Zaprojektowanie * liniowego * stopnia sterownika MOSFET

33

Szukam obwodu sterownika MOSFET, który można umieścić między wzmacniaczem operacyjnym a MOSFET-em mocy do obsługi tranzystora jako wzmacniacza liniowego (w przeciwieństwie do przełącznika).

tło

Opracowuję elektroniczny obwód obciążenia, który musi być w stanie zwiększyć obciążenie o około 1µs. Najważniejszy rozmiar kroku jest mały, powiedzmy 100mA, chociaż kiedy już to zrozumiem, prawdopodobnie chciałbym również osiągnąć dużą prędkość kroku sygnału 2,5A / µs. Powinien pomieścić źródła od 1 do 50 V, prądy od 0 do 5 A i będzie w stanie rozproszyć około 30 W.

Oto jak obecnie wygląda obwód. Od czasu pojawienia się we wcześniejszych pytaniach zastąpiłem MOSFET najmniejszym urządzeniem pojemnościowym, jakie udało mi się znaleźć (IRF530N -> IRFZ24N) i przeniosłem się do dość szerokiego pasma, wzmacniacza operacyjnego o dużej szybkości (LM358 -> MC34072), pozostając na terytorium żelków. Obecnie pracuję na wzmocnieniu około 4 na wzmacniaczu operacyjnym dla celów stabilności, co daje mi przepustowość w okolicach 1MHz. Dalsze informacje poniżej dla wszystkich zainteresowanych.

schematyczny

Problem

Podczas gdy obwód działa dość dobrze, problem polega na tym, że stabilność jest, no cóż, niestabilna :) Nie oscyluje ani nic w tym rodzaju, ale odpowiedź krokowa może wahać się od przekroczenia (brak przekroczenia) do całkiem niedostatecznego (20% przeregulowanie, trzy nierówności), w zależności od ładowanego źródła. Problematyczne są niższe napięcia i źródła rezystancyjne.

Moja diagnoza jest taka, że ​​przyrostowa pojemność wejściowa MOSFET-a jest wrażliwa zarówno na napięcie ładowanego źródła, jak i na efekt Millera wytwarzany przez dowolną rezystancję źródła, i że w ten sposób powstaje biegun „wędrujący” z operacji wzmacniacz oddziałujący z zależnym od źródła C g a t e MOSFET-a.RoCgate

Moją strategią rozwiązania jest wprowadzenie etapu wzmacniacza między wzmacniaczem operacyjnym a MOSFET, aby przedstawić znacznie niższą impedancję wyjściową (rezystancję) pojemności bramki, prowadząc wędrujący biegun do zakresu dziesiątek lub setek MHz, gdzie nie może wyrządzić jakąkolwiek krzywdę.

Szukając obwodów sterownika MOSFET w sieci, to, co znajduję, zakłada przede wszystkim, że chce się „całkowicie” włączyć lub wyłączyć MOSFET tak szybko, jak to możliwe. W moim obwodzie chcę modulować MOSFET w jego liniowym obszarze. Więc nie znajduję wglądu, którego potrzebuję.

Moje pytanie brzmi: „Który obwód sterownika może być odpowiedni do modulowania przewodności MOSFET w jego regionie liniowym?”

Widziałem, jak Olin Lathrop wspominał w innym poście, że od czasu do czasu używałby zwykłego obserwatora emiterów, ale ten post dotyczył czegoś innego, więc była to tylko wzmianka. Symulowałem dodanie obserwatora emitera między wzmacniaczem operacyjnym a bramką i faktycznie zadziałało to cudownie dla stabilności wzrostu; ale upadek poszedł do diabła, więc sądzę, że to nie jest tak proste, jak mogłem się spodziewać.

Skłaniam się do myślenia, że ​​potrzebuję czegoś w rodzaju komplementarnego wzmacniacza push-pull BJT, ale spodziewam się, że istnieją niuanse, które wyróżniają przetwornik MOSFET.

Czy potrafisz naszkicować przybliżone parametry obwodu, który może załatwić sprawę w tym przypadku?


Dalsze informacje dla zainteresowanych

Obwód pierwotnie był oparty na elektronicznym zestawie obciążeniowym Jameco 2161107, który niedawno został wycofany. Mój ma teraz około 6 części mniej niż oryginalne uzupełnienie :). Mój obecny prototyp wygląda tak dla tych, którzy, podobnie jak ja, są zainteresowani tego rodzaju rzeczami :)

prototyp

Źródło (zazwyczaj testowany zasilacz) jest podłączone do gniazda bananowego / zacisków z przodu. Zworka po lewej stronie płytki drukowanej wybiera programowanie wewnętrzne lub zewnętrzne. Pokrętło po lewej stronie to 10-obrotowa doniczka, umożliwiająca wybranie stałego obciążenia między 0-3A. BNC po prawej stronie pozwala dowolnemu przebiegowi sterować obciążeniem na poziomie 1A / V, na przykład za pomocą fali prostokątnej do zwiększenia obciążenia. Dwa jasnoniebieskie rezystory składają się z sieci sprzężenia zwrotnego i są umieszczone w obrabianych gniazdach, aby umożliwić zmianę wzmocnienia bez lutowania. Jednostka jest obecnie zasilana przez pojedyncze ogniwo 9 V.

Każdy, kto chce prześledzić moje kroki w nauce, znajdzie tutaj doskonałą pomoc, którą otrzymałem od innych członków:

Jestem całkowicie zdziwiony, że taki prosty projekt był tak bogatą motywacją do nauki. Dało mi to okazję do przestudiowania wielu tematów, które byłyby o wiele bardziej suche, gdyby zostały podjęte bez konkretnego celu :)

skąpy
źródło
1
Aby utrzymać punkt przecięcia zerowej temperatury krzywej przenoszenia, zastosowano źródło prądu stałego z urządzeniem pasmowo-szczelinowym. To, podobnie jak urządzenie o bardzo niskiej transkoduktancji, jest kluczowymi parametrami do projektowania MOSFET-u w obszarze liniowym. Bardzo ważne jest uzyskanie funkcji przenoszenia (Vgs vs Id) dla tego konkretnego urządzenia, którego używasz, a następnie wykonaj niezbędne przesunięcie w osi poziomej (Vgs) na krzywych dostarczonych przez producentów (w większości przypadków niedokładne!).
GR Tech
1
W przypadku buforów warto studiować LH0002 lub LH0033 ( ti.com/lit/an/snoa725a/snoa725a.pdf ). Były dość szybkie. LH0002 jest na tyle prosty, że prawdopodobnie można go zbudować z dyskrecji. Wątpię, by w tych dniach można było znaleźć układy scalone.
gsills
Wspaniale, dzięki @gsills! :)
Właśnie drukuję

Odpowiedzi:

14

Jest to rzeczywiście interesujący problem, ze względu na zmienność efektywnej pojemności obciążenia z rezystancją obciążenia spowodowaną przez pana Millera, i twoją potrzebę nie kompensowania go nadmiernie.

Podejrzewam, że tendencyjny sterownik wyjściowy BJT push-pull działałby dobrze - może 4 małe BJT (2 połączone jako diody), kilka oporników polaryzacji plus może kilka omów każdego z degeneracji emitera.

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab

Gdybym to robił, miałbym pokusę, aby rzucić w to mocniejszym, ale wciąż dość niedrogim wzmacniaczem, takim jak LM8261 .

Spehro Pefhany
źródło
Dzięki bardzo Spehro, właśnie tego szukałem! :) Dodaję to do schematu tego wieczoru i nauczę się, jak mogę na tym symulować. Potem myślę, że schwytam to na małej córce i wlutuję w prototyp; Zdarza mi się mieć otwarte podkładki we właściwym miejscu, z którego usunąłem rezystor bramkowy. Opowiem o tym, jak to idzie :)
scanny
2
To działało @Spehro! Pełny raport wyników poniżej. Świetne doświadczenie edukacyjne, ale będzie testować LM8261 do ostatniego obwodu :)
scanny
8

Raport końcowy

Dobra, krótka historia: dodanie dyskretnego bufora zadziałało! To powiedziawszy, nie sądzę, że zaprojektuję mój obwód w ten sposób, raczej pójdę zgodnie z zaleceniami @Spehro i @WhatRoughBeast i po prostu użyję wzmacniacza operacyjnego z wyższą mocą wyjściową prądu, w zasadzie poprawnie zbudując stopień buforowy do wzmacniacza operacyjnego.

Oto obwód, którego użyłem. Całkiem podobny do dostarczonego przez @Spehro, ale w rzeczywistości dokładnie ten z arkusza danych LH0002 zalecany przez @gsills. Zasadniczo wykorzystał dokładnie te same części (wartość rezystora polaryzacji 5k zamiast 1k) tylko kilka różnych połączeń i ... arkusz danych powiedział, że obwód ma wzrost prądu o 40 000 ; cóż, moja chciwość zysku całkowicie przejęła i zdecydowałem się na wersję dwustopniową:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Symulował ładnie, więc zbudowałem go na 5 x 7 bitowej tablicy i zainstalowałem jako prototyp na moim prototypie:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

I voila! ładna cholera blisko wzrostu 1µs (1.120µs) i solidna jak skała, bez przekroczenia do końca od nieco powyżej 0V do 30V i stopni prądu od 100mA do 2,5A.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Spadek jest nieco dłuższy przy 1,42µs:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

To była naprawdę miła niespodzianka, ponieważ obwód sam w sobie nie był szczególnie stabilny, kiedy testowałem go na stole przed instalacją. Kto wiedział, że taki obwód buforowy może sam oscylować? No cóż, wszyscy oprócz mnie najwyraźniej odkryłem, kiedy go szukałem :) A także naprawdę wysokie częstotliwości, takie jak 25 MHz. Nadal nie do końca rozumiem, dlaczego tak jest, ale najwyraźniej obserwator emiterów jest bardzo zbliżony do oscylatora Colpitta, ten obwód to czteropak obserwatorów emiterów, a po prostu niewłaściwe fragmenty pasożytniczej reakcji mogą sprawić, że śpiewa. Oczekuję, że moje przewody testowe były wszystkimi pasożytami, których potrzebował. Ponadto pewien opór wejściowy jest wykorzystywany do jego ustabilizowania (przez „zepsucie”Q wierzę w obwód zbiornika), więc może Ro wzmacniacza operacyjnego również pomaga w rozwiązaniu.

To było zdecydowanie bogate doświadczenie edukacyjne. W końcu naprawdę muszę się skupić na wzmacniaczach BJT typu push-pull i jestem teraz bardzo zadowolony z wydajności obwodu. Myślę, że mogę osiągnąć wartość poniżej 1 µs, modyfikując wzmocnienie, aby uzyskać nieco większą przepustowość, być może zysk 3 zamiast 4.

To powiedziawszy, nie sądzę, aby dodanie dyskretnego stopnia sterownika do obwodu „produkcyjnego” było najlepszym rozwiązaniem, więc zamówiłem płytkę ewaluacyjną i poleciłem próbki LM8261 @Spehro. To zdecydowanie imponujący wzmacniacz operacyjny. Nie wiedziałem, że istnieje coś takiego jak wzmacniacz operacyjny, który może napędzać „nieograniczoną pojemność”. Arkusz danych pokazuje obwód napędzający 47nF, czyli więcej niż kiedykolwiek będę potrzebował.

Zobaczymy, jak to będzie, gdy części się pojawią :)

skąpy
źródło
4

Chociaż ogólnie zgadzam się ze Spehro, myślę, że jest kilka rzeczy, na które powinieneś zwrócić uwagę.

Po pierwsze, MUSISZ dodać trochę odsprzęgania do linii zasilania. 9-woltowa bateria nie osiągnie wymaganej wydajności. Spróbuj około 10 uF, tantalu, tak blisko wzmacniacza, jak to tylko możliwe. Na zdjęciu wygląda na to, że może istnieć elektrolit służący do tej funkcji, ale nie pokazano tego na schemacie. Co więcej, uzyskaj zasilanie 12 V (najlepiej liniowe) i całkowicie zrezygnuj z baterii. (Wciąż będziesz musiał odsprzęgać, pamiętaj, ale przynajmniej nie musisz się martwić, że poziom naładowania baterii jest niski).

Po drugie, spróbuj podłączyć uziemienie lunety do uziemionej strony rezystorów mocy, a nie do przewodu wejściowego. Nie powinno to mieć wielkiego znaczenia, ale i tak jest to dobry pomysł.

Po trzecie, Spehro jest zbyt delikatny - twój wzmacniacz operacyjny nie zrobi tego, co chcesz. Po pierwsze, czas jego ustalania jest podany jako 1,1 usec do 0,1%, i to bez żadnych etapów zewnętrznych. Po drugie, twoja brama zapewnia 370 pF obciążenia na wyjściu, i jest to bardzo prawdopodobne źródło niestabilności. Przy nominalnym czasie osadzania 400 ns, szczególnie przy określonym obciążeniu 500 pF, LM8261 jest znacznie lepszym wyborem. Ale uwaga - szersze pasmo LM8261 pozwoli na jakieś inne źródło oscylacji, więc bądź przygotowany. Układ płytki drukowanej wygląda na tyle ciasno, że nie powinno to stanowić problemu, ale nigdy nie wiadomo.

Po czwarte, jeśli naprawdę chcesz załadować zasilanie 50 woltów do 5 amperów, musisz pogodzić się z rozpraszaniem 250 watów. 30 watów to tylko pobożne życzenie. Będzie to prawie na pewno wymagało wielu tranzystorów polowych i znacznie większego radiatora, prawdopodobnie z wymuszonym chłodzeniem powietrzem.

WhatRoughBeast
źródło
Jeśli chodzi o wydajność akumulatora, czy uważasz, że uważasz, że rezystancja wewnętrzna (około 1,7 Ω, którą właśnie odkryłem) byłaby wystarczająca, aby spowodować spadek napięcia podczas zwiększania obciążenia? Obwód ma elektrolityczne 100µF, a także ceramikę 100nF równolegle z akumulatorem. Przepraszam, nie pomyślałem o włączeniu tego do schematu. Na ziemi sondy zwykle używam uziemienia rezystora, po prostu robiło mi się trochę bliznowac, ​​więc pomyślałem, że trochę o tym zaoszczędzę :) Odbieram trochę więcej szumu, ale kształt fali nie zmienił się zauważalnie. Zdobędę tam coś bardziej precyzyjnego do późniejszej kompilacji.
skąpy
Jeśli chodzi o rozpraszanie mocy, tak, oczywiście nie chciałem sugerować, że może to zrobić 50 V i 5 A jednocześnie :) W pewnym momencie mógłbym zastanowić się nad tym obwodem ochronnym. W międzyczasie trzymam jedną rękę na radiatorze, gdy go używam :)
scanny
@scanny Impedancja wewnętrzna akumulatorów niekoniecznie musi być stała w całym spektrum i będzie się zwiększać w miarę rozładowywania się akumulatora. Możesz nawet przeczytać o tym historie: ganssle.com/articles/Exofoolishness.htm
Eugene
1
@WhatRoughBeast Myślę, że rozpraszanie mocy w MOSFET zależy tylko od spadku napięcia na MOSFET i przepływu prądu: Pdiss = VDS × IDS. To jest główny powód, dla którego MOSFETS rozprasza więcej w obszarze liniowym. Schemat SOA jest w tym przypadku bardzo ważny, aby zminimalizować niestabilne warunki.
GR Tech
1

Tylko sugestia ... szukałem zamiennika LM8261, w pakiecie SOT23-5, do sterowania MOSFETAMI takimi jak IXTN90N25L (23nF Ciss) w trybie liniowym. Znaleziono LM7321 o jeszcze wyższej wartości prądu wyjściowego i podobnej szerokości pasma jak LM8261. Oczywiście, usuwając ograniczenie SOT23-5, możesz znaleźć inne wzmacniacze operacyjne o wyższym prądzie wyjściowym, wystarczy użyć wyboru ti.com.

użytkownik86646
źródło
1

Obserwatory emitera są znane z oscylacji przy obciążeniach kabli pojemnościowych. Mała seria R może uczynić go stabilnym.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
źródło
0

Zacznę od naklejenia kondensatora na rezystor sprzężenia zwrotnego R10. Następnie dodaje się dzielnik rezystorowy dla mosfetu, w celu promowania mosfetu, gdy zaczyna on w obszarze liniowym (triodowym).

Oto moje uzasadnienie: bardzo wiele opampów oscyluje bez kondensatora w celu ograniczenia przepustowości w pętli sprzężenia zwrotnego. Osobiście uważam to za obowiązkowe częściej niż nie.

Jeśli mosfet zaczyna się w swoim obszarze liniowym, opamp ma możliwość dobrego punktu początkowego, w którym może powoli reagować na zmiany zamiast nagle osiągnąć napięcie progowe. Po prostu zwiększ rezystancję.

schematic

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab

użytkownik55924
źródło
Zacząłem od zaproponowanego przez ciebie schematu kompensacji „w pętli”. Niestety zabija przepustowość, gdy jest skonfigurowany tak, aby pomieścić pojemność bramki w najgorszym przypadku. Sprawia również, że obwód sprzężenia zwrotnego jest trzeciego rzędu, co może powodować, że odpowiedź krokowa jest jeszcze wolniejsza. Czas wzrostu 20 µs był najlepszym, co mogłem zrobić z tym schematem. Ideą sterownika jest skuteczne odizolowanie wzmacniacza operacyjnego od MOSFET, aby kompensacja nie była konieczna, a maksymalna dostępna przepustowość może zostać zachowana. Jeśli chodzi o rezystancyjny dzielnik napięcia, nie jestem pewien, czy dostrzegam zaletę, jaką daje wzmacniaczowi operacyjnemu więcej, przeciwko któremu można pracować.
scanny
„Filtr dolnoprzepustowy w pętli sprzężenia zwrotnego”. Wygląda bardziej jak filtr górnoprzepustowy .
Peter Mortensen
@scanny ok, próbowałeś rezystor szeregowy między opamp a bramą? (około 50 omów) i dodanie drugiej pętli sprzężenia zwrotnego ?. (patrz AN-968 z ADI)
użytkownik55924,
1
Tak, to faktycznie było częścią oryginalnego obwodu (47 Ω), ale po usunięciu kondensatora sprzężenia zwrotnego nie było już dla niego żadnego celu, a pozostawienie go tylko zwiększyłoby Ro, przenosząc Ro+dojassbiegun częstotliwości w dół i dalsza degradacja stabilności.
scanny