高端電流檢測簡介

 

圖1中的電路所示為一個典型的高端電流檢測示例。

 

圖1. 高端電流檢測

 

負(fù)反饋試圖在增益電阻RGAIN上強制施加電壓VSENSE。通過RGAIN的電流流過P溝道MOSFET (PMOS)，進入電阻ROUT，該電阻形成一個以地為基準(zhǔn)的輸出電壓。總增益為:

 

 

電阻ROUT上的可選電容 COUT 的作用是對輸出電壓濾波。即使 PMOS 的漏極電流快速跟隨檢測到的電流，輸出電壓也會展現(xiàn)出單極點指數(shù)軌跡。

 

原理圖中的電阻 RGATE 將放大器與PMOS柵極隔開。其值是多少？經(jīng)驗豐富的 Gureux 可能會說：“當(dāng)然是100 Ω！”

 

嘗試多個Ω值

 

我們發(fā)現(xiàn)，我們的朋友Neubean，也是Gureux的學(xué)生，正在認(rèn)真思考這個柵極電阻。Neubean在想，如果柵極和源極之間有足夠的電容，或者柵極電阻足夠大，則應(yīng)該可以導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。一旦確定RGATE和CGATE相互會產(chǎn)生不利影響，則可以揭開100 Ω或者任何柵極電阻值成為合理答案的原因。

 

圖2所示為用于凸顯電路行為的LTspice仿真示例。Neubean通過仿真來展現(xiàn)穩(wěn)定性問題，他認(rèn)為，穩(wěn)定性問題會隨著RGATE的增大而出現(xiàn)。畢竟，來自RGATE和CGATE的極點應(yīng)該會蠶食與開環(huán)關(guān)聯(lián)的相位裕量。然而，令Neubean感到驚奇的是，在時域響應(yīng)中，所有RGATE值都未出現(xiàn)任何問題。

 

圖2. 高端電流檢測仿真

 

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電路并不簡單

 

在研究頻率響應(yīng)時，Neubean意識到，需要明確什么是開環(huán)響應(yīng)。如果與單位負(fù)反饋結(jié)合，構(gòu)成環(huán)路的正向路徑會從差值開始，結(jié)束于結(jié)果負(fù)輸入端。Neubean然后模擬了VS/(VP – VS)或VS/VE，并將結(jié)果繪制成圖。圖3所示為該開環(huán)響應(yīng)的頻域圖。在圖3的波特圖中，直流增益很小，并且交越時未發(fā)現(xiàn)相位裕量問題。事實上，從整體上看，這幅圖顯示非常怪異，因為交越頻率小于0.001 Hz。

 

圖3. 從誤差電壓到源電壓的頻率響應(yīng)

 

將電路分解成控制系統(tǒng)的結(jié)果如圖4所示。就像幾乎所有電壓反饋運算放大器一樣，LTC2063具有高直流增益和單極點響應(yīng)。該運算放大器放大誤差信號，驅(qū)動PMOS柵極，使信號通過RGATE– CGATE濾波器。CGATE和PMOS源一起連接至運算放大器的–IN輸入端。RGAIN從該節(jié)點連接至低阻抗源。即使在圖4中，可能看起來RGATE– CGATE濾波器應(yīng)該會導(dǎo)致穩(wěn)定性問題，尤其是在RGATE比RGATE大得多的情況下。畢竟，會直接影響系統(tǒng)RGATE電流的CGATE電壓滯后于運算放大器輸出變化。

 

圖4. 高端檢測電路功能框圖

 

對于為什么RGATE和CGATE沒有導(dǎo)致不穩(wěn)定，Neubean提供了一種解釋：“柵極源為固定電壓，所以，RGATE – CGATE電路在這里是無關(guān)緊要的。你只需要按以下方式調(diào)整柵極和源即可。這是一個源極跟隨器。”

 

經(jīng)驗更豐富的同事Gureux說：“實際上，不是這樣的。只有當(dāng)PMOS作為電路里的一個增益模塊正常工作時，情況才是這樣的。”

 

受此啟發(fā)，Neubean思考了數(shù)學(xué)問題——要是能直接模擬PMOS源對PMOS柵極的響應(yīng)，結(jié)果會怎樣？換言之，V(VS)/V(VG)是什么？Neubean趕緊跑到白板前，寫下了以下等式：

 

 

其中，

 

 

運算放大器增益為A，運算放大器極點為ωA。

 

 

Neubean立刻就發(fā)現(xiàn)了重要項gm。什么是gm？對于一個MOSFET，

 

看著圖1中的電路，Neubean心頭一亮。當(dāng)通過RSENSE的電流為零時，通過PMOS的電流應(yīng)該為零。當(dāng)電流為零時，gm為零，因為PMOS實際上是關(guān)閉的，未被使用、無偏置且無增益。當(dāng)gm = 0時，VS/VE為0，頻率為0 Hz，VS/VG為0，頻率為0 Hz，所以，根本沒有增益，圖3中的曲線圖可能是有效的。

 

試圖用LTC2063發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定問題

 

帶來這點啟示，Neubean很快就用非零的ISENSE嘗試進行了一些仿真。

 

圖5為從VE到VS的響應(yīng)增益/相位圖，該曲線跨越0dB以上到0dB以下，看起來要正常得多。圖5應(yīng)該顯示大約2 kHz時，100 Ω下有大量的PM，100 kΩ下PM較少，1 MΩ下甚至更少，但不會不穩(wěn)定。

 

圖5. 非零檢測電流條件下從誤差電壓到源電壓的頻率響應(yīng)

 

Neubean來到實驗室，用高端檢測電路LTC2063得到一個檢測電流。他插入一個高RGATE值，先是100 kΩ，然后是1 MΩ，希望能看到不穩(wěn)定的行為，或者至少出現(xiàn)某類振鈴。不幸的是，他都沒有看到。他嘗試加大MOSFET里的漏極電流，先增加ISENSE，然后使用較小的RGAIN電阻值。結(jié)果仍然沒能使電路出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。

 

他又回到了仿真，嘗試用非零ISENSE測量相位裕量。即使在仿真條件下也很難，甚至不可能發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定問題或者低相位裕度問題。

 

Neubean找到Gureux，問他為什么沒能使電路變得不穩(wěn)定。Gureux建議他研究一下具體的數(shù)字。Neubean已經(jīng)對Gureux高深莫測的話習(xí)以為常，所以，他研究了RGATE和柵極總電容形成的實際極點。在100 Ω和250 pF下，極點為6.4 MHz；在100 kΩ下，極點為6.4 kHz；在1 MΩ下，極點為640 Hz。LTC2063增益帶寬積(GBP)為20 kHz。當(dāng)LTC2063具有增益時，閉環(huán)交越頻率可能輕松下滑至RGATE– CGATE極點的任何作用以下。

 

是的，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定問題

 

意識到運算放大器動態(tài)范圍需要延伸至RGATE– CGATE極點的范圍以外，Neubean選擇了一個更高增益帶寬積的運放。LTC6255 5 V運算放大器可以直接加入電路，增益帶寬積也比較高，為6.5 MHz。

 

Neubean急切地用電流、LTC6255、100 kΩ柵極電阻和300 mA檢測電流進行了仿真。

 

然后，Neubean在仿真里添加了RGATE。當(dāng)RGATE足夠大時，一個額外的極點可能會使電路變得不穩(wěn)定。

 

圖6和圖7顯示的是在高RGATE值條件下的仿真結(jié)果。當(dāng)檢測電流保持300 mA不變時，仿真會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。

 

圖6. 有振鈴的時域圖

 

圖7. 增加電流（VE至VS）后的正常波特圖，相位裕量表現(xiàn)糟糕

 

實驗結(jié)果

 

為了了解電流是否會在檢測非零電流時出現(xiàn)異常行為，Neubean用不同步進的負(fù)載電流和三個不同的RGATE值對LTC6255進行了測試。在瞬時開關(guān)切入更多并行負(fù)載電阻的情況下，ISENSE從60 mA的基數(shù)過度到較高值220 mA。這里沒有零ISENSE測量值，因為我們已經(jīng)證明，那種情況下的MOSFET增益太低。

 

實際上，圖8最終表明，使用100 kΩ和1 MΩ電阻時，穩(wěn)定性確實會受到影響。由于輸出電壓會受到嚴(yán)格濾波，所以，柵極電壓就變成了振鈴檢測器。振鈴表示相位裕量糟糕或為負(fù)值，振鈴頻率顯示交越頻率。

 

圖8. RGATE = 100 Ω，電流從低到高瞬態(tài)

 

圖9. RGATE = 100 Ω，電流從高到低瞬

 

圖10. RGATE = 100 kΩ，電流從低到高瞬態(tài)

 

圖11. RGATE = 100 kΩ，電流從高到低瞬態(tài)

 

圖12. RGATE = 1 MΩ，電流從低到高瞬態(tài)

 

圖13. RGATE = 1 MΩ，電流從高到低瞬態(tài)

 

頭腦風(fēng)暴時間

 

Neubean意識到，雖然看到過許多高端集成電流檢測電路，但不幸的是，工程師根本無力決定柵極電阻，因為這些都是集成在器件當(dāng)中的。具體的例子有AD8212、LTC6101、LTC6102和LTC6104高電壓、高端電流檢測器件。事實上，AD8212采用的是PNP晶體管而非PMOS FET。他告訴Gureux說：“真的沒關(guān)系，因為現(xiàn)代器件已經(jīng)解決了這個問題。”

 

好像早等著這一刻，教授幾乎打斷了Neubean的話，說道：“我們假設(shè)，你要把極低電源電流與零漂移輸入失調(diào)結(jié)合起來，比如安裝在偏遠地點的電池供電儀器。你可能會使用LTC2063或LTC2066，將其作為主放大器。或者你要通過470 Ω分流電阻測到低等級電流，并盡量準(zhǔn)確、盡量減少噪聲；那種情況下，你可能需要使用ADA4528，該器件支持軌到軌輸入。在這些情況下，你需要與MOSFET驅(qū)動電路打交道。”

 

所以……

 

顯然，只要柵極電阻過大，使高端電流檢測電路變得不穩(wěn)定是有可能的。Neubean向樂于助人的老師Gureux談起了自己的發(fā)現(xiàn)。Gureux表示，事實上，RGATE確實有可能使電路變得不穩(wěn)定，但開始時沒能發(fā)現(xiàn)這種行為是因為問題的提法不正確。需要有增益，在當(dāng)前電路中，被測信號需要是非零。

 

Gureux回答說：“肯定，當(dāng)極點侵蝕交越處的相位裕量時，就會出現(xiàn)振鈴。但是，你增加1 MΩ柵極電阻的行為是非常荒謬的，甚至100 kΩ也是瘋狂的。記住，一種良好的做法是限制運算放大器的輸出電流，防止其將柵極電容從一個供電軌轉(zhuǎn)向另一個供電軌。”

 

Neubean表示贊同，“那么，我需要用到哪種電阻值？”

 

Gureux自信地答道：“100 Ω”。

 

 

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