Interruttore MOSFET con tempo di assestamento rapido per commutazione campo elettronico

Applicazione: ho una rete di rame (10 cm x 10 cm quadrati) in una camera a vuoto collegata a un connettore BNC da un filo di rame lungo 24 cm. L' obiettivo è di cambiare rapidamente la tensione di rete (riferita a terra) da 8 V a ~ 0 V. (Questo cambierà il campo elettrico nella camera, che è un meccanismo di controllo per i nostri esperimenti di fisica atomica.) È essenziale che circa 500 ns dopo l'inizio della commutazione, il segnale si stabilizzi su <10 mV (~ <0,1%). La mesh sta fluttuando; non è terminato nella camera.

Problema: c'è una "gobba" nella parte inferiore del mio impulso quadrato invertito. Devo appiattirlo.

Circuito: ho optato per un semplice circuito di commutazione MOSFET:

Descrizione: Il MOSFET ( ZVN2110A-ND , modalità potenziamento canale N ) è pilotato da un driver IRS2117PBF-ND , che emette un impulso positivo a 15 V. La linea di base di questo impulso trigger galleggia su V_S, che è legato a V_LO da un piccolo resistore. La mesh è collegata al punto B. Il filtro passa-basso in uscita è stato un tentativo di risolvere il problema. Tutti i valori dei resistori sono stati determinati sperimentalmente (cioè utilizzando inizialmente potenziometri). Il risultato è stato cablato utilizzando uno stile "dead-bug" su una scheda rivestita in rame.

Dettagli della sonda: per simulare la rete, ho saldato un filo di 24 cm a un pezzo di scheda perf rivestita in rame e l'ho collegato all'uscita del circuito (Punto B). Ho sondato il segnale sulla scheda perf con una sonda Tektronix ( 500 MHz, 8.0 pF, 10MOhm, 10x ) in un ambito Tektronix ( ambito digitale TDS3012 100 MHz ).

Osservazioni: si commuta abbastanza rapidamente (anche se potrei accelerarlo rimuovendo il filtro), l'ampiezza e la durata dello squillo sono tollerabili, ma sulla scala temporale ( essenziale ) del microsecondo, c'è una grande "gobba" e un abbassamento / abbassamento di 20 mV (etichettato nell'immagine con una linea rossa). Questo è inaccettabilmente grande e rende impossibile fare i nostri esperimenti, che si svolgono dal momento della commutazione fino a circa 10 microsecondi dopo la commutazione.

Dettagli di applicazione: Utilizziamo i campi elettrici per ottimizzare le risonanze atomiche nei nostri esperimenti. La scansione del campo elettrico applicato agli atomi ci consente di registrare uno "spettro" di queste risonanze che mostrano la loro posizione e forma. Le larghezze e le separazioni di queste risonanze sono dell'ordine di 1-10 mV / cm (molto piccolo!). Per applicare il campo elettrico, posizioniamo gli atomi tra due pezzi di maglia di rame piatti, separati da 1 cm. Il campo E tra i pezzi di maglia di rame è solo la differenza potenziale tra i pezzi di maglia (la differenza di 1 V equivale a 1 campo E / cm, una conversione da 1 a 1). Nel raccogliere uno spettro, campioniamo un valore del campo E passando alla tensione corrispondente e aspettando alcuni microsecondi prima del rilevamento. Se la tensione (e quindi il campo E) si sposta durante il periodo di campionamento più della dimensione delle risonanze (<10 mV), la risoluzione viene degradata al punto in cui l'immagine del nostro spettro diventa sfocata oltre il riconoscimento.

Ulteriori pensieri: ho considerato la possibilità che il MOSFET si stia riscaldando, cambiando così la sua resistenza di accensione (normalmente ~ 4 Ohm). Per provare questo, ho provato due cose: (1) posizionando due MOSFET in parallelo e (2) sostituendo lo ZVN2110A con un MOSFET IRF1010EZ che ha una resistenza di accensione molto inferiore (100 mOhm). Né le cose hanno aiutato, la "gobba" è ancora di 20 mV e dura ancora alcuni microsecondi. Mi sembra che anche aumentare la resistenza di pull-up (come suggerito nei commenti) possa aiutare, quindi proverò questo.

Aggiornamento 1: ho provato ad aumentare la resistenza di pull-up da 470 Ohm a 10 kOhm. Non vi è stato alcun effetto sull'output; ha ancora la "gobba" di 20 mV dopo il suono iniziale.

Aggiornamento 2: scollegare il filo "mock-up" + mesh dal circuito e sondare direttamente il punto B non ha alcun effetto sul segnale misurato.

Aggiornamento 3: Di seguito sono riportate le tracce per i punti corrispondenti nello schema sopra:

Sembra che la "gobba" appaia anche sull'impulso del gate. Il punto "D" vicino al FET non sembra diverso dal sondare la mesh.

Aggiornamento 4: ho (1) aumentato la resistenza di pull-up a 1kOhm, (2) rimosso la resistenza di filtraggio da 1000pF, (3) scollegato la rete, (4) aggiunto due condensatori elettrolitici 470uF "marmellata" alle rotaie e (5) ha sostituito il generatore di impulsi con uno più veloce (Agilent 33250A). Nuovi schemi e tracce:

Anche con un impulso di trigger più veloce per il driver FET, il problema rimane. I tappi "jam can" sembrano filtrare alcune oscillazioni ad alta frequenza, ma la "gobba" rimane.

Se osservi la frequenza caratteristica della gobba è nell'ordine dei 100 di KHz. l'unica cosa in quel circuito che ha un polo dominante in quella gamma saranno gli alimentatori. Guarda il binario inferiore e vedi se è correlato alla gobba.

Scommetto che la gobba, come la chiami tu, è causata dalla capacità della rete e dall'induttanza / impedenza del cavo da 24 cm. Ecco alcune cose da provare:

1. Ridurre la lunghezza del cavo da 24 cm. Ciò ridurrà l'induttanza / impedenza del cavo e consentirà una scarica più rapida della rete.

2. Rendi il cavo di 24 cm più spesso. Stesso concetto del n. 1.

3. Sposta il MOSFET proprio accanto alla griglia, all'interno della camera. Stesso concetto del n. 1, ma portato all'estremo.

4. Qualsiasi filo che trasporta la corrente di scarica della rete deve essere il più corto e spesso possibile. Ciò include tutti i cavi di terra.

Alcuni di questi, forse la maggior parte, saranno impraticabili da fare durante le "operazioni scientifiche", ma vale comunque la pena farlo solo per aiutare a restringere la provenienza di quella gobba.

Potrebbe essere istruttivo sapere cosa stava facendo la tensione (a) in uscita sulla griglia, (b) sul resistore collegato al punto "b", (c) proprio allo scarico del FET, e infine, (d) a il cancello del FET. Potrebbe essere induttanza / capacità nel cablaggio, ma potrebbe essere la FET a fare qualcosa di diverso da quello che ci aspettiamo.

Mi chiedo se potresti guidare la griglia direttamente dall'IRS2117, poiché né la tua tensione né la tua corrente sono estreme. Un gate driver è progettato per pilotare il carico capacitivo del gate FET e questa sembra essere la natura del problema originale.

Infine, se devi andare estremo, potrebbe essere necessario un qualche tipo di schema del circuito di controllo, dove hai un'alimentazione negativa e in realtà conduci l'uscita negativa fino a quando non raggiunge lo zero (questo tira la corrente dalle griglie) ... quindi porti un linea di feedback dall'uscita per controllare questo circuito di pilotaggio in modo che si applichi la guida giusta per ottenere questo comportamento.

Modifica : ho appena notato V LO. Che tensione è quella? Penso che la maggior parte della mia risposta sia andata via ...

Innanzitutto, suppongo che tu stia misurando il segnale di interesse nel punto B del tuo circuito.

In secondo luogo, presumo che tu abbia calcolato la costante di tempo RC che il tuo circuito deve affrontare - le mie stime sono (per cavi diretti corti al di fuori del sistema del vuoto): C ~ 100pF, R ~ 600 Ohm, quindi t ~ 0.1usec. Per raggiungere lo 0,1% del segnale sono necessarie ~ 7 costanti di tempo o ~ 0,7usec.

Un problema con il circuito, come indicato, è che la capacità di uscita del MOSFET è 25pF, la capacità di ingresso è 75pF e la capacità di trasferimento è 8pF. Inoltre, la carica di gate che deve essere rimossa è 1n Coloumb.

Come hai notato, l'uscita del generatore di segnale viene trasferita attraverso il driver all'ingresso e quindi all'uscita del MOSFET. Inoltre, la maggior parte dei generatori di impulsi non raggiunge un vero zero volt nei loro tempi di caduta nominali - il tempo è solitamente specificato come il 90% al 10% del tempo.

Una soluzione migliore è quella di utilizzare un gate CD4010UB per sostituire sia il driver che il MOSFET - collegare il generatore di segnale all'ingresso del gate e l'uscita del gate al resistore da 600 Ohm collegato al punto B. Sfortunatamente il '10 probabilmente non è più disponibile - Non sono riuscito a trovarne uno con una ricerca.

La seconda parte migliore sarebbe l'inverter esadecimale CD4009UB (disponibile da Digikey codice 292-2030-J-ND $ 0,55).

Il "trucco" è che la parte ha connessioni di alimentazione separate per le sezioni di ingresso e uscita delle porte. La connessione di ingresso (Vdd) deve essere impostata sulla massima tensione necessaria per l'uscita e la connessione di uscita (Vcc) deve essere impostata da 0 a Vdd.

Nonostante la scheda tecnica, ho usato questa configurazione con Vcc da -0,3 V a Vdd senza problemi.

Dovrai regolare la resistenza da 600 Ohm per compensare la resistenza interna del gate - ~ 200 Ohm - oppure potresti mettere in parallelo tutti e sei gli ingressi del gate e le loro uscite. Se non si collegano in parallelo le altre cinque porte, è necessario collegare i loro ingressi a Vdd - non lasciarli fluttuare.

Vi è un'alta probabilità che si stia misurando il ripristino del sovraccarico del proprio ambito. Considera lo screenshot dell'ambito di seguito:

La tensione misurata dalla traccia blu non esiste . Come puoi vedere, sul lato sinistro del display, la traccia è andata fuori dallo schermo e ha tagliato l'opamp ad alta velocità all'interno del frontend analogico dell'oscilloscopio. Ciò provoca ogni sorta di cattiveria, come il riscaldamento differenziale nella fase di input, il sovvertimento dei punti di polarizzazione, ecc. Di conseguenza, l'opamp ha bisogno di diverse decine di millisecondi per accontentarsi ... sorprendente per un chip che ha centinaia di larghezza di banda MHz, non è vero?

Leggi la roba bonus (sfondo rosa) in questo documento di Jim Williams:

http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an10f.pdf

Non sto dicendo che questo è il colpevole, ma è probabile. Quando le tracce di traccia, anche per un µs, l'ambito non dovrebbe essere attendibile. Qualsiasi circuito lineare che si aggancia o si avvicina al clipping, anche per un tempo estremamente breve (come 1 ns), non può essere attendibile per precisione o assestamento fino a quando non siamo assolutamente sicuri che tutto si sia raffreddato, ogni carica immagazzinata in ogni condensatore integrato è tornata al valore nominale valore, ecc ...

Questo include un opamp che va a limitare la velocità di risposta, tra l'altro. Il tempo di recupero è il tempo di assestamento indicato nel foglio dati ed è molto più lungo dopo la rotazione che dopo l'elaborazione di un impulso di rotazione della stessa ampiezza. Si prega di notare che il tempo di assestamento specificato nella scheda tecnica di solito implica la clip DID NOT NON operata!

Per misurare il tempo di assestamento, avrai bisogno di misure speciali, molto probabilmente un interruttore analogico per consentire la misurazione della tensione solo attraverso alcune decine di nanosecondi DOPO che rientra nell'intervallo dell'oscilloscopio ...

Potresti anche usare un buon opamp di precisione (specificato per tempi di assestamento rapidi e accurati, molto più veloce di quello che stai cercando di misurare) e limitare i diodi nella rete di feedback. Rallenta la commutazione MOSFET fino a quando nessun picco sconvolge l'opamp.

Per lo stesso motivo, la planarità dell'impulso di uscita del generatore di impulsi non può essere misurata con l'oscilloscopio.

http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an79.pdf

Divertiti! Quando devi inserire le note dell'app Jim Williams, sai che sei nei guai! Questi sono problemi molto delicati ...