竟,来自 RGATE 和 CGATE 的极点应该会蚕食与开环关联的相位裕量。然而,令 Neubean 感到惊奇的是,在时域响应中,所有 RGATE 值都未出现任何问题。

 

图 2 高端电流检测仿真

 

结果发现,电路并不简单

在研究频率响应时,Neubean 意识到,需要明确什么是开环响应。如果与单位负反馈结合,构成环路的正向路径会从差值开始,结束于结果负输入端。Neubean 然后模拟了 VS/(VP – VS)或 VS/VE,并将结果绘制成图。图 3 所示为该开环响应的频域图。在图 3 的波特图中,直流增益很小,并且交越时未发现相位裕量问题。事实上,从整体上看,这幅图显示非常怪异,因为交越频率小于 0.001 Hz。

 

图 3 从误差电压到源电压的频率响应

 

将电路分解成控制系统的结果如图 4 所示。就像几乎所有电压反馈运算放大器一样,LTC2063 具有高直流增益和单极点响应。该运算放大器放大误差信号,驱动 PMOS 栅极,使信号通过 RGATE– CGATE 滤波器。CGATE 和 PMOS 源一起连接至运算放大器的–IN 输入端。RGAIN 从该节点连接至低阻抗源。即使在图 4 中,可能看起来 RGATE– CGATE 滤波器应该会导致稳定性问题,尤其是在 RGATE 比 RGATE 大得多的情况下。毕竟,会直接影响系统 RGATE 电流的 CGATE 电压滞后于运算放大器输出变化。

 

图 4 高端检测电路功能框图

 

对于为什么 RGATE 和 CGATE 没有导致不稳定,Neubean 提供了一种解释:“栅极源为固定电压,所以,RGATE – CGATE 电路在这里是无关紧要的。你只需要按以下方式调整栅极和源即可。这是一个源极跟随器。”

 

经验更丰富的同事 Gureux 说:“实际上,不是这样的。只有当 PMOS 作为电路里的一个增益模块正常工作时,情况才是这样的。”

 

受此启发,Neubean 思考了数学问题——要是能直接模拟 PMOS 源对 PMOS 栅极的响应,结果会怎样?换言之,V(VS)/V(VG)是什么?Neubean 赶紧跑到白板前,写下了以下等式:

 

 

其中,

 

 

运算放大器增益为 A,运算放大器极点为ωA。

 

 

Neubean 立刻就发现了重要项 gm。什么是 gm?对于一个 MOSFET,看着图 1 中的电路,Neubean 心头一亮。当通过 RSENSE 的电流为零时,通过 PMOS 的电流应该为零。当电流为零时,gm 为零,因为 PMOS 实际上是关闭的,未被使用、无偏置且无增益。当 gm = 0 时,VS/VE 为 0,频率为 0 Hz,VS/VG 为 0,频率为 0 Hz,所以,根本没有增益,图 3 中的曲线图可能是有效的。

 

试图用 LTC2063 发现不稳定问题

带来这点启示,Neubean 很快就用非零的 ISENSE 尝试进行了一些仿真。

 

图 5 为从 VE 到 VS 的响应增益 / 相位图,该曲线跨越 0dB 以上到 0dB 以下,看起来要正常得多。图 5 应该显示大约 2 kHz 时,100 Ω下有大量的 PM,100 kΩ下 PM 较少,1 MΩ下甚至更少,但不会不稳定。

 


图 5 非零检测电流条件下从误差电压到源电压的频率响应

 

Neubean 来到实验室,用高端检测电路 LTC2063 得到一个检测电流。他插入一个高 RGATE 值,先是 100 kΩ,然后是 1 MΩ,希望能看到不稳定的行为,或者至少出现某类振铃。不幸的是,他都没有看到。他尝试加大 MOSFET 里的漏极电流,先增加 ISENSE,然后使用较小的 RGAIN 电阻值。结果仍然没能使电路出现不稳定问题。

 

他又回到了仿真,尝试用非零 ISENSE 测量相位裕量。即使在仿真条件下也很难,甚至不可能发现不稳定问题或者低相位裕度问题。

 

Neubean 找到 Gureux,问他为什么没能使电路变得不稳定。Gureux 建议他研究一下具体的数字。Neubean 已经对 Gureux 高深莫测的话习以为常,所以,他研究了 RGATE 和栅极总电容形成的实际极点。在 100 Ω和 250 pF 下,极点为 6.4 MHz;在 100 kΩ下,极点为 6.4 kHz;在 1 MΩ下,极点为 640 Hz。LTC2063 增益带宽积(GBP)为 20 kHz。当 LTC2063 具有增益时,闭环交越频率可能轻松下滑至 RGATE– CGATE 极点的任何作用以下。

 

是的,可能出现不稳定问题

 

意识到运算放大器动态范围需要延伸至 RGATE– CGATE 极点的范围以外,Neubean 选择了一个更高增益带宽积的运放。LTC6255 5 V 运算放大器可以直接加入电路,增益带宽积也比较高,为 6.5 MHz。

 

Neubean 急切地用电流、LTC6255、100 kΩ栅极电阻和 300 mA 检测电流进行了仿真。

 

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。

 

图 6 和图 7 显示的是在高 RGATE 值条件下的仿真结果。当检测电流保持 300 mA 不变时,仿真会出现不稳定情况。

 

图 6 有振铃的时域图

 

图 7 增加电流(VE 至 VS)后的正常波特图,相位裕量表现糟糕实验结果

 

实验结果

为了解电流是否会在检测非零电流时出现异常行为,Neubean 用不同步进的负载电流和三个不同的 RGATE 值对 LTC6255 进行了测试。在瞬时开关切入更多并行负载电阻的情况下,ISENSE 从 60 mA 的基数过度到较高值 220 mA。这里没有零 ISENSE 测量值,因为我们已经证明,那种情况下的 MOSFET 增益太低。

 

实际上,图 8 最终表明,使用 100 kΩ和 1 MΩ电阻时,稳定性确实会受到影响。由于输出电压会受到严格滤波,所以,栅极电压就变成了振铃检测器。振铃表示相位裕量糟糕或为负值,振铃频率显示交越频率。

 

图 8 RGATE = 100 Ω,电流从低到高瞬态

 

图 9 RGATE = 100 Ω,电流从高到低瞬

 

图 10 RGATE = 100 kΩ,电流从低到高瞬态

 

图 11 RGATE = 100 kΩ,电流从高到低瞬态

 

图 12 RGATE = 1 MΩ,电流从低到高瞬态

 

图 13 RGATE = 1 MΩ,电流从高到低瞬态

 

头脑风暴时间

Neubean 意识到,虽然看到过许多高端集成电流检测电路,但不幸的是,工程师根本无力决定栅极电阻,因为这些都是集成在器件当中的。具体的例子有 AD8212、LTC6101、LTC6102 和 LTC6104 高电压、高端电流检测器件。事实上,AD8212 采用的是 PNP 晶体管而非 PMOS FET。他告诉 Gureux 说:“真的没关系,因为现代器件已经解决了这个问题。”

 

好像早等着这一刻,教授几乎打断了 Neubean 的话,说道:“我们假设,你要把极低电源电流与零漂移输入失调结合起来,比如安装在偏远地点的电池供电仪器。你可能会使用 LTC2063 或 LTC2066,将其作为主放大器。或者你要通过 470 Ω分流电阻测到低等级电流,并尽量准确、尽量减少噪声;那种情况下,你可能需要使用 ADA4528,该器件支持轨到轨输入。在这些情况下,你需要与 MOSFET 驱动电路打交道。”

 

所以……

 

显然,只要栅极电阻过大,使高端电流检测电路变得不稳定是有可能的。Neubean 向乐于助人的老师 Gureux 谈起了自己的发现。Gureux 表示,事实上,RGATE 确实有可能使电路变得不稳定,但开始时没能发现这种行为是因为问题的提法不正确。需要有增益,在当前电路中,被测信号需要是非零。

 

Gureux 回答说:“肯定,当极点侵蚀交越处的相位裕量时,就会出现振铃。但是,你增加 1 MΩ栅极电阻的行为是非常荒谬的,甚至 100 kΩ也是疯狂的。记住,一种良好的做法是限制运算放大器的输出电流,防止其将栅极电容从一个供电轨转向另一个供电轨。”

 

Neubean 表示赞同,“那么,我需要用到哪种电阻值?”Gureux 自信地答道:“100 Ω”。