Progettazione di uno stadio driver MOSFET * lineare *

Sto cercando un circuito driver MOSFET che può essere posizionato tra un amplificatore operazionale e un MOSFET di potenza per far funzionare il transistor come un amplificatore lineare (al contrario di un interruttore).

sfondo

Sto sviluppando un circuito di carico elettronico che deve essere in grado di aumentare il carico di circa 1 µs. La dimensione del passo più importante è piccola, diciamo 100 mA, anche se una volta che avrò risolto probabilmente mi piacerebbe anche ottenere una grande velocità del passo del segnale di 2,5 A / µs. Dovrebbe contenere sorgenti da 1 a 50 V, correnti da 0 a 5 A. e sarà in grado di dissipare circa 30 W.

Ecco come appare il circuito al momento. Da quando è comparso nelle domande precedenti ho sostituito il MOSFET con il più piccolo dispositivo di capacità che sono stato in grado di trovare (IRF530N -> IRFZ24N), e sono passato a una larghezza di banda ragionevolmente ampia, un amplificatore operazionale ad alta velocità (LM358 -> MC34072) rimanendo nel territorio di jelly bean. Attualmente sto eseguendo un guadagno di circa 4 sull'amplificatore operazionale a fini di stabilità, il che mi dà una larghezza di banda nel vicinato di 1MHz. Ulteriori informazioni di seguito per chiunque sia interessato.

Il problema

Mentre il circuito funziona ragionevolmente bene, il problema ora è che la stabilità è, beh, non stabile :) Non oscilla o qualcosa del genere, ma la risposta al gradino può variare da sovra-smorzata (nessun superamento) a abbastanza indebolita (20% overshoot, tre dossi), a seconda della sorgente caricata. Bassa tensione e fonti resistive sono problematiche.

La mia diagnosi è che la capacità di ingresso incrementale del MOSFET è sensibile sia alla tensione della sorgente caricata che all'effetto Miller prodotto da qualsiasi resistenza della sorgente, e che ciò produce in effetti un polo "errante" da dell'op amp interagendo con il C dipendente dalla sorgente$R_o$ del MOSFET.$C_{gate}$

La mia strategia di soluzione è quella di introdurre uno stadio pilota tra l'amplificatore operazionale e il MOSFET per presentare un'impedenza di uscita (resistenza) molto più bassa alla capacità del gate, spingendo il polo errante fino a decine o centinaia di MHz dove non può fare del male.

Nella ricerca dei circuiti dei driver MOSFET sul web, ciò che trovo presume principalmente che si voglia "accendere" o spegnere completamente il MOSFET il più rapidamente possibile. Nel mio circuito, voglio modulare il MOSFET nella sua regione lineare. Quindi non trovo abbastanza l'intuizione di cui ho bisogno.

La mia domanda è: "Quale circuito driver potrebbe essere adatto a modulare la conduttività del MOSFET nella sua regione lineare?"

Ho visto Olin Lathrop menzionato nel passaggio in un altro post che di tanto in tanto avrebbe usato un semplice seguace di emettitori per qualcosa del genere, ma il post parlava di qualcos'altro, quindi era solo una menzione. Ho simulato l'aggiunta di un follower di emettitori tra l'amplificatore operazionale e il gate e in realtà ha funzionato a meraviglia per la stabilità di salita; ma la caduta è andata tutto bene, quindi sto pensando che non sia così semplice come avrei potuto sperare.

Sono propenso a pensare di aver bisogno di qualcosa di simile a un amplificatore push-pull BJT complementare, ma mi aspetto che ci siano sfumature che contraddistinguono un driver MOSFET.

Riesci a delineare i parametri approssimativi di un circuito che potrebbe fare il trucco in questo caso?

Ulteriore sfondo per gli interessati

Il circuito era originariamente basato sul kit di carico elettronico Jameco 2161107, recentemente interrotto. Il mio ora ha circa 6 parti in meno rispetto al suo complemento originale :). Il mio attuale prototipo si presenta così per coloro che, come me, sono interessati a quel genere di cose :)

La sorgente (generalmente un alimentatore in prova) è collegata al jack a banana / ai morsetti di collegamento sul lato anteriore. Un ponticello a sinistra del PCB seleziona la programmazione interna o esterna. La manopola a sinistra è una pentola da 10 giri che consente di selezionare un carico costante tra 0-3A. Il BNC a destra consente a una forma d'onda arbitraria di controllare il carico al livello di 1A / V, ad esempio, con un'onda quadra per aumentare il carico. Le due resistenze azzurre comprendono la rete di feedback e sono dotate di prese lavorate per consentire la modifica del guadagno senza saldatura. L'unità è attualmente alimentata da una singola cella da 9 V.

Chiunque desideri tracciare i miei passi di apprendimento troverà l'eccellente aiuto che ho ricevuto da altri membri qui:

• È mai utile aggiungere un condensatore tra gli ingressi dell'amplificatore operazionale?
• Calcolo del valore della resistenza di gate per una maggiore stabilità della regione attiva
• Come testare la stabilità dell'amplificatore operazionale?
• Perché LTSpice non prevede questa oscillazione dell'amplificatore operazionale?
• Cosa si può dedurre dalla frequenza a cui sta oscillando un amplificatore operazionale?
• Perché un passaggio più piccolo mostra una migliore instabilità?
• $R_o$
• Questo Schottky fornisce protezione ai transitori MOSFET?
• Perché il 60% di overshoot con un margine di fase di 55 °?
• Come posso misurare la capacità del gate?

Sono profondamente sorpreso che un semplice progetto come questo sia stato un motivatore così ricco per l'apprendimento. Mi è stata data l'occasione per studiare un numero di argomenti che sarebbero stati così più asciutti se intrapresi senza un obiettivo concreto in mano :)

Questo è davvero un problema interessante, a causa della variazione della capacità di carico effettiva con la resistenza di carico dovuta a Mr. Miller, e la tua necessità di non compensare eccessivamente.

Ho il sospetto che un driver di uscita BJT push-pull distorto funzionerebbe bene, forse 4 piccoli BJT (2 collegati come diodi) un paio di resistori di polarizzazione più forse un paio di ohm ciascuno di degenerazione dell'emettitore.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Se lo facessi, sarei tentato di lanciare un amplificatore più robusto , ma ancora abbastanza economico, come un LM8261 .

Rapporto sui risultati

Ok, il racconto è: l'aggiunta di un buffer discreto ha funzionato! Detto questo, non penso che progetterò il mio circuito in questo modo, piuttosto seguirò la raccomandazione di @Spehro e @WhatRoughBeast e userò solo un amplificatore operazionale con capacità di uscita di corrente più elevata, fondamentalmente con lo stadio buffer costruito correttamente nell'amplificatore operazionale.

Ecco il circuito che ho usato. Abbastanza simile a quello fornito da @Spehro, ma in realtà esattamente quello nel datasheet LH0002 che @gsills ha raccomandato. Fondamentalmente ha usato esattamente le stesse parti (valore del resistore di polarizzazione 5k invece di 1k) solo alcune connessioni diverse, e ... il foglio dati diceva che il circuito aveva un guadagno di corrente di 40.000 ; beh, la mia avidità di guadagno ha preso il sopravvento e ho deciso di optare per la versione a due stadi:

Ha simulato bene, quindi l'ho costruito su un veroboard 5 x 7 bit e l'ho installato come scheda figlia sul mio prototipo:

E voilà! piuttosto dannatamente vicino all'aumento di 1µs (1.120µs) e solido come una roccia senza overshoot da un po 'sopra 0V a 30V e passi correnti da 100mA a 2,5A.

La caduta è un po 'più lunga a 1,42 µs:

Questa è stata in realtà una piacevole sorpresa, perché il circuito non era particolarmente stabile da solo quando l'ho provato sul banco prima di installarlo. Chi sapeva che un circuito buffer come questo potesse oscillare da solo? Beh, tutti tranne me, a quanto pare, l'ho scoperto una volta che l'ho cercato :) E anche frequenze molto alte, come 25MHz. Continuo a non capire del tutto perché, ma a quanto pare un seguace di un emettitore è molto vicino a un oscillatore di Colpitts, questo circuito è un gruppo di seguaci di emettitori e solo i pezzi sbagliati di reattanza parassitaria possono far cantare la cosa. Mi aspetto che i miei puntali fossero tutti i parassiti di cui aveva bisogno. Inoltre, viene utilizzata una certa resistenza di ingresso per risolverlo ("rovinando" il$Q$ del circuito del serbatoio credo), quindi forse il $R_o$ dell'amplificatore operazionale aiuta anche con la soluzione.

Quindi questa è stata sicuramente una ricca esperienza di apprendimento. Finalmente sono riuscito a farmi davvero avvolgere la testa dagli amplificatori BJT push-pull e sono davvero soddisfatto delle prestazioni del circuito ora. Penso di poter scendere sotto 1µs modificando il guadagno per ottenere un po 'più di larghezza di banda, forse un guadagno di 3 anziché 4.

Detto questo, non credo che l'aggiunta di una fase di pilotaggio discreta al circuito di "produzione" sia la soluzione migliore, quindi ho ordinato una scheda di valutazione e campioni di LM8261 @Spehro consigliati. È sicuramente un amplificatore operazionale impressionante. Non sapevo che esistesse un amplificatore operazionale in grado di pilotare "capacità illimitata". Il foglio dati mostra un circuito che guida 47nF, che è più di quanto avrò mai bisogno.

Quindi vedremo come va una volta che le parti arrivano :)

Anche se in genere sono d'accordo con Spehro, ci sono alcune cose a cui penso che dovresti prestare attenzione.

Innanzitutto, DEVI aggiungere un po 'di disaccoppiamento alla tua linea elettrica. Una batteria da 9 volt non avrà le prestazioni di cui hai bisogno. Prova circa 10 uF, tantalio, il più vicino possibile all'amplificatore. Dall'immagine, sembra che ci possa essere un elettrolitico che serve questa funzione, ma non lo mostri sul tuo schema. Ancora meglio, ottieni un'alimentazione a 12 volt (preferibilmente lineare) e rinuncia completamente alle batterie. (Avrai comunque bisogno di disaccoppiare, mente, ma almeno non devi preoccuparti che la batteria si scarichi.)

In secondo luogo, provare a collegare la terra dell'oscilloscopio al lato messo a terra dei resistori di potenza, piuttosto che al filo di ingresso. Questo non dovrebbe fare una grande differenza, ma è comunque una buona idea.

Terzo, Spehro è troppo gentile: l'amplificatore operazionale non farà ciò che desideri. Innanzitutto, il suo tempo di assestamento è elencato da 1,1 usec allo 0,1%, e questo è senza palchi esterni. In secondo luogo, il gate sta fornendo un carico di 370 pF sull'uscita e questo è molto probabilmente una fonte di instabilità. Con un tempo di assestamento nominale di 400 nsec, in particolare con un carico specificato di 500 pF, LM8261 è una scelta molto migliore. Un avvertimento, tuttavia: la larghezza di banda più ampia dell'LM8261 consentirà la possibilità di un'altra fonte di oscillazione, quindi preparatevi. Il layout del tuo pcb sembra abbastanza stretto che questo non dovrebbe essere un problema, ma non lo sai mai.

In quarto luogo, se davvero speri di caricare un'alimentazione da 50 volt a 5 ampere, devi rassegnarti a dissipare 250 watt. 30 watt è solo un pio desiderio. Ciò richiederà quasi sicuramente più FET e un dissipatore di calore molto più grande, probabilmente con raffreddamento ad aria forzata.

Solo un suggerimento ... Stavo cercando un sostituto LM8261, nel pacchetto SOT23-5, per pilotare MOSFET come IXTN90N25L (23nF Ciss) in modalità lineare. Trovato l'LM7321 con una corrente nominale di uscita ancora maggiore e una larghezza di banda simile a quella dell'LM8261. Ovviamente, rimuovendo la restrizione SOT23-5, potresti trovare altri amplificatori operazionali con corrente di uscita superiore, basta usare la selezione ti.com.

Emitter Followers are notorious for oscillation with capacitive cable loads. A small series R can make it stable.

I would start by sticking a capacitor over the feedback resistor R10. Then adding a resistor divider for the mosfet, for the purpose of biasing the mosfet when it starts in its linear(triode) region.

The reasoning I have for this is: extremely many opamps oscillate without a capacitor for limiting bandwidth in the feedback loop. I personally consider it mandatory more often than not.

If the mosfet starts in its linear region, the opamp has the possibility of a good starting point, where it can slowly react to changes instead of suddenly reaching a treshold voltage. Just make the resistance large.

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}