MOSFET栅极前100Ω电阻有多重要？
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100Ω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 。
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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100Ω！”
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100Ω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 。
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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0.001Hz 。
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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 。
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【MOSFET栅极前100Ω电阻有多重要？】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：
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其中 ，
运算放大器增益为A ， 运算放大器极点为ωA 。
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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0Hz ， VS/VG为0 ， 频率为0Hz ， 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2kHz时 ， 100Ω下有大量的PM ， 100kΩ下PM较少 ， 1MΩ下甚至更少 ， 但不会不稳定 。
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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100kΩ ， 然后是1MΩ ， 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100Ω和250pF下 ， 极点为6.4MHz；在100kΩ下 ， 极点为6.4kHz；在1MΩ下 ， 极点为640Hz 。 LTC2063增益带宽积(GBP)为20kHz 。 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 。 LTC62555V运算放大器可以直接加入电路 ， 增益带宽积也比较高 ， 为6.5MHz 。
Neubean急切地用电流、LTC6255、100kΩ栅极电阻和300mA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300mA不变时 ， 仿真会出现不稳定情况 。
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图6有振铃的时域图
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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60mA的基数过度到较高值220mA 。 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100kΩ和1MΩ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 。
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图8RGATE=100Ω ， 电流从低到高瞬态
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图9RGATE=100Ω ， 电流从高到低瞬
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图10RGATE=100kΩ ， 电流从低到高瞬态
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图11RGATE=100kΩ ， 电流从高到低瞬态
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图12RGATE=1MΩ ， 电流从低到高瞬态
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图13RGATE=1MΩ ， 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PMOSFET 。 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470Ω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1MΩ栅极电阻的行为是非常荒谬的 ， 甚至100kΩ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：“100Ω” 。
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