为什么 MOSFET 栅极接地需要高阻值电阻?

电器工程 场效应管 放大器 场效应管
2022-01-28 17:08:32

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电气工程新手。我正在学习剑桥大学的介绍性课程,但并不完全清楚讲师在说什么,并且没有人可以咨询,因为我在巨大的时间限制下自学这部分课程。

这里的图表有 R G我知道由于金属氧化物层,栅极在 MOSFET 中充当电容器,这使其基本上具有无限的输入阻抗。那么,为什么不直接用电线将栅极接地呢?这确保了它不会浮动,因为不会发生电荷积累。此外,讲师说 R G将输入阻抗的值从无限设置为有限值(因此应该适当大以用于放大器),我不明白,因为仍然存在电容特性需要考虑的 MO 层。我也不明白为什么在实际情况下无限阻力是一个问题。

我试图找到类似的帖子:为什么需要这个 MOSFET 的“上拉”电阻? 似乎它可能有相关点(尤其是在不能仅连接 V DD和 V DS的想法上)。但是我觉得我错过了很多基本的细节。 关于mosfet栅极电阻的问题 说一个高值电阻“避免电容耦合驱动晶体管,否则它没有连接”,并且“通常的做法是放置一个电阻......从栅极到地,只是为了确保如果 MOSFET 将关闭,如果驱动它的东西......是让输出浮动。否则,来自您手指的非常小的电流、电容耦合、电感耦合或您不想担心的其他事情可能会改变 MOSFET 的栅极电压,从而导致意外行为。让输出浮动是什么意思,什么是电容驱动?

4个回答

也许你想多了。

您显示的图表暗示有一个打开的门信号连接。R g是为了确保在没有栅极信号的情况下,栅极具有到源极 (GND) 的直流路径。正如您所指出的,由于 FET 栅极阻抗实际上是无限的,因此这是必需的。

如果存在以地为参考的栅极信号,则不需要R g 。

那么,为什么不直接用电线将栅极接地呢?

那么你将如何打开和关闭它?如果栅极永久连接到 0V,您将永远无法告诉该晶体管导通。

David Normal 已经讨论过下拉电阻的值。当 MOSFET 栅极没有其他输入时,Rg 确保它处于 0V,因此它不会导通。但是,您需要那里的电阻,因为您希望能够通过向栅极施加外部信号来告诉 MOSFET 打开来克服它的影响。

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如果您将其直接连接到低电平,正如您在上面引用中所建议的那样,那么如果您向栅极施加电压,它将立即接地短路,并且您的 MOSFET 将永远无法打开。简而言之,Rg 将栅极“保持”在 0 伏(已知状态),直到您将其强制为高电平。中间没有。

带有浮动栅极的 MOSFET 可能会导致各种问题。由于其输入阻抗如此之高,因此栅极上的任何电压波动都可能导致其部分导通。这通常会导致更多的波动,并且 MOSFET 将开始振荡。显然,这会导致您的电路行为不正常,并且在某些情况下,会导致晶体管发热并可能造成永久性损坏。将 MOSFET(或其他高阻抗输入)的栅极保持在已知状态以消除此类行为的可能性至关重要。

除了下拉效应,Rg 在高速应用中可能还有其他用途。因为 MOSFET 的栅极实际上是一个电容器,所以如果您以高速开关,栅极将需要一些时间来放电并关闭晶体管。假设 MOSFET 是 2n7000,输入电容为 50 pF,电路中没有 Rg。栅极和地之间的阻抗可以是 50 MΩ。RC 延迟将是 R x C = [50x10^(-12)] x [50x10^(6)] = 2.5x10^(-3),或 2.5 毫秒。如果您尝试以 100 kHz(10 微秒的周期)切换晶体管,则 MOSFET 将无法足够快地打开或关闭。连接在栅极和地之间的电阻器将显着加快栅极电容的放电速度,从而使您能够更快地打开和关闭 MOSFET。

就像晶体管(如集电极开路上拉电阻)一样,MOSFET 也仅在栅极引脚在任何点悬空时才需要上拉。当 MOSFET 栅极连接到电源或微控制器引脚时,栅极具有已知状态(高或低)。栅极有一个下拉电阻器 Rg 以使 MOSFET 栅极保持在已知状态也是一个好主意,在可能连接松动的情况下,这将使栅极保持在低电位。这将使 MOSFET 的 Rds 电阻保持在较低水平。万一出现任何故障并且栅极悬空,MOSFET 的 Rds 变高,MOSFET 变成一个美化的加热器。这是一个 N 型 MOSFET,它不需要电阻 Rs,尤其是当您连接电感负载(例如电机)时。当连接电阻负载时,Rs 开始发挥作用。

简而言之; 当输入源具有非常高的阻抗(即关闭)时,R G提供了一个电流路径来对栅极放电,而当输入源为高时,它只能提供有限的电流。R G的值是这两个要求之间的折衷;低到足以在短时间内使栅极放电,高到不会使源过载。

如果驱动器处于关闭状态(高阻抗)并且没有通往其他任何地方的路径,将输入和电路元件(在这种情况下为栅极)与任何直流电压电隔离,则它们被称为“浮动”。当组件浮动时,它会吸收静电荷或杂散场,这会产生虚假信号或损坏组件。

栅极的电容仅在高交流频率下才显着,因此会影响其开/关切换时间。它不会以任何其他方式影响 DC 行为。

电容耦合使信号通过电容器。它阻止任何净直流偏置是信号,但允许快速切换瞬态通过。