Merancang tahap driver * linear * MOSFET

Saya sedang mencari rangkaian driver MOSFET yang dapat ditempatkan antara op-amp dan MOSFET daya untuk mengoperasikan transistor sebagai penguat linier (sebagai lawan dari saklar).

Latar Belakang

Saya sedang mengembangkan sirkuit beban elektronik yang harus mampu melangkah beban sekitar 1μs. Ukuran langkah paling penting adalah kecil, katakanlah 100mA, meskipun begitu saya berhasil, saya mungkin ingin juga mencapai kecepatan langkah sinyal besar 2.5A / μs. Ini harus mengakomodasi sumber dari 1 hingga 50V, arus dari 0 hingga 5A, dan akan dapat membeda-bedakan sekitar 30W.

Inilah yang terlihat seperti sirkuit saat ini. Sejak muncul di pertanyaan sebelumnya, saya telah mengganti MOSFET dengan perangkat kapasitansi terkecil yang dapat saya temukan (IRF530N -> IRFZ24N), dan pindah ke bandwidth yang cukup lebar, op-amp rate-tegangan tinggi (LM358 -> MC34072) saat menginap di wilayah jelly-bean. Saya saat ini menjalankan gain sekitar 4 pada op amp untuk tujuan stabilitas, yang memberi saya bandwidth di sekitar 1MHz. Latar belakang lebih lanjut di bawah ini untuk siapa saja yang tertarik.

Masalah

Sementara sirkuit berkinerja cukup baik, masalahnya sekarang adalah stabilitasnya, yah, tidak stabil :) Tidak berosilasi atau apa pun seperti itu, tetapi respons langkah dapat berkisar dari overdamped (tidak ada overshoot) hingga cukup underdamped (20%) overshoot, tiga tonjolan), tergantung pada sumber yang sedang dimuat. Sumber tegangan rendah dan resistif bermasalah.

Diagnosis saya adalah bahwa kapasitansi input tambahan dari MOSFET peka terhadap tegangan sumber yang dimuat serta efek Miller yang dihasilkan oleh resistansi sumber apa pun, dan bahwa ini menghasilkan kutub "pengembara" dari pada op amp. berinteraksi dengan bergantung pada sumber dari MOSFET.$R_o$$C_{gate}$

Strategi solusi saya adalah memperkenalkan tahap driver antara op-amp dan MOSFET untuk menghadirkan impedansi keluaran (resistansi) yang jauh lebih rendah ke kapasitansi gerbang, menggerakkan kutub pengembara ke kisaran puluhan atau ratusan MHz di mana ia tidak bisa melakukan salahnya.

Dalam mencari sirkuit driver MOSFET di web, apa yang saya temukan sebagian besar berasumsi seseorang ingin "mengaktifkan" MOSFET sepenuhnya atau mati secepat mungkin. Di sirkuit saya, saya ingin memodulasi MOSFET di wilayah liniernya. Jadi saya tidak menemukan cukup wawasan yang saya butuhkan.

Pertanyaan saya adalah: "Sirkuit driver apa yang cocok untuk memodulasi konduktivitas MOSFET di wilayah liniernya?"

Saya melihat Olin Lathrop menyebutkan dalam posting lain bahwa ia akan menggunakan pengikut emitor sederhana untuk sesuatu seperti ini dari waktu ke waktu, tetapi posting itu tentang sesuatu yang lain sehingga hanya disebutkan. Saya mensimulasikan menambahkan pengikut emitor antara op amp dan gerbang dan itu benar-benar bekerja keajaiban untuk peningkatan stabilitas; tapi musim gugur semua pergi jadi saya pikir itu tidak sesederhana yang saya harapkan.

Saya cenderung berpikir saya perlu sesuatu seperti penguat push-pull BJT komplementer, tetapi berharap ada nuansa yang membedakan driver MOSFET.

Bisakah Anda membuat sketsa parameter kasar dari suatu rangkaian yang dapat melakukan trik dalam hal ini?

Latar belakang lebih lanjut untuk yang berminat

Sirkuit ini awalnya didasarkan pada kit beban elektronik Jameco 2161107, baru-baru ini dihentikan. Milik saya sekarang memiliki sekitar 6 bagian lebih sedikit daripada pelengkap aslinya :). Prototipe saya saat ini terlihat seperti ini untuk mereka yang, seperti saya, tertarik pada hal semacam itu :)

Sumber (umumnya catu daya yang diuji) terhubung ke jack pisang / tiang pengikat di bagian depan. Jumper di sebelah kiri PCB memilih pemrograman internal atau eksternal. Kenop di sebelah kiri adalah pot 10 putaran yang memungkinkan beban konstan antara 0-3A untuk dipilih. BNC di sebelah kanan memungkinkan bentuk gelombang sewenang-wenang untuk mengendalikan beban pada level 1A / V, misalnya, dengan gelombang persegi untuk melangkah beban. Dua resistor biru muda terdiri dari jaringan umpan balik, dan berada di soket mesin untuk memungkinkan keuntungan diubah tanpa menyolder. Unit saat ini ditenagai oleh sel 9V tunggal.

Siapa pun yang ingin melacak jejak pembelajaran saya akan menemukan bantuan luar biasa yang saya terima dari anggota lain di sini:

• Apakah pernah berguna untuk menambahkan kapasitor antara input op amp?
• Menghitung nilai resistor gerbang untuk meningkatkan stabilitas wilayah aktif
• Bagaimana cara menguji stabilitas op amp?
• Mengapa LTSpice tidak memprediksi osilasi op-amp ini?
• Apa yang dapat disimpulkan dari frekuensi sebuah op-amp berosilasi?
• Mengapa langkah yang lebih kecil menunjukkan ketidakstabilan yang lebih baik?
• Bagaimana cara menentukan untuk op amp?$R_o$
• Apakah Schottky ini memberikan perlindungan sementara MOSFET?
• Mengapa 60% overshoot dengan fasa 55 °?
• Bagaimana saya bisa mengukur kapasitansi gerbang?

Saya benar-benar kagum bahwa proyek sederhana seperti ini telah menjadi begitu kaya motivator untuk belajar. Ini memberi saya kesempatan untuk mempelajari cukup banyak topik yang akan menjadi begitu banyak pengering jika dilakukan tanpa tujuan nyata :)

Ini memang masalah yang menarik, karena variasi kapasitansi beban yang efektif dengan resistensi beban karena Tn. Miller, dan kebutuhan Anda untuk tidak mengkompensasinya secara berlebihan.

Saya menduga driver output BJT push-pull yang bias akan bekerja dengan baik - mungkin 4 BJT kecil (2 terhubung sebagai dioda) beberapa bias bias plus mungkin beberapa ohm masing-masing dari degenerasi emitor.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Jika saya melakukan ini, saya akan tergoda untuk melempar penguat yang lebih besar, tetapi masih cukup murah, seperti LM8261 .

Laporan Hasil

Oke, ceritanya adalah: menambahkan buffer diskrit berhasil! Yang mengatakan, saya tidak berpikir saya akan merancang rangkaian saya dengan cara ini, melainkan saya akan pergi dengan rekomendasi @Spehro dan @WhatRoughBeast dan hanya menggunakan op amp dengan kemampuan output arus yang lebih tinggi, pada dasarnya memiliki tahap penyangga dibangun dengan benar ke dalam op amp.

Inilah sirkuit yang saya gunakan. Cukup mirip dengan yang disediakan @Spehro, tetapi sebenarnya persis yang ada di lembar data LH0002 yang direkomendasikan oleh @gills. Pada dasarnya ia menggunakan bagian yang persis sama (nilai resistor bias 5k bukan 1k) hanya beberapa koneksi yang berbeda, dan ... datasheet mengatakan sirkuit memiliki kenaikan saat ini sebesar 40.000 ; Yah, keserakahan saya benar-benar mengambil alih dan saya memutuskan untuk menggunakan versi dua tahap:

Ini disimulasikan dengan baik jadi saya membangunnya di atas 5 x 7 bit veroboard dan memasangnya sebagai papan anak pada prototipe saya:

Dan voila! sangat dekat dengan kenaikan 1μs (1,120μs) dan padat seperti batu tanpa overshoot sepanjang jalan dari sedikit di atas 0V hingga 30V dan langkah saat ini dari 100mA ke 2.5A.

Jatuhnya sedikit lebih lama di 1,42μs:

$Q$$R_o$ op amp membantu dengan solusinya juga.

Jadi ini jelas merupakan pengalaman belajar yang kaya. Saya akhirnya benar-benar mendapatkan kepalaku melilit ampli-tarik BJT dan saya sangat senang dengan kinerja sirkuit sekarang. Saya pikir saya bisa mendapatkan di bawah 1μs dengan men-tweak gain untuk mendapatkan bandwidth yang lebih sedikit, mungkin gain 3 bukannya 4.

Yang mengatakan, saya tidak berpikir menambahkan tahap driver diskrit ke sirkuit "produksi" adalah yang terbaik, jadi saya telah memesan papan evaluasi dan sampel dari LM8261 @Spehro yang direkomendasikan. Ini jelas merupakan op amp yang mengesankan. Saya tidak tahu ada yang namanya op amp yang bisa menggerakkan "kapasitansi tak terbatas". Lembar data menunjukkan sirkuit mengemudi 47nF, yang lebih dari yang pernah saya butuhkan.

Jadi kita akan melihat bagaimana kelanjutannya setelah bagian-bagian tiba :)

Meskipun saya umumnya setuju dengan Spehro, ada beberapa hal yang saya pikir harus Anda perhatikan.

Pertama, Anda HARUS menambahkan beberapa decoupling ke saluran listrik Anda. Baterai 9 volt tidak akan memiliki kinerja yang Anda butuhkan. Coba sekitar 10 uF, tantalum, sedekat mungkin dengan amp. Dari gambar, sepertinya ada elektrolit yang melayani fungsi ini, tetapi Anda tidak menunjukkannya pada skema Anda. Lebih baik lagi, dapatkan suplai 12 volt (lebih disukai linier), dan habiskan baterai sepenuhnya. (Anda masih perlu decoupling, pikiran, tetapi setidaknya Anda tidak perlu khawatir baterai hampir habis.)

Kedua, coba hubungkan ground lingkup Anda ke sisi ground dari resistor daya, bukan ke kabel input. Ini seharusnya tidak membuat perbedaan besar, tapi itu ide yang bagus.

Ketiga, Spehro bersikap terlalu lembut - op amp Anda tidak akan melakukan apa yang Anda inginkan. Pertama, waktu penyelesaiannya terdaftar sebagai 1,1 usec hingga 0,1%, dan itu tanpa tahap eksterior. Kedua, gerbang Anda menyediakan beban 370 pF pada output, dan ini kemungkinan besar merupakan sumber ketidakstabilan. Dengan waktu penyelesaian nominal 400 nsec, khususnya dengan beban tertentu 500 pF, LM8261 adalah pilihan yang jauh lebih baik. Hati-hati, meskipun - bandwidth LM8261 yang lebih luas akan memungkinkan kemungkinan sumber osilasi lain, jadi bersiaplah. Tata letak pcb Anda terlihat cukup kencang sehingga ini seharusnya tidak menjadi masalah, tetapi Anda tidak pernah tahu.

Keempat, jika Anda benar-benar berharap untuk memuat pasokan 50 volt ke 5 amp, Anda harus pasrah untuk membuang 250 watt. 30 watt hanya angan-angan. Ini hampir pasti akan membutuhkan beberapa FET dan heatsink yang jauh lebih besar, mungkin dengan pendingin udara paksa.

Hanya saran ... Saya sedang mencari pengganti LM8261, dalam paket SOT23-5, untuk menggerakkan MOSFET seperti IXTN90N25L (Ciss 23nF) dalam mode linear. Menemukan LM7321 dengan peringkat arus keluaran yang lebih tinggi dan bandwidth yang serupa dengan LM8261. Tentu saja, dengan menghapus batasan SOT23-5, Anda dapat menemukan op amp arus keluaran lebih tinggi lainnya, cukup gunakan pilihan ti.com.

Pengikut Emitter terkenal karena osilasi dengan beban kabel kapasitif. Seri R kecil dapat membuatnya stabil.

Saya akan mulai dengan menempel kapasitor pada resistor umpan balik R10. Kemudian menambahkan pembagi resistor untuk MOSFET, untuk tujuan membiaskan MOSFET ketika dimulai di wilayah linier (triode).

Alasan yang saya miliki untuk ini adalah: sangat banyak opamps berosilasi tanpa kapasitor untuk membatasi bandwidth di loop umpan balik. Saya pribadi menganggap itu wajib lebih sering daripada tidak.

Jika MOSFET dimulai di daerah liniernya, opamp memiliki kemungkinan titik awal yang baik, di mana ia dapat bereaksi lambat terhadap perubahan bukannya tiba-tiba mencapai tegangan treshold. Buat resistansi besar.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}