詳解米勒平臺的米勒效應(yīng)和形成原理

在描述米勒平臺（miller plateau）之前，首先來看看“罪魁禍?zhǔn)住泵桌招?yīng)（miller effect） 。

假設(shè)一個增益為-Av的理想反向電壓放大器如圖 1 所示，在放大器的輸出和輸入端之間連接一個阻值為 Z 的阻抗。定義輸入電流為 Ii（假設(shè)放大器的輸入電流為 0） ，輸入阻抗為 Zin，那么有如下的等式關(guān)系，

由此可見，反向電壓放大器增加了電路的輸入電容，并且放大系數(shù)為（1+Av） 。這個效應(yīng)最早是由 John Milton Miller 發(fā)現(xiàn)的并發(fā)表在他 1920 的著作中，所以稱之為米勒效應(yīng)。再聯(lián)系到我們的 MOSFET，加入寄生電容的原理圖可以由下左圖來表示。假設(shè)想象圖 2（1）的的 MOSFET 是一個共源電路（common source） ：Drain 為輸出端，Source 接地，Gate為輸入端。根據(jù) MOSFET 的小信號模型，MOSFET 形成了一個反向電壓放大器，其等效電路可以由圖 2（2）來表示。

在 0-t1的時間內(nèi)上升到 MOSFET 的閾值電壓。 漏極電流 IDS從 t1結(jié)束時到 t3開始時從 0 上升到穩(wěn)定負載電流，VGS繼續(xù)上升到米勒平臺電壓 VGP。在 t3時間內(nèi)，VGS一直處于平臺電壓，VDS開始下降至正向?qū)妷?VF。在 t3 時間后，VGS繼續(xù)上升。這里我們來分析一下為什么波形會是這個樣子。首先，我們需要先要了解一下 MOSFET 寄生電容的大體情況。在 MOSFET 的 DATASHEET中，采用的定義方法如圖 4 所示。需要注意的是，Crss就是我們所說的 CGD。

因此，相應(yīng)的瞬態(tài)電容值與乘積（CGS*VGS）和（CGD*VGD）的斜率有關(guān)，既接合 MOSFET 的圖 3 來看，在 t3時間之前，由于 CGS遠大于 CGD，所以在此時間段內(nèi) VGS的上升斜率主要有 CGS決定。當(dāng) t3開始時，參照式（2， ）VGD的變化使得給 CGD在這個時間段內(nèi)的電容值增加，同樣使得充電電流迅速增加。所以在 t3時間內(nèi)，VGS的斜率主要由 CGD的來決定。值得注意的是，VGS在 t3階段內(nèi)的斜率往往都很小甚至為 0，這是因為 VGD在這段時間的電壓變化非常大， 使得門極中的大部分電流都用來給 CGD充電， 從而只有很少或者沒有電流流向CGS。再次使用IRF540為例， 在DATASHEET上的有這么一組數(shù)據(jù)， Qgs=11nC,Qgd=32nC. 從前面可以看出，MOSFET 關(guān)斷狀態(tài)下的 CGD 遠遠小于 CGS，但是卻需要更多的充電電荷。仔細看 Qgd 的注釋中，標(biāo)明了是受到了“Miller”米勒效果的放大。

尖峰的主要形成原因與米勒效應(yīng)并無太大關(guān)系， 主要是由于源極附近的雜散電感所致。 在圖3 的 t1-t3時刻之間，驟然增加的源極極電流在雜散電感上感應(yīng)生成了電壓尖峰。

以下是網(wǎng)友一花一天堂的仿真對比試驗， 通過在 MOSFET 的源級處加入 nH 級的電感來模擬雜散電感。對比上下兩幅圖可知，源級附近的雜散電感為米勒平臺間電壓尖峰的主要原因。

圖8

這里需要指出的是，圖 3 只是一個近似的畫法，大家普遍認同 IDS的拐點與 VGS進入米勒平臺發(fā)生在同一時刻。這樣雜散電感產(chǎn)生的尖峰就出現(xiàn)在了米勒平臺之前。但是 VGS進入米勒平臺的時間是由 CGD與 VGD的乘積（CGD*VGD）的斜率決定的。當(dāng)漏極電流很小且輸出阻抗很大的時候，VGS進入米勒平臺的時間要早于 IDS的拐點。這時，源極的雜散電感形成的電壓尖峰就出現(xiàn)在了米勒平臺之間。由于上面那段話過于生澀，經(jīng) greendot 老師的指點，這里可以用一個比較簡單的方法或者說是經(jīng)驗來判斷雜散電感的尖峰所處的位置。若 MOSFET 連接的負載為感性（連接于 MOSFET的漏極） ，則產(chǎn)生的波形如圖 3 所示，產(chǎn)生的尖峰處于平臺之前。其作用原理：假設(shè)用一個電流源來模擬感性負載，并在其兩端反向并聯(lián)一個二極管用于模擬 MOSFET 關(guān)斷期間的電流回路，如圖 9 所示。當(dāng) Vgs上升至 Vth時，IDS從 0 開始上升，并由式（3）在 VGS上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。在 IDS上升至拐點既 IDS等于電流源電流之前，會有一部分的電流通過二極管返回至電流源。此時，由于二極管嵌位的作用，VDS兩端的電壓為供電電壓 Vcc（忽略二極管正向?qū)妷海?。聯(lián)系本文關(guān)于米勒效應(yīng)的描述，VDS電壓不變的時候，MOSFET 的放大增益為 0，所以此時的 VGS曲線還沒有受到米勒效應(yīng)的影響。當(dāng) IDS上升至拐點后，二極管關(guān)斷，VDS的電壓再開始下降，如圖 3 所示。此時 MOSFET 形成了一個放大電路，CGD受到米勒效應(yīng)的影響，使得 VGS進入米勒平臺。但 IDS已不再變化，此刻的式（3）為 0，所以形成的電壓尖峰處于米勒平臺之前。再次感謝一花一天堂的仿真圖。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，感性負載是的雜散電感在 VGS上生成的電壓尖峰處于米勒平臺之前。

圖9

若負載為阻性時，其波形過程為：IDS從 0 開始上升時，VDS=Vcc-（IDS*Load） ，所以 VDS同時開始下降，MOSFET 即刻形成一個放大電路，VGS 進入米勒平臺。由于 IDS的上升過程和 VGS進入米勒平臺為同一時間， 在雜散電感上形成的感應(yīng)電壓便疊加在了米勒平臺區(qū)間。 仿真結(jié)果如圖 10（下圖中的 Vds 應(yīng)為 Vgs）

參考資料：1.Wikipedia, Miller Effect, Common Source.2.Vishay APP NOTE AN605, AN6083.IRF540 Datashee