测量T254、CSD19535两种MOS管的输入电容
※ 补充说明 本文后面使用SmartTweezer测量MOS管输入电容的时候，实际操作是错误的。实际上是测量的栅极与漏极之间的电容。 如果直接测量栅极与源极之间的电容，则数值分别大了一倍，与使用充电方法是一致的了。
使用SmartTweezer测量MOS管脚之间的阻抗
背景介绍
在昨天测量两款MOS管栅极输入电容的时候，出现了操作失误。 由于是使用的SmartTweezer这种手持式的LCR表测量，为了测量方便， 实际上是测量的G-D之间的电容。 也就是栅-漏极之间的电容。 这个电容比起栅-源极之间的电容要小。 下面就使用SmartTweezer对两款MOS管各个管脚之间的电阻、电容进行测量。
▲ 图1.1 MOS管各个管脚之间的电容
测量结果
使用SmartTweezer对于MOS管的管脚进行测量。 这两个MOS管的型号分别是CSD19535以及T254。 SmartTweezer测量频率使用10kHz。 这是测量结果表格。 分别包含有三个管脚之间的电容和电阻。 对比GS，GD之间的电容，可以看到它们之间的大小大体上相差两倍。 DS之间的等效的串联电阻相对比较大。 通过这个数值也就解释了昨天实验中的数据问题。 昨天使用充电方法测量CSD19535的栅极电容， 这个数值与SmartTweezer测量结果基本相等。 使用充电方法测量T254的电容， 在一位有效小数的情况下， 与SmartTweezer测量结果相同。 由此解释了昨天实验中测量数值之间的问题。
| MOS管型号 | G-S | G-D | D-S |
|---|---|---|---|
| CSD19535 | 12.60nF/5.07Ω | 5.81nF/19.4Ω | 7.7nF/966Ω |
| T254 | 2.121nF/40.91Ω | 1.067nF/245Ω | 2.75nF/269kΩ |
总结
在这里虽然验证了昨天通过充电方法测量结果的有效性。 但仍然留下了一个问题， 那就是为什么MOS管栅极-源极之间的电容 比起其数据手册中的数值大了近两倍呢？
▲ 图1.2 测量MOS管脚阻抗
01 MOS管输入电容
一、背景简介
在博文雪崩电流信号整形熄火电路中， 对两款MOS管进行了对比。 结果表明高速MOS管可以大大提高熄火电路的速度。 两种MOS管所产生的的脉冲宽度， 可以相差10倍左右。这种主要是由于MOS管栅极输入电容引起的时间延时。 下面对这两款MOS管的栅极输入电容进行测量。
▲ 图1.1.1 雪崩电流脉冲信号整流电路
二、数据手册
根据 CSD19535 数据手册，可以知道该MOS管是100V N沟道MOS功率管。 手册给出了两个表格，都与MOS管栅极电容有关系。 左边的表格是栅极电压与充电电荷之间的关系。 右边表格是漏极电压与栅极等效电容。 根据左边表格， 在栅极电压小于4V的时候，充电电荷与电压之间呈现线性关系。 在此电压范围之内栅极输入特性为线性电容。 根据表格给出的数值可以计算出栅极电容为6纳法。 右边表格显示栅极电容与漏极电压有关系。 在低压下，栅极电容由蓝色曲线表示， 通过表格查看， 电容大约为6纳法。 综合两个表格可知CSD19535栅极电容大约为6纳法。
▲ 图1.2.1 CSD19535栅极电容相关数据
查看 T254 数据手册。 书册表格给出了输入电容数值。 在栅极电压为0V左右，输入电容大约为1.1纳法。
▲ 图1.2.2 T254输入电容特性
三、直接测量电容
下面使用SmartTweezer直接测量两款MOS的栅极与源极之间的电容。 测量CSD19535的栅极电容，可以看到容量大约为5.8纳法。 测量T254栅极电容，容量大约为1.04纳法。 测量的结果与数据手册大体相同。
▲ 图1.3.1 使用SmartTweezer直接测量MOS的栅极电容
四、阻容充放电
下面使用阻容充放电来测量MOS管的栅极电容。 通过信号源产生峰峰值为5V，频率为1kHz的方波信号。 电路中串联电阻是已知的， 使用示波器读取待测电容上的电压波形， 根据波形时间参数来获得待测电容容量。
▲ 图1.4.1 利用充放电波形获得电容参数
#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY -- by Dr. ZhuoQing 2023-01-17
#
# Note:
#============================================================from headm import *
from tsmodule.tsvisa import *mso24open()x,y1,y2 = mso24read(ch1=1, ch2=2)
plt.plot(x, y1, label='CH1', linewidth=3)
plt.plot(x, y2, label='CH2', linewidth=3)tspsave('data', x=x, y1=y1, y2=y2)plt.xlabel("Time")
plt.ylabel("Wave")
plt.grid(True)
plt.legend(loc="upper right")
plt.tight_layout()
plt.show()#------------------------------------------------------------
# END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================
这里给出了使用示波器MSO24测量的波形，蓝色是输入方波，黄色是MOS栅极充放电波形。 利用Python编程，读取示波器波形数据。 然后对波形数据进行处理。 下面给出了MSO24读取的数据波形。
▲ 图1.4.2 读取波形数据并显示
#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST2.PY -- by Dr. ZhuoQing 2023-01-17
#
# Note:
#============================================================from headm import *x, y1, y2 = tspload('data', 'x', 'y1', 'y2')y20 = list(y2>0)
ychange = array([1 if s1 != s2 else 0 for s1,s2 in zip(y20[:-1], y20[1:])])
yw = where(ychange == 1)[0]startid = yw[1]+5
endid = yw[2]plt.plot(x[startid:endid], y1[startid:endid], label='CH1')
plt.plot(x[startid:endid], y2[startid:endid], label='CH1')plt.xlabel("Time")
plt.ylabel("Wave")
plt.grid(True)
plt.legend(loc="upper right")
plt.tight_layout()
plt.show()#------------------------------------------------------------
# END OF FILE : TEST2.PY
#============================================================
通过Python编程提取其中一个充电周期的数据。 可以看到这是一个电阻电容充电的曲线。
▲ 图1.4.3 充电半个周期中的数据波形
利用scipy中的曲线拟合功能， 来拟合示波器获得的MOS管栅极充电曲线数据。 这里给出了充电指数曲线三个参数。其中参数B的倒数是充电时间常数，它等于电路中串联电阻与电容的乘积。 这是根据参数绘制的拟合曲线曲线，初步验证这些参数的正确性。
▲ 图1.4.4 利用曲线拟合获得充电参数
[-5.01799537e+00 7.62146098e+03 2.55007691e+00]
from scipy.optimize import curve_fitdef func(x, a, b, c):return exp(-x*b)*a+cparam = (-5, 0.001, -2)
param, conv = curve_fit(func, t, curve, p0=param)
printf(param)yfit = func(t, *param)
下面根据测量结果来计算待测电容的大小。 曲线参数B的倒数是充电时间常数， 充电回路电阻等于R0加上R1。 那么待测电容C1等于时间常数除以回路电阻。 计算出的结果为13.1纳法。
对比前面结果，可以看到使用充放电测量的结果比手册中给定的结果大了近2倍。 这有可能是充放电范围所导致的。 实验中采用的正负2.5V 充放电，这与实际MOS管所使用的范围不同。 下面将充放电的范围改成大于0V。 这是充电电压从0V到5V， 可以看到到其中充电大于3V的时候出现了弯折。 下面将充电电压范围改成0V到2V。 这里给出了输入电压降低之后测量信号波形，充电电压波形就非常漂亮了。
▲ 图1.4.5 将充电电压改为0V到2V的充电曲线
仍然使用上面的方法，对从示波器读取的波形数据进行曲线拟合。 通过获得的B参数， 计算出待测电容数值，12.4nF， 可以看到它依然比起CSD19535 MOS管的栅极电容大了两倍左右。 那么这其中的原因究竟是什么呢？
[-1.98460382e+00 8.02037201e+03 2.00599575e+00]
下面对于T254 MOS管的栅极进行充放电测量， 使用相同的方法，利用其中充电半周期的数据拟合充电曲线参数， 计算出栅极电容大小为2.1纳法。 这个数值比起数据手册中的电容也是打了两倍左右。 可以看到这种方法所测量到的参数与实际电容相差两倍左右。
▲ 图1.4.6 T254的栅极充电波形
▲ 图1.4.7 通过测量波形拟合充电曲线参数
[-2.00046026e+00 4.74150744e+04 2.00168679e+00]
五、验证测量方法
为了验证上述测量方法的有效性，下面对一个标称值为10纳法的电容进行测量。 使用SmartTweezer测量这个电容的数值为14.51纳法。 将其替换掉MOS管， 利用上面测量的方法测量该电容的容值。 还是使用方波对其进行充放电，通过充放电曲线参数计算电容数值。
▲ 图1.5.1 使用一个标准电容来验证测量方法
这里给出了电容的充电曲线以及拟合曲线， 根据充电拟合参数B， 可以计算出待测电容的数值为1.43纳法。 这与前面使用SmartTweezer测量的结果是相同的。 这也验证了通过充电曲线来测量电容方式是正确的。
▲ 标准电容充放电曲线以及拟合曲线
[-1.92493302e+00 6.96244786e+03 1.99133424e+00]
※ 总 结 ※
本文测量了两款MOS管的栅极电容。 利用SmartTweezer测量栅极电容与数据手册给出输入电容基本相同。 但是利用电容充放电的方式测量的结果大了两倍左右。 这其中原因还有待进一步的探究。
■ 相关文献链接:
- CSD19535
- T254
● 相关图表链接:
- 图1.1.1 雪崩电流脉冲信号整流电路
- 图1.2.1 CSD19535栅极电容相关数据
- 图1.2.2 T254输入电容特性
- 图1.3.1 使用SmartTweezer直接测量MOS的栅极电容
- 图1.4.1 利用充放电波形获得电容参数
- 图1.4.2 读取波形数据并显示
- 图1.4.3 充电半个周期中的数据波形
- 图1.4.4 利用曲线拟合获得充电参数
- 图1.4.5 将充电电压改为0V到2V的充电曲线
- 图1.4.6 T254的栅极充电波形
- 图1.4.7 通过测量波形拟合充电曲线参数
- 图1.5.1 使用一个标准电容来验证测量方法
- 标准电容充放电曲线以及拟合曲线
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