MOS电路的振荡讨论

只看该作者 · 2024-12-24 19:14

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MOS管是工程师打交道最多的器件，由于MOS管有三个工作区域，截至区，饱和区和可变电阻区。尤其是从饱和区向可变电阻区变化的过程，当外围参数设计不合理的时候，就很容易出现各种不受控的异常波形，造成电路不能完成预定过程。
MOS管长时间工作在饱和区，这个一般是芯片内部工作的场景，此时MOS就具有放大的能力，可以将输入信号的微小变化，转化为输出电流的变化，两者之间的关系用跨导gs来表示，但是在大部分工程产品应用中，MOS主要是做开关区控制电路，稳态工作在可变电阻区，此时MOS的导通电阻很小，不用担心会出什么问题。但是MOS的开关电路外围参数设计的不合理，在MOS开启或者关闭的时候，就会造成输出电压振荡。
比如下面的的电路，当输入Vin由MOSFET来控制开和关，后级的R3代表一个负载芯片，开关S1来模拟芯片的EN信号，当out电压低于EN阈值，就关闭芯片。正常断电过程，是控制信号关闭Q1，功率MOS关闭，随后负载芯片的电压单调线性下降。但是开关MOS不能及时关闭，输出负载芯片还在用电，从而就会导致输出Vout振荡。就如下图的仿真过程，可以明显的看出输出电压在振荡，会造成后级负载反复上电。

造成这种现象的原因是，在MOS的关闭过程，输出电压开始缓慢下降，输出电压out是负载芯片R3和MOS的沟道阻抗Rds的分压比，Vout=R3/(R3+Rds)。
MOS管在关闭过程，MOS管的Vsg从11V变化到2V（其阈值电压）的过程，PMOS从可变电阻区过度到饱和区。在可变电阻区阶段，Rds的阻抗很小。进入饱和区，Vsg不断变小，MOS的沟道电阻会不断增大，负载芯片R3的电流还在消耗，相当于R3的阻抗是固定的。按照分压公式，输出电压就会缓慢下降。
由于负载R3是芯片，是存在欠压阈值保护，当输出电压降低在某个时候，负载R3芯片就关闭，从而R3芯片不消耗电流。那么R3的阻抗就会突变变化为无穷大。而此时Rds还不够大，按照简单的数学公式，一个无穷大的数除无穷大的数加有限值，结果趋向于1。此时输出电压就会从小变大，在波形上就会变现为振荡。
而当输出电压升高过程，又会达到负载芯片R3的工作电压，负载阻抗又从无穷大变为有限值。而此时MOS的沟道阻抗依然在增加，所以输出电压在下降。在这样反反复复的拉扯过程，MOS的Vsg电压终于小于阈值电压，MOS的沟道电阻Rds也趋向于无穷大，输出电压终于降低到0.，而不再反复。
尽管分析过程有些长，实际这些过程在几微秒就完成了，下图仿真，也很清晰的反映出，Rds从几百微欧到上百K的变化。

所以知道有这个过程，就需要做一些防护：
一是要提高后级负载的EN电压，不会因为电压抬升而二次开启。但是这种方法过于依赖后级电路，对电路设计由制约。
二是要快速关闭MOS，让输出电压通过输出电容单调放电。通过调整MOS的分压电阻，快速放电C2，实现MOS快速关闭，输出电压单调下电。

这种方法，就会增加电阻R2的损耗，同时Vsg的分压也不够，在MOS开启的时候就会显得慢。可以换一个思路，依然保证R2=10K, 要是在MOS关断的时候，马上将Vsg=0，就可以迅速关闭MOS，减少MOS从可变电阻区到饱和区的过渡时间，从而迅速进入截至区。也能实现和减小R2阻值同样的效果。

电路的改进方法有多种，最后取得一个平衡，从而得到理想的电路效果。

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