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在电子电路领域,MOSFET(金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管)是一种极为重要的电子元件,其从截止到导通的过程蕴含着诸多知识。我们之前提到,在 V_gs(栅源电压)上升过程中并非 “一帆风顺”,会产生一个的 “台阶”,也就是 “米勒台阶” 或者 “米勒平台”,接下来将深入讲解米勒平台。
假设存在一个增益为 - Av 的理想反向电压放大器,在其输出和输入端之间连接一个阻值为 Z 的阻抗。若定义输入电流为 I_i(假设放大器输入电流为 0),输入阻抗为 Z_in,就会有相应的等式关系。由此可见,反向电压放大器增加了电路的输入电容,且放大系数为 1 + Av。这个效应早由 John Milton Miller 在 1920 年的著作中发现并发表,故而被称为米勒效应。
MOSFET 加入寄生电容后的原理图可由图表示。MOSFET 属于共源放大电路,其中 Drain(漏极)为输出端,Source(源极)接地,Gate(栅极)为输入端。MOS 管的极间电容,如栅漏电容 C_gd、栅源电容 C_gs、漏源电容 C_ds,可由以下公式确定:
C_gd = C_rss (1)
C_gs = C_iss - C_rss (2)
C_ds = C_oss - C_rss (3)
公式中 MOS 管的反馈电容 C_rss,输入电容 C_iss 和输出电容 C_oss 的数值,可在 MOS 管的手册上查到。
根据 MOSFET 的小信号模型,它形成了一个反向电压放大器,其等效电路如图所示。MOSFET 形成的电压放大器的增益需根据其输出和输入电阻来判断,不同的 MOSFET 会有不同特性,所以增益很难量化,某些情况下其放大系数可达数百倍。Cdg 形成了一条反馈回路(连接输出端口 Drain 和输入端口 Gate),于是 MOSFET 中的米勒效应便形成了。

MOS 导通过程主要关注 3 个信号:V_gs,V_ds(漏源电压),I_d(漏极电流)。从 0 时刻开始,V_gs 开始上升时,V_ds 和 I_d 保持不变,此过程中驱动电流 I_g 为 C_gs 充电,V_gs 上升,直到 t1 时刻,V_gs 上升到 V_g (th)(门极开启电压),在 t1 时刻以前,MOS 处于截止区。
从 t1 时刻开始,MOS 开始导通,标志是 I_d 开始上升,此时驱动电流仍为 C_gs 充电。在 t1 到 t2 时间段内,I_d 逐渐上升,到 t2 时刻,I_d 上升到电感电流,在此过程中 V_ds 会稍有下降,这是因为 dI/dt 在杂散电感上形成了一些压降。从 t1 时刻开始,MOS 进入了饱和区。
当 I_d 上升到(t2 时刻),即刻进入米勒平台时期。米勒平台是 V_gs 在一段时间内几乎维持不动的平台。在饱和区有转移特性:I_d = V_gs × G_m(其中 G_m 是跨导),可见只要 I_d 不变,V_gs 就不变。I_d 上升到值后等于电感电流 I_L,此时处于饱和区,所以 V_gs 会维持不变,即维持米勒平台的电压。

I_d 为沟道电流,当驱动电流为 C_gs 充一点电,V_gs 增加 ΔV_gs,I_d 增加 ΔI_d,V_ds 下降,V_gd 下降,ΔI_gd = C_gd * ΔV_gd / Δt,I_gd 增加,所以 V_gs 几乎不能增加,只能动态维持在米勒平台附近,这是一个负反馈过程,因此 C_gd 也叫反馈电容。
在 t3 时间之前,由于 C_gs 远大于 C_gd,V_gs 的上升斜率主要由 C_gs 决定。当 t3 开始时,V_gd 的变化使 C_gd 在此时间段内的等效电容值增加,给电容充电时,电容另一端的电压却在急速变化,随着 MOS 管导通、漏极电压骤降,栅漏米勒电容 C_gd 显著增大,使 V_gs 对应的等效充电电容突然变化,导致其上升斜率受阻,形成台阶。

在电信工业和微波电路设计领域,普遍使用 MOS 管控制冲击电流以达到电流缓启动的目的。MOS 管具有导通阻抗 R_ds (on) 低和驱动简单的特点,在周围加上少量元器件就可构成缓慢启动电路。不过,只有透彻理解 MOS 管的相关开关特性,才能深入掌握这个电路。电子工程师通常基于栅极电荷理解 MOSFET 的导通过程,此图在 MOSFET 数据表中可以查到。正常情况下,在正电源中用 PMOS,在负电源中使用 NMOS。关于缓启动电路原理我们将在里进行探讨。





通过深入了解 MOSFET 从截止到导通的过程及其相关原理,我们能更好地在实际电路设计中运用这一重要元件,发挥其优势,提升电路性能和稳定性。