原创 米勒平台的形成原理

2020-6-10 15:59 5442 12 7 分类: 工业电子 文集: 信号分析
在描述米勒平台(miller plateau)之前,首先来看看“罪魁祸首”米勒效应(miller effect)。
假设一个增益为-Av 的理想反向电压放大器如图 1 所示,在放大器的输出和输入端之间连接一个阻值为 Z 的阻抗。定义输入电流为 Ii(假设放大器的输入电流为 0),输入阻抗为 Zin,那么有如下的等式关系,

由此可见,反向电压放大器增加了电路的输入电容,并且放大系数为(1+Av)。这个效应最早是由 John Milton Miller 发现的并发表在他 1920 的著作中,所以称之为米勒效应。

再联系到我们的 MOSFET,加入寄生电容的原理图可以由下左图来表示。假设想象图 2(1)的的 MOSFET 是一个共源电路(common source):Drain 为输出端,Source 接地,Gate为输入端。根据 MOSFET 的小信号模型,MOSFET 形成了一个反向电压放大器,其等效电路可以由图 2(2)来表示。

MOSFET 形成的电压放大器的增益需要根据其输出和输入电阻来判断,不同的 MOSFET 会有不同的结构,所以增益很难量化,某些情况下其放大系数可以达到数百倍。CGD 则形成了一条反馈回路(连接输出端口 Drain 和输入端口 Gate),于是在 MOSFET 中的米勒效应就形成了。

接下来就是万众瞩目的米勒平台了,MOSFET 开启时的电压和电流曲线如图 3 所示。

在 0-t1 的时间内上升到 MOSFET 的阈值电压。漏极电流 IDS 从 t1 结束时到 t3 开始时从 0 上升到稳定负载电流,VGS 继续上升到米勒平台电压 VGP。在 t3 时间内,VGS 一直处于平台电压,VDS 开始下降至正向导通电压 VF。在 t3 时间后,VGS 继续上升。这里我们来分析一下为什么波形会是这个样子。

首先,我们需要先要了解一下 MOSFET 寄生电容的大体情况。在 MOSFET 的 DATASHEET中,采用的定义方法如图 4 所示。需要注意的是,Crss 就是我们所说的 CGD。

 

一般而言,在 MOSFET 关闭的状态下,CGS 比 CGD 要大很多。以大家熟知的 IRF540 为例,

IRF540 的 Ciss=CGS+CGD=1700pF, Crss=CGD=120PF, 那么 CGS=Ciss-CGD=1580pF. 需要指出的是两者的值都与电容两端的电压相关,这也就是为什么在 DATASHEET 中会标明测试的条件。因此,相应的瞬态电容值与乘积(CGS*VGS)和(CGD*VGD)的斜率有关。

接合 MOSFET 的图 3 来看,在 t3 时间之前,由于 CGS 远大于 CGD,所以在此时间段内 VGS的上升斜率主要有 CGS 决定。当 t3 开始时,参照式(2,)VGD 的变化使得给 CGD 在这个时间段内的电容值增加,同样使得充电电流迅速增加。所以在 t3 时间内,VGS 的斜率主要由 CGD的来决定。值得注意的是,VGS 在 t3 阶段内的斜率往往都很小甚至为 0,这是因为 VGD 在这段时间的电压变化非常大,使得门极中的大部分电流都用来给 CGD 充电,从而只有很少或者没有电流流向 CGS。再次使用 IRF540 为例,在DATASHEET 上的有这么一组数据,Qgs=11nC,Qgd=32nC. 从前面可以看出,MOSFET 关断状态下的 CGD 远远小于 CGS,但是却需要更多的充电电荷。仔细看 Qgd 的注释中,标明了是受到了“Miller”米勒效果的放大。

在 t3 时间段以后,VGD=VF 且不再变化,此时的 CGD 的电容值也就变成了一个固定的值,并且容值比之前大了很多甚至接近于 CGS。因此,在 t3 之后的 VGS 上升的斜率不如在 t1 内的那般陡峭,而是平缓了很多如图 3 所示。

很多人在测试 VGS 波形的时候,观测到的并不是一个平台,而是一个坑,既在平台之前有一个电压尖峰。

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