高端電流檢測(cè)

Aaron Schultz

問(wèn)任何有經(jīng)驗(yàn)的電氣工程師——例如，我們故事中的教授Gureux——關(guān)于在MOSFET柵極前放什么，你可能會(huì)聽(tīng)到“一個(gè)電阻，大約100 Ω”。盡管有這種確定性，人們?nèi)匀幌胫罏槭裁床①|(zhì)疑效用和電阻值。出于這種好奇心，我們將在以下示例中研究這些問(wèn)題。Neubean是一名年輕的應(yīng)用工程師，他希望測(cè)試是否真的有必要在MOSFET柵極前放置一個(gè)100 Ω電阻以保持穩(wěn)定。Gureux是一位擁有30年經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用工程師，他監(jiān)督他的實(shí)驗(yàn)并在此過(guò)程中提供專家意見(jiàn)。

HS 電流檢測(cè)簡(jiǎn)介

圖1.高端電流檢測(cè)。

圖1中的電路顯示了高端電流檢測(cè)的典型示例。負(fù)反饋試圖強(qiáng)制電壓V意義增益電阻 R 時(shí)獲得.通過(guò)R的電流獲得流經(jīng) P 溝道 MOSFET （PMOS） 至電阻 R外，從而產(chǎn)生以地為參考的輸出電壓。總體增益為

可選電容 C外電阻兩端電阻 R外用于濾除輸出電壓。即使PMOS的漏極電流快速跟隨檢測(cè)電流，輸出電壓也會(huì)呈現(xiàn)單極指數(shù)軌跡。

電阻器 R門在原理圖中將放大器與PMOS柵極分開(kāi)。價(jià)值是什么？“100 Ω，當(dāng)然！”經(jīng)驗(yàn)豐富的古勒人可能會(huì)說(shuō)。

嘗試很多Ω

我們發(fā)現(xiàn)我們的朋友Neubean，Gureux的學(xué)生，正在思考這個(gè)柵極電阻器。Neubean認(rèn)為，只要有足夠的電容從柵極到源極，或者有足夠的柵極電阻，他應(yīng)該能夠引起穩(wěn)定性問(wèn)題。一旦明確 R門和 C門有害地相互作用，那么就有可能揭穿100 Ω或任何柵極電阻自動(dòng)合適的神話。

圖2.高端電流檢測(cè)仿真。

圖2顯示了一個(gè)LTspice仿真示例，用于突出電路行為。Neubean 運(yùn)行模擬來(lái)顯示他認(rèn)為將作為 R 出現(xiàn)的穩(wěn)定性問(wèn)題門增加。畢竟，來(lái)自R的極點(diǎn)門和 C門應(yīng)該會(huì)侵蝕與開(kāi)環(huán)相關(guān)的相位裕量。然而，令Neubean驚訝的是，R沒(méi)有值。門顯示時(shí)域響應(yīng)中的任何問(wèn)題。

原來(lái)，電路沒(méi)那么簡(jiǎn)單

圖3.從誤差電壓到源電壓的頻率響應(yīng)。

在觀察頻率響應(yīng)時(shí)，Neubean意識(shí)到他需要注意識(shí)別開(kāi)環(huán)響應(yīng)是什么。當(dāng)組合單位負(fù)反饋時(shí)，形成環(huán)路的正向路徑從差值開(kāi)始，并在產(chǎn)生的負(fù)輸入端子處結(jié)束。然后，Neubean 模擬并繪制 VS/（VP– VS），或 VS/VE.圖3顯示了該開(kāi)環(huán)響應(yīng)的頻域圖。在圖3的波特圖中，直流增益非常小，交越處沒(méi)有相位裕量問(wèn)題的證據(jù)。事實(shí)上，由于交越頻率小于0.001 Hz，情節(jié)整體看起來(lái)非常奇怪。

圖4.高邊檢測(cè)電路作為框圖。

電路分解為控制系統(tǒng)的過(guò)程如圖4所示。與幾乎所有電壓反饋型運(yùn)放一樣，LTC2063 以高直流增益和單極點(diǎn)開(kāi)始。運(yùn)算放大器獲得誤差信號(hào)，并通過(guò)R驅(qū)動(dòng)PMOS柵極門– C門濾波器。該 C門和PMOS源一起連接到運(yùn)算放大器的–IN輸入端。 R獲得從該節(jié)點(diǎn)連接到低阻抗源。即使在圖 4 中，R門– C門濾波器應(yīng)該引起穩(wěn)定性問(wèn)題，特別是如果 R門比 R 大得多獲得.畢竟，C門電壓，直接影響R獲得系統(tǒng)中的電流滯后于運(yùn)算放大器輸出變化。

Neubean提供了一個(gè)解釋，為什么也許R門和 C門不要造成不穩(wěn)定：“嗯，柵極源是固定電壓，所以 R門– C門電路無(wú)關(guān)緊要。您需要做的就是調(diào)整門，然后是源。這是一個(gè)源頭追隨者。

他更有經(jīng)驗(yàn)的同事古勒說(shuō)：“實(shí)際上，沒(méi)有。這僅在PMOS作為電路中的增益模塊正常工作時(shí)才有效。

因此，Neubean思考了數(shù)學(xué)問(wèn)題——如果我們可以直接模擬PMOS源對(duì)PMOS門的響應(yīng)會(huì)怎樣？換句話說(shuō)，什么是V（VS）/V（VG)?Neubean跑到白板上，寫(xiě)下了下面的等式。

跟

運(yùn)算放大器增益A和運(yùn)算放大器極點(diǎn)ωA。

Neubean立即確定了重要的術(shù)語(yǔ)gm。什么是通用？ 對(duì)于 MOSFET，

查看圖 1 中的電路，Neubean 的頭部有一個(gè)燈泡熄滅。通過(guò) R 的電流為零意義，通過(guò) PMOS 的電流應(yīng)為零。電流為零時(shí)，gm為零，因?yàn)镻MOS有效關(guān)斷，未被使用，無(wú)偏置且無(wú)增益。當(dāng) gm = 0 時(shí)，VS/VE在 0 Hz 和 V 時(shí)為 0S/VG在0 Hz時(shí)為0，因此根本沒(méi)有增益，圖3中的曲線畢竟可能是有效的。

嘗試使用 LTC2063 時(shí)變得不穩(wěn)定

有了這個(gè)啟示，Neubean很快就嘗試了一些非零I的模擬。意義.

圖5.頻率響應(yīng)從誤差電壓到源電壓，非零檢測(cè)電流。

圖5顯示了V響應(yīng)的更正常的增益/相位圖。E到 VS，從 >0 dB 交叉到 <0 dB。圖5應(yīng)顯示約2 kHz，在100 Ω時(shí)PM很多，在100 kΩ時(shí)PM略少，在1 MΩ時(shí)甚至更少，但并非不穩(wěn)定。

Neubean 前往實(shí)驗(yàn)室，利用高端檢測(cè)電路 LTC2063 撥出檢測(cè)電流。他插入了一個(gè)高 R門值，首先是 100 kΩ，然后是 1 MΩ，期望看到不穩(wěn)定的行為或至少某種振鈴。不幸的是，他沒(méi)有。

他試圖首先通過(guò)使用更多的I 來(lái)增加MOSFET中的漏極電流意義然后使用較小的 R獲得電阻。沒(méi)有什么能破壞電路的穩(wěn)定性。

他返回仿真并嘗試用非零 I 填充相位裕量意義.即使在仿真中，似乎也很難（如果不是不可能的話）找到不穩(wěn)定或低相位裕量。

Neubean找到了Gureux，并問(wèn)他為什么未能破壞電路的穩(wěn)定性。古勒建議他做數(shù)字。Neubean習(xí)慣了Gureux的謎語(yǔ)，所以他檢查了與R相關(guān)的實(shí)際極點(diǎn)可能是什么門和總柵極電容。在 100 Ω 和 250 pF 時(shí)，極點(diǎn)為 6.4 MHz;100 kΩ時(shí)，極點(diǎn)為6.4 kHz;對(duì)于 1 MΩ，極點(diǎn)為 640 Hz。LTC2063增益帶寬積（GBP）為20 kHz。當(dāng) LTC2063 獲得增益時(shí)，閉環(huán)交越頻率很容易滑落到低于 R 的任何影響之下門– C門極。

是的，你可能會(huì)變得不穩(wěn)定

意識(shí)到運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)需要繼續(xù)進(jìn)入R的范圍門– C門極點(diǎn)，Neubean選擇了更高增益帶寬的產(chǎn)品。LTC6255 5 V運(yùn)算放大器將直接裝入具有更高6.5 MHz GBP的電路中。

Neubean急切地嘗試了電流、LTC6255、100 kΩ柵極電阻和300 mA檢測(cè)電流的仿真。

Neubean然后繼續(xù)添加R門在模擬中。有足夠的 R門，額外的極點(diǎn)會(huì)破壞電路的穩(wěn)定性。

圖6.帶振鈴的時(shí)域圖。

圖7.一旦我們加上電流，V的正常波特圖，VE到 VS，相位裕量很差。

圖6和圖7顯示了高R的仿真結(jié)果門值。在恒定的300 mA檢測(cè)電流下，該仿真顯示不穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)室結(jié)果

為了了解電路在檢測(cè)非零電流時(shí)是否可能表現(xiàn)不佳，Neubean 嘗試采用具有階躍變化負(fù)載電流的 LTC6255，并使用三種不同的 R門值。我意義從基極 60 mA 轉(zhuǎn)換到更高的 220 mA 值，通過(guò)瞬時(shí)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，從而帶來(lái)更大的并聯(lián)負(fù)載電阻。沒(méi)有零我意義測(cè)量，因?yàn)橐呀?jīng)表明在這種情況下MOSFET增益太低。

實(shí)際上，圖8最終顯示了100 kΩ和1 MΩ電阻的穩(wěn)定性真正受損。由于輸出電壓經(jīng)過(guò)大量濾波，柵極電壓成為振鈴的檢測(cè)器。振鈴表示相位裕量差或負(fù)，振鈴頻率表示交越頻率。

圖8.R門= 100 Ω，電流從低瞬態(tài)到高瞬態(tài)。

圖9.R門= 100 Ω，電流從高到低瞬態(tài)。

圖10.R門= 100 kΩ，電流從低到高瞬態(tài)。

圖11.R門= 100 kΩ，電流從高到低瞬態(tài)。

圖12.R門= 1 MΩ，電流從低瞬態(tài)到高瞬態(tài)。

圖13.R門= 1 MΩ，電流從高到低瞬態(tài)。

集思廣益的時(shí)刻

Neubean意識(shí)到他已經(jīng)看到了許多高邊集成電流檢測(cè)電路，不幸的是，工程師沒(méi)有機(jī)會(huì)決定柵極電阻，因?yàn)橐磺卸荚诹慵?nèi)部。他想到的例子是AD8212、LTC6101、LTC6102和LTC6104高壓、高端電流檢測(cè)器件。事實(shí)上，AD8212使用PNP晶體管，而不是PMOS FET。他告訴Gureux，“呃，這并不重要，因?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)備已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。

仿佛預(yù)料到了這句話，幾乎在Neubean最后一句話之前就打斷了他的話，教授回答說(shuō)：“假設(shè)你想要極低的電源電流和零漂移輸入偏移的組合，例如在遠(yuǎn)程電池供電的儀器中。您可能需要一個(gè) LTC2063 或 LTC2066 作為主放大器?；蛘?，也許您需要通過(guò) 470 Ω分流器盡可能準(zhǔn)確、無(wú)噪音地測(cè)量低電平電流水平;在這種情況下，您可能希望使用具有軌到軌輸入能力的ADA4528。在這些情況下，您將需要處理MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。

所以...

顯然，使用過(guò)大的柵極電阻可能會(huì)破壞高端電流檢測(cè)電路的穩(wěn)定性。Neubean將這一發(fā)現(xiàn)與他愿意的老師Gureux聯(lián)系起來(lái)。Gureux指出，R門實(shí)際上會(huì)破壞電路的穩(wěn)定性，但最初無(wú)法找到這種行為源于錯(cuò)誤制定的問(wèn)題。需要增益，在該電路中，增益要求測(cè)量非零信號(hào)。

Gureux回答說(shuō)：“當(dāng)然，當(dāng)極點(diǎn)侵蝕分頻器的相位裕量時(shí)，就會(huì)發(fā)生振鈴。但是，增加1 MΩ的柵極電阻是荒謬的，即使是100 kΩ也是瘋狂的。請(qǐng)記住，嘗試限制運(yùn)算放大器的輸出電流總是好的，以防它試圖將柵極電容從一個(gè)電源軌擺動(dòng)到另一個(gè)電源軌。

審核編輯：郭婷