Проектирование * линейного * MOSFET-драйвера

Я ищу схему драйвера MOSFET, которая может быть размещена между операционным усилителем и мощным MOSFET для работы транзистора в качестве линейного усилителя (в отличие от переключателя).

Задний план

Я разрабатываю электронную схему нагрузки, которая должна быть способна увеличить нагрузку примерно за 1 мкс. Самый важный размер шага - маленький, скажем, 100 мА, хотя, как только я получу это, я бы, вероятно, хотел бы также достичь большой скорости шага сигнала 2,5 А / мкс. Он должен вместить источники от 1 до 50 В, токи от 0 до 5 А и сможет рассеивать около 30 Вт.

Вот как выглядит схема в настоящее время. С момента появления в предыдущих вопросах я заменил MOSFET на устройство с наименьшей емкостью, которое я смог найти (IRF530N -> IRFZ24N), и перешел на достаточно широкополосный операционный усилитель с высокой скоростью нарастания (LM358 -> MC34072), оставаясь на территории желейных бобов. В настоящее время я использую усиление около 4 для операционного усилителя в целях стабильности, что дает мне полосу пропускания в районе 1 МГц. Дальнейшая информация ниже для всех, кто заинтересован.

Проблема

В то время как схема работает достаточно хорошо, проблема в том, что стабильность, ну, в общем, не стабильна :) Она не колеблется или что-то в этом роде, но реакция шага может варьироваться от перегруженной (без перерегулирования) до весьма недостаточной (20%). перерегулирование, три удара), в зависимости от загружаемого источника. Низкое напряжение и резистивные источники проблематичны.

Мой диагноз состоит в том, что возрастающая входная емкость МОП-транзистора чувствительна как к напряжению загружаемого источника, так и к эффекту Миллера, возникающему при любом сопротивлении источника, и что в результате получается «блуждающий» полюс от операционного усилителя. взаимодействуя с зависимым от источника MOSFET.$R_o$$C_{gate}$

Моя стратегия решения состоит в том, чтобы ввести управляющий каскад между операционным усилителем и MOSFET, чтобы обеспечить намного более низкое выходное сопротивление (сопротивление) для емкости затвора, выводя блуждающий полюс в диапазон десятков или сотен МГц, где он не может причинить вред

При поиске схем драйвера MOSFET в Интернете, я нахожу, что в основном предполагается, что нужно «полностью» включить или выключить MOSFET как можно быстрее. В моей схеме я хочу модулировать МОП-транзистор в его линейной области. Так что я не нахожу достаточно понимания, в котором я нуждаюсь.

Мой вопрос: «Какая схема драйвера может быть подходящей для модуляции проводимости MOSFET в его линейной области?»

Я видел, как в другом посте мимоходом упоминается Олин Латроп, что он время от времени будет использовать простой последователь эмиттера для чего-то подобного, но пост был о чем-то другом, так что это было просто упоминание. Я симулировал добавление повторителя эмиттера между операционным усилителем и затвором, и это на самом деле творило чудеса для стабильности роста; но падение обернулось всем, так что я полагаю, что это не так просто, как я мог надеяться.

Я склонен думать, что мне нужно что-то вроде дополнительного двухтактного усилителя BJT, но ожидаю, что есть нюансы, которые отличают драйвер MOSFET.

Можете ли вы набросать грубые параметры схемы, которые могут помочь в этом случае?

Дальнейший фон для заинтересованных

Первоначально схема была основана на электронном загрузочном комплекте Jameco 2161107, который недавно был снят с производства. У меня сейчас на 6 деталей меньше, чем в оригинальном дополнении :). Мой текущий прототип выглядит так для тех, кто, как и я, заинтересован в подобных вещах :)

Источник (как правило, проверяемый источник питания) подключается к разъемам типа Banana Jack / клеммам спереди. Перемычка слева от печатной платы выбирает внутреннее или внешнее программирование. Ручка слева представляет собой горшок с 10 поворотами, позволяющий выбирать постоянную нагрузку в диапазоне 0-3А. BNC справа позволяет произвольной форме волны управлять нагрузкой на уровне 1A / V, например, прямоугольной волной для ступенчатой ​​нагрузки. Два светло-голубых резистора составляют сеть обратной связи и находятся в обработанных гнездах, что позволяет изменять усиление без пайки. Устройство в настоящее время питается от одной ячейки 9В.

Любой, кто захочет отследить мои учебные шаги, найдет здесь отличную помощь, которую я получил от других участников:

• Полезно ли добавлять конденсатор между входами операционного усилителя?
• Расчет значения резистора затвора для повышения стабильности активной области
• Как проверить стабильность операционного усилителя?
• Почему LTSpice не может предсказать это колебание операционного усилителя?
• Что можно вывести из частоты, на которой колеблется ОУ?
• Почему меньший шаг лучше показывает нестабильность?
• Как определить для операционного усилителя?$R_o$
• Обеспечивает ли этот Schottky защиту от переходных процессов MOSFET?
• Почему превышение 60% с запасом по фазе 55 °?
• Как я могу измерить емкость затвора?

Я полностью поражен тем, что такой простой проект был таким богатым стимулом для обучения. Это дало мне возможность изучить целый ряд тем, которые были бы настолько сухими, если бы не предпринимались без конкретной цели :)

Это действительно интересная проблема из-за изменения эффективной емкости нагрузки в зависимости от сопротивления нагрузки, вызванного мистером Миллером, и вашей необходимости не компенсировать это.

Я подозреваю, что смещенный двухтактный выходной драйвер BJT будет работать нормально - возможно, 4 маленьких BJT (2 подключены в виде диодов), пара резисторов смещения плюс, возможно, пара Ом каждого из вырожденных излучателей.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Если бы я делал это, я бы соблазнил бросить более мощный, но все же довольно недорогой усилитель, такой как LM8261 .

Отчет о результатах

Хорошо, короткий рассказ: добавление отдельного буфера сработало! Тем не менее, я не думаю, что я спроектирую свою схему таким образом, скорее я пойду с рекомендацией @Spehro и @WhatRoughBeast и просто использую операционный усилитель с более высокой способностью вывода тока, в основном с правильно построенным буферным каскадом в операционный усилитель.

Вот схема, которую я использовал. Очень похоже на предоставленный @Spehro, но на самом деле точно тот, который в таблице данных LH0002 рекомендовал @gsills. В основном он использовал одни и те же части (значение резистора смещения 5 кОм вместо 1 кОм), только несколько разных соединений, и ... в техническом описании сказано, что схема имеет усиление по току 40000 ; Что ж, моя жадность полностью перешла во владение, и я решил перейти на двухэтапную версию:

Он хорошо имитировался, поэтому я собрал его на 5 x 7 бит вероборда и установил в качестве дочерней платы на моем прототипе:

И вуаля! довольно чертовски близко к 1 мкс (1,120 мкс) и твердо, как скала, без перерегулирования на всем протяжении от чуть выше 0 В до 30 В и скачков тока от 100 мА до 2,5 А.

Падение немного дольше при 1,42 мкс:

$Q$$R_o$ из операционного усилителя тоже помогает с решением.

Так что это был определенно богатый опыт обучения. Мне наконец-то удалось по-настоящему обернуться вокруг двухтактных усилителей BJT, и я действительно доволен производительностью микросхемы. Я думаю, что могу подняться ниже 1 мкс, настроив усиление, чтобы получить чуть большую пропускную способность, возможно, усиление 3 вместо 4.

Тем не менее, я не думаю, что добавление ступени дискретного драйвера в схему «производства» является лучшим выбором, поэтому я заказал оценочную плату и рекомендовал образцы LM8261 @Spehro. Это определенно впечатляющий операционный усилитель. Я не знал, что существует такая вещь, как операционный усилитель, который может управлять "неограниченной емкостью". Таблица данных показывает схему, управляющую 47 нФ, что больше, чем я когда-либо буду нуждаться.

Итак, посмотрим, как все пойдет, когда появятся запчасти :)

Хотя я в целом согласен со Spehro, есть несколько вещей, на которые стоит обратить внимание.

Во-первых, вы ДОЛЖНЫ добавить некоторую развязку в линию электропередачи. Батарея на 9 вольт не даст нужной вам производительности. Попробуйте около 10 мкФ тантала как можно ближе к усилителю. На рисунке это выглядит так, как будто электролитический электролизер выполняет эту функцию, но вы не показываете это на своей схеме. Более того, возьмите 12-вольтное (предпочтительно линейное) питание и полностью отказывайтесь от батарей. (Вам все равно понадобится разъединение, но, по крайней мере, вам не нужно беспокоиться о разрядке батареи.)

Во-вторых, попробуйте подключить заземление прицела к заземленной стороне силовых резисторов, а не к входному проводу. Это не должно иметь большого значения, но в любом случае это хорошая идея.

В-третьих, Spehro слишком мягок - ваш операционный усилитель не будет делать то, что вы хотите. Во-первых, его время установления указано как 1.1% к 0.1%, и это без каких-либо внешних стадий. Во-вторых, ваш шлюз обеспечивает нагрузку 370 пФ на выходе, и это, скорее всего, является источником нестабильности. С номинальным временем стабилизации 400 нс, особенно при указанной нагрузке 500 пФ, LM8261 является гораздо лучшим выбором. Однако, предостережение - более широкая полоса пропускания LM8261 позволит использовать другой источник колебаний, так что будьте готовы. Макет вашей печатной платы выглядит достаточно плотным, чтобы это не было проблемой, но вы никогда не знаете.

В-четвертых, если вы действительно рассчитываете подать питание 50 В на 5 А, вы должны смириться с потерей 250 Вт. 30 Вт это просто желаемое за действительное. Это почти наверняка потребует нескольких полевых транзисторов и гораздо большего радиатора, вероятно, с принудительным воздушным охлаждением.

Просто предложение ... Я искал замену LM8261 в корпусе SOT23-5 для управления МОП-транзисторами, такими как IXTN90N25L (23nF Ciss) в линейном режиме. Найден LM7321 с еще более высоким номинальным выходным током и полосой пропускания, аналогичной LM8261. Конечно, сняв ограничение SOT23-5, вы можете найти другие операционные усилители с более высоким выходным током, просто используйте выбор ti.com.

Последователи излучателей известны своими колебаниями при емкостных кабельных нагрузках. Небольшая серия R может сделать его стабильным.

Я бы начал с наложения конденсатора на резистор обратной связи R10. Затем добавляем резисторный делитель для mosfet, чтобы сместить mosfet, когда он начинает работать в своей линейной (триодной) области.

Я имею в виду следующее: очень много операционных усилителей колеблются без конденсатора для ограничения полосы пропускания в контуре обратной связи. Я лично считаю это обязательным чаще, чем нет.

Если mosfet запускается в своей линейной области, операционный усилитель имеет хорошую отправную точку, где он может медленно реагировать на изменения, а не внезапно достигать порогового напряжения. Просто сделайте сопротивление большим.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}