Zaprojektowanie * liniowego * stopnia sterownika MOSFET

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.

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.$R_o$$C_{gate}$

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 :)

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:

• Czy kiedykolwiek warto dodać kondensator między wejściami wzmacniacza operacyjnego?
• Obliczanie wartości rezystora bramki dla zwiększonej stabilności regionu aktywnego
• Jak przetestować stabilność wzmacniacza operacyjnego?
• Dlaczego LTSpice nie przewiduje tej oscylacji wzmacniacza operacyjnego?
• Co można wywnioskować z częstotliwości, na której oscyluje wzmacniacz operacyjny?
• Dlaczego mniejszy krok lepiej pokazuje niestabilność?
• $R_o$
• Czy ten Schottky zapewnia przejściową ochronę MOSFET?
• Dlaczego przekroczenie 60% z marginesem fazowym 55 °?
• Jak zmierzyć pojemność bramki?

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 :)

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.

^{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 .

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:

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

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.

Spadek jest nieco dłuższy przy 1,42µs:

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 $R_o$ 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 :)

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.

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.

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

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.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}