如何测量栅极电容？

是否有一种直接测量功率MOSFET的栅极电容（例如IRF530N）的有效方法？

我的电路表现方式表明有效栅极电容可能是数据表中所列数值的两倍或更多，这将通过降低运算放大器$R_O$ + 的频率而降低运算放大器的稳定性。小号$C_{iss}$极。

这是帮助的电路原理图，但是我真的只是对测试夹具的一般情况感兴趣，我可以将其连接起来，在其中弹出一个任意的TO-220 MOSFET，然后从示波器迹线或其他计算出有效电容像那样。

有没有可行的方法可以在工作台上对MOSFET输入电容进行有用的测量？

成果报告

这两个答案都提供了重要的见解。回想起来，我认为我的直接问题的简短答案是：“我如何测量栅极电容？在栅极和漏极电压的许多不同组合下！ ” :)

这对我来说是一个很大的见解：MOSFET没有单个电容。我认为你需要至少两个图表，使一个体面的开始，在描述的范围，并且至少有一个条件，其中电容可能的方式比报价更值。$C_{iss}$

关于我的电路，我通过用具有小于一半的引述IRFZ24N切换出IRF530N作了一些改进值。但是，尽管这克服了第一个不稳定性，但它启用的以下测试显示了在更高电流下的完全振荡。$C_{iss}$

我的结论是，我需要在运算放大器和MOSFET之间添加一个驱动器级，为MOSFET输入电容提供非常低的有效电阻，并驱动其产生的极点超过运算放大器的0dB频率。原始文章中没有提到我需要相当不错的速度，例如1µs阶跃响应，因此对运放施加沉重补偿以实现稳定性不是一个可行的选择。它只会牺牲太多带宽。

这个答案没有解决如何测量FET ，因为这样做没有任何实际价值。由于电容是FET的一个重要参数，因此制造商会在每个数据表上提供几乎在每种情况下都是确定的电容数据。（如果找到的数据表没有提供有关电容的完整数据，则不要使用该部分。）给定数据表中的数据，尝试自己测量栅极电容有点像试图为优胜美地拍照。而安塞尔·亚当斯（Ansel Adams）在那儿递给他他拍的那张照片。$C_{\text{iss}}$

值得了解的是的特性，它们的含义以及它们如何受电路拓扑影响。$C_{\text{iss}}$

关于事实，您已经知道$C_{\text{iss}}$

• = C gs + C $C_{\text{iss}}$$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$
• 几乎是一个常数，主要与工作电压无关。$C_{\text{gs}}$
• 与米勒效应无关，并且与米勒效应无关。$C_{\text{gs}}$
• 在很大程度上与 V ds成反比，并且在整个工作电压范围内都可以轻易地以一个数量级变化。$C_{\text{gd}}$$V_{\text{ds}}$
• 是米勒效应的寄生原因。$C_{\text{gd}}$

对这些看似简单但细微的事实的解释可能很棘手且令人困惑。

关于狂野和未经证实的主张 -对于急躁的人$C_{\text{iss}}$

的有效值如何体现取决于电路拓扑或FET的连接方式和连接方式。$C_{\text{iss}}$

• 当FET在电路中连接时源极具有阻抗，而漏极中没有阻抗，这意味着漏极连接到基本理想的电压时，最小。C gs实际上将消失，其值除以FET跨导g fs。这使C gd决定了C iss的表观值。您对此主张表示怀疑吗？很好，但是请放心，以后会证明它是正确的。$C_{\text{iss}}$$C_{\text{gs}}$$g_{\text{fs}}$$C_{\text{gd}}$$C_{\text{iss}}$

• 当FET以漏极的阻抗连接到电路中，而源极的阻抗为零时，最大化。C gs的全值将是显而易见的，加上C gd将乘以g fs（和漏极阻抗）。因此，C gd将再次控制C iss，但是这一次，取决于漏极电路中阻抗的性质，可能令人难以置信。你好米勒高原！$C_{\text{iss}}$$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$$g_{\text{fs}}$$C_{\text{gd}}$$C_{\text{iss}}$

当然，第二项要求描述了硬开关FET最常见的用例，这就是Dave Tweed在回答中谈到的内容。这是一个非常普遍的用例，制造商普遍发布了它的Gate Charge图表以及用于测试和评估它的电路。它最终成为的最坏可能的最大情况 。$C_{\text{iss}}$

给您带来的好消息是，如果您准确绘制了原理图，则不必担心Miller高原问题，因为您拥有第一个主张的情况，即最小。$C_{\text{iss}}$

一些定量细节

让我们导出一个与电路中连接的FET 的方程。对MOSFET使用小信号AC模型，例如Sze的6元素模型：$C_{\text{iss}}$

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

在这里，我放弃了的元素， $C_{\text{ds}}$（大电容）和 R ds（漏极至源极泄漏），因为这里不需要它们，只是使事情变得复杂。寻找 Z g：$C_{\text{bs}}$$R_{\text{ds}}$$Z_g$

=gfsR感+$\frac{V_g}{I_g}$ sC gs R$\frac{g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1}{s \left(C_{\text{gd}} \left(g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1\right)+C_{\text{gs}}\right)}$ $\frac{\frac{s C_{\text{gs}} R_{\text{sense}}}{g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1}+1}{\frac{\text{Cgs} s C_{\text{gd}} R_{\text{sense}}}{C_{\text{gd}} \left(g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1\right)+C_{\text{gs}}}+1}$

现在，第二小数项在频率远高于100 MHz之前不会执行任何操作，因此我们将其视为统一。这将剩下第一个分数项，即积分项，即电容性阻抗。然后重新排列以获得与拓扑匹配的有效：$C_{\text{iss}}$

= C gd （g fs R 感 + 1 ） + C $C_{\text{iss_eff}}$或C ^$\frac{C_{\text{gd}} \left(g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1\right)+C_{\text{gs}}}{g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1}$$\frac{C_{\text{gs}}}{g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1}+C_{\text{gd}}$

请注意，此处的除以g fs（和 R sense），因此被跨导所遮蔽，并且 C gd未经修改地添加。另外，如果R sense = 0，则$C_{\text{gs}}$$g{\text{fs}}$$R_{\text{sense}}$$C_{\text{gd}}$$R_{\text{sense}}$＝ C gs + C gd。$C_{\text{iss}}$$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$

对于 = 25V 的IRF530N ，C gs = 900pF，C gd = 20pF，g $V_{\text{ds}}$$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$$g_{\text{fs}}$ = 20S的IRF530N： = 63pF。LM358具有63pF装载结束了约35 ∘相位裕度......不振荡，但相当ringy。$C_{\text{iss_eff}}$$35^{\circ }$

但是，如果 $V_{\text{ds}}$下降至3V，则将增加至〜200pF（数据表中的图5），而C iss_eff将增加至243pF。当使用LM358运算放大器时，在交叉频率处的开环输出阻抗为〜2kOhms时，这确实是一个问题。$C_{\text{gd}}$$C_{\text{iss_eff}}$

让我们看看响应。我将在此处使用Nichols图表，因为它将同时显示开环和闭环响应。

$V_{\text{ds}}$$35^{\circ }$

紫色曲线是 $V_{\text{ds}}$$-3^{\circ }$

毫不奇怪，这里的主要问题是LM358的开环输出阻抗。即使采用表达式最小的FET电路拓扑$C_{\text{iss_eff}}$$75^{\circ }$

MOSFET的栅极电容比许多人意识到的要复杂得多。这在很大程度上取决于设备的工作条件。这是有道理的-我们正在讨论的电容将栅极本身作为一个极板，这是一个固定的物理结构，但另一个“极板”不仅是附近的源极，漏极和衬底结构，而且还包括流动的电荷载流子在源漏通道中，其浓度变化很大。

$\frac{\Delta charge}{\Delta voltage}$

$C_{ISS}$$V_{GS}$

因此，要完全表征您的运算放大器所看到的负载电容，您需要以图13所示的方式测试MOSFET，并在栅极和漏极上施加适当的偏置电压。

您可以将源极接地，将漏极连接到所需的偏置电压（使用大电容-可能是1uF陶瓷），并通过电池供电的仪表或LCR桥直接测量栅极电容。Vishay数据表显示，在30V时Vds约为0.7nF，在2V Vds时约为1nF（对于Ciss）。

如果您没有C表，则可以通过合适的电阻器（可能是1K）将较小的方波（可能是0.5伏）方波施加到栅极，并且您可以观察到充电/放电时间达到1 / e。示波器（x10探头），然后减去示波器探头电容。