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本文主要介紹了米勒效應(yīng)的由來(lái),并詳細(xì)分析了MOSFET開關(guān)過(guò)程米勒效應(yīng)的影響,幫助定性理解米勒平臺(tái)的形成機(jī)制。最后給出了場(chǎng)效應(yīng)管柵極電荷的作用。
假設(shè)一個(gè)增益為-Av 的理想反向電壓放大器
在放大器的輸出和輸入端之間連接一個(gè)阻值為Z 的阻抗。容易得到,
把阻抗Z 替換為容值為C 的電容,
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(gè)效應(yīng)最早由John Milton Miller 發(fā)現(xiàn),稱為米勒效應(yīng)。
以下來(lái)自維基百科的解釋:
米勒效應(yīng)(Miller effect)是在電子學(xué)中,反相放大電路中,輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用,其等效到輸入端的電容值會(huì)擴(kuò)大1+K倍,其中K是該級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)。雖然一般密勒效應(yīng)指的是電容的放大,但是任何輸入與其它高放大節(jié)之間的阻抗也能夠通過(guò)密勒效應(yīng)改變放大器的輸入阻抗。
MOSFET中柵-漏間電容,構(gòu)成輸入(GS)輸出(DS)的反饋回路,MOSFET中的米勒效應(yīng)就形成了。
在t0-t1 時(shí)間內(nèi),VGS上升到MOSFET 的閾值電壓VG(TH)。
在t1-t2時(shí)間內(nèi),VGS繼續(xù)上升到米勒平臺(tái)電壓, 漏極電流ID 從0 上升到負(fù)載電流 。
(注:在漏極電流 IDS 未到負(fù)載電流 ID 時(shí),一部分的負(fù)載電流( IDS-ID )流過(guò)二極管D,二極管導(dǎo)通MOSFET的漏極電壓 VDS 被VDD鉗位,保持不變,驅(qū)動(dòng)電流只給 CGS 充電, VGS 電壓升高。一旦 IDS 達(dá)到負(fù)載電流 ID , 二極管D反向截止,MOSFET的漏極電壓 VDS 開始下降,驅(qū)動(dòng)電流全部轉(zhuǎn)移給 CGD 充電,VGS 也就保持米勒平臺(tái)電壓不變。)
在t2-t3 時(shí)間內(nèi), VGS 一直處于平臺(tái)電壓, VDS 開始下降至正向?qū)妷篤F。
在t3-t4 時(shí)間后, VGS繼續(xù)上升。
首先,我們看一下MOSFET 寄生電容的大體情況。在MOSFET 的DATASHEET
中,采用的定義方法如圖所示。需要注意的是,Crss 就是我們所說(shuō)的 CGD 。
一般在MOSFET 關(guān)閉狀態(tài)下, CGS比CGD 要大很多。以IRFL4310 為例,
IRFL4310中, Ciss=CGS+CGD=330pF , Crss=CGD=54pF,則,CGS=Ciss-CGD=276pF 。需要指出的是兩者的值都與電容兩端的電壓相關(guān),這也就是為什么在DATASHEET 中會(huì)標(biāo)明測(cè)試的條件。
幾乎所有的MOSFET規(guī)格書中,會(huì)給出柵極電荷的參數(shù)。柵極電荷讓設(shè)計(jì)者很容易計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電路開啟MOSFET所需要的時(shí),Q=I*t間。例如一個(gè)器件柵極電荷Qg為20nC,如果驅(qū)動(dòng)電路提供1mA充電電流的話,需要20us來(lái)開通該器件;如果想要在20ns就開啟,則需要把驅(qū)動(dòng)能力提高到1A。如果利用輸入電容的話,就沒(méi)有這么方便的計(jì)算開關(guān)速度了。
下圖是柵極電荷波形, QGS被定義為原點(diǎn)與 Miller Plateau ( VGP) 起點(diǎn)之間的電荷值 ; QGD被定義為從 VGP 到效應(yīng)平臺(tái)末端之間的電荷值;QG被定義為從原點(diǎn)到波曲線頂點(diǎn)之間的電壓,此時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓值 VGS與裝置的實(shí)際柵極電壓值相等。
備注
參考文獻(xiàn)
1. Power MOSFET Basics By Vrej Barkhordarian, International Rectifier, El Segundo, Ca.
2. Miller effect - Wikipedia en.wikipedia.org/wiki/M
3. Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using it to Assess Switching Performance.