米勒電容如何限制高頻放大？

由于存在物理學(xué)定律，電阻、電容和電感將繼續(xù)成為挑戰(zhàn)。我們對此無能為力，所以自熱離子真空管問世以來，電子設(shè)計(jì)人員就學(xué)會了通過開發(fā)巧妙的電路拓?fù)鋪斫鉀Q這些問題。事實(shí)證明，物理學(xué)就是物理學(xué)，過去適用于真空管的理論同樣適用于如今的高性能半導(dǎo)體。了解更多信息。

任何東西都打破不了物理定律。電阻器會將電能轉(zhuǎn)為熱能耗散，同時(shí)降低電壓；電容器需要時(shí)間來儲存和釋放電荷；電感器需要時(shí)間來產(chǎn)生和消除電磁場。我們對此無能為力，所以自熱離子真空管問世以來，電子設(shè)計(jì)人員就學(xué)會了通過開發(fā)巧妙的電路拓?fù)鋪斫鉀Q這些問題。事實(shí)證明，物理學(xué)就是物理學(xué)，適用于真空管的理論同樣適用于如今的高性能半導(dǎo)體。

米勒電容如何限制高頻放大

以米勒效應(yīng)為例。20 世紀(jì) 20 年代，美國電氣工程師 John Milton Miller 發(fā)現(xiàn)將簡單三極真空管用作放大器時(shí)，柵極與陽極之間存在內(nèi)部電容，這會導(dǎo)致一個(gè)問題。當(dāng)電容阻抗隨工作頻率的上升而下降時(shí)，會施加越來越多的負(fù)反饋，從而降低放大器的帶寬。

Miller 發(fā)現(xiàn)采用級聯(lián)三極管或共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將兩個(gè)三極真空管串聯(lián)可減少輸入至輸出的總電容，如圖 1中所示。鑒于上部電子管柵極處于固定電壓下，所以上部三極真空管的陰極電壓由下部三極真空管控制。開發(fā)出帶內(nèi)部屏柵極的四極管后，這種內(nèi)部電容及其相關(guān)影響就會降低，從而制造出工作頻率為數(shù)百兆赫的單管放大器。

圖 1：初始的級聯(lián)三極管或共源共柵電路

米勒效應(yīng)的回歸

當(dāng)設(shè)計(jì)人員開始使用固態(tài)半導(dǎo)體替換熱離子真空管時(shí)，米勒效應(yīng)又出現(xiàn)了，并且開始再次限制高頻操作。

為什么會這樣？在基于 MOSFET 的開關(guān)電路中，米勒效應(yīng)會限制開關(guān)速度，因?yàn)?a target="_blank">驅(qū)動電路必須以可靠的低損耗方式對輸入電容進(jìn)行充放電。這種米勒電容效應(yīng)（即 CGD）會隨著柵極電壓的不同而變化。

例如：考慮使用在柵極費(fèi)電壓為 0V 時(shí)關(guān)斷的增強(qiáng)模式 MOSFET 開關(guān)。總柵極輸入電容如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（見圖 2），包括 CGS、CGD、CDS、負(fù)載 ZL 以及大電容 CBULK。此外，CGD 兩端為正電壓。MOSFET 接通時(shí)，漏極電壓降至幾乎為零，且總電容變?yōu)?CGD 與 CGS 并聯(lián)，與斷開狀態(tài)相比，CGD 兩端為負(fù)電壓。在接通到斷開以及斷開到接通的開關(guān)過程中，輸入電容必須在上述情況之間切換。

圖 2：斷開和接通時(shí)，MOSFET 的等效輸入電容

MOSFET 柵極開關(guān)波形中正向部分的平穩(wěn)段（見圖 3）表示兩個(gè)輸入電容狀態(tài)之間的過渡，因?yàn)?a target="_blank">驅(qū)動器必須突然提高工作負(fù)荷，所以轉(zhuǎn)換速度變慢。更糟糕的是，當(dāng)漏極電壓下降時(shí)，會試圖“推動”柵極負(fù)壓經(jīng)過 CGD，與正導(dǎo)通電壓命令相抵觸。當(dāng)斷開 MOSFET 時(shí)，這個(gè)過程就會反過來。CGD 會試圖“拉動”柵極正電壓，所以我們鼓勵(lì)使用 MOSFET 和 IGBT 的設(shè)計(jì)人員使用負(fù)的關(guān)態(tài)柵極電壓來抵消這種影響。這會反過來增加驅(qū)動?xùn)艠O所需的功率。

圖 3：柵極驅(qū)動電壓的米勒電容 “平穩(wěn)段”

控制柵極-漏極電容

器件的柵極-漏極電容 (CGD) 會受半導(dǎo)體器件的架構(gòu)影響，其變化因器件是橫向構(gòu)建還是縱向構(gòu)建而異。我們可以通過縮小 CGD 來獲得低電壓 MOSFET，但這在高壓下會變成一個(gè)問題，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)人員想要使用碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN) 等材料構(gòu)建寬帶隙器件時(shí)。有些物理問題是無法回避的：這些技術(shù)的開關(guān)速度仍受限于其米勒電容，而使用共源共柵電路拓?fù)涫窍@種影響的最佳方法。

現(xiàn)代共源共柵

LINKS NEEDED 基本的 SiC 開關(guān)使用結(jié) FET (JFET) 架構(gòu)。如果 JFET 為縱向結(jié)構(gòu)器件，則其 CGD 可以達(dá)到較有利的低點(diǎn)，且其漏極-源極電容 CDS 還可以更低。但是，JFET 為常開器件，其柵極電壓為 0 V，需要負(fù)柵極電壓才能關(guān)斷。這是橋式電路中存在的一個(gè)問題。在橋式電路中，所有器件在瞬時(shí)通電時(shí)默認(rèn)為導(dǎo)通狀態(tài)。最好使用常閉器件來構(gòu)建此類電路，該器件可通過將 Si MOSFET 和 SiC JFET 布置在級聯(lián)型拓?fù)渲衼韺?shí)現(xiàn)，見圖 4。

圖 4：Si/SiC 共源共柵

當(dāng) MOSFET 的柵極和源極電壓均為 0 V 時(shí)，其漏極電壓會上升。JFET 柵極也為 0V，所以當(dāng)其源極電壓（來自 MOSFET 漏極）上升至 10 V 時(shí)，JFET 柵極與源極之間的負(fù)電壓為 -10V，從而會使 JFET 關(guān)斷。當(dāng) MOSFET 柵極為正時(shí)，MOSFET 處于接通狀態(tài)，并且會使 JFET 的柵極-源極短路，從而接通 JFET。這種電路拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn) MOSFET 柵極電壓為 0V 的常閉器件。此外在該拓?fù)渲?，串?lián)輸入-輸出電容（包括 JFET 的 CDS）接近于 0，從而可以減少米勒效應(yīng)及其對高頻增益的影響。

其他優(yōu)勢

在開關(guān)時(shí)，由于 JFET 的源極電容 CDS 幾乎為零而 MOSFET 的 CDS 不為零，所以 Si MOSFET 漏極電壓會 “全然涌入” JFET 漏級，使得 MOSFET 漏極始終保持在低電壓狀態(tài)。換句話說，MOSFET 可以是低電壓類型，且漏極與源極間導(dǎo)通電阻非常低，因此柵極驅(qū)動變得更容易。其另一個(gè)優(yōu)勢在于，低電壓 MOSFET 的體二極管具有非常低的正向壓降，且快速恢復(fù)性能出色。JFET 沒有體二極管，所以在換向橋接電路或同步整流等應(yīng)用中，需要進(jìn)行第三象限換向開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，MOSFET 體二極管就會導(dǎo)通。這會將 JFET 柵極-源極電壓保持在大約 +0.6 V，確保能夠硬接通 JFET，使反向電流以低壓降流動。

米勒效應(yīng)的終結(jié)

SiC 共源共柵拓?fù)淠軌蚪鉀Q米勒電容問題，同時(shí)輕松實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動、常關(guān)運(yùn)行和高性能體二極管。這與 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 均不同——前者的體二極管的性能比較差，后者的 CDS 比較高。物理學(xué)定律的不變性導(dǎo)致了熱離子器件中出現(xiàn)限制高頻增益的米勒效應(yīng)，也在半導(dǎo)體器件中帶來了許多問題。然而，這種不變性也意味著基于共源共柵的解決方案在現(xiàn)代 SiC 器件中的作用與在老式真空管中的一樣有效。事物越是看似在變，就越是亙古不變。

審核編輯：劉清