Переключатель MOSFET с быстрой установкой времени для переключения электронного поля

Применение: у меня есть медная сетка (квадрат 10 см х 10 см) в вакуумной камере, соединенной с разъемом BNC медным проводом длиной 24 см. Целью является переключение напряжения сетки (относительно земли) с 8 до V ~ 0 В быстро. (Это переключит электрическое поле в камере, которое является механизмом управления для наших экспериментов по атомной физике.) Важно, чтобы примерно через 500 нс после начала переключения сигнал установился на уровне <10 мВ (~ <0,1%). Сетка плавающая; это не заканчивается в камере.

Проблема: в нижней части моего перевернутого квадратного импульса есть «горб». Мне нужно сгладить это.

Схема: Я остановился на простой схеме переключения MOSFET:

Описание: MOSFET ( ZVN2110A-ND , режим улучшения N-канала ) управляется драйвером IRS2117PBF-ND , который выдает положительный импульс 15 В. Базовая линия этого триггерного импульса плавает на V_S, который связан с V_LO небольшим резистором. Сетка подключена к точке B. Выходной фильтр нижних частот был попыткой решения проблемы. Все значения резисторов были определены экспериментально (то есть изначально с помощью потенциометров). Результат был запрограммирован с использованием стиля «жучок» на медной доске.

Детали зонда: чтобы смоделировать сетку, я припаял провод длиной 24 см к куску медной доски для перфорирования и подключил его к выходу схемы (точка B). Я исследовал сигнал на плате управления с помощью датчика Tektronix ( 500 МГц, 8,0 пФ, 10 МОм, 10x ) в область действия Tektronix ( цифровая область действия TDS3012 100 МГц ).

Наблюдения: он переключается достаточно быстро (хотя я мог бы ускорить его, удалив фильтр), амплитуда и длительность звонка терпимы, но на ( существенной ) микросекундной шкале времени есть большой «горб» и спад / провисание 20 мВ (отмечено на изображении красной линией). Это недопустимо большое значение и делает невозможным проведение наших экспериментов, которые происходят с момента переключения до примерно 10 микросекунд после переключения.

Детали применения: мы используем электрические поля для настройки атомных резонансов в наших экспериментах. Сканирование электрического поля, приложенного к атомам, позволяет нам записать «спектр» этих резонансов, показывая их местоположение и форму. Ширина и расстояние между этими резонансами составляют порядка 1-10 мВ / см (очень мало!). Чтобы применить электрическое поле, мы помещаем атомы между двумя плоскими медными кусочками сетки, разделенными на 1 см. Электронное поле между кусками медной сетки - это просто разность потенциалов между ячейками сетки (разница 1 В равна 1 В / см электронного поля, преобразование 1 в 1). При сборе спектра мы выбираем значение E-поля, переключаясь на соответствующее напряжение и ожидая несколько микросекунд перед обнаружением. Если напряжение (и, следовательно, E-поле) дрейфует в течение периода дискретизации больше, чем размер резонансов (<10 мВ), разрешение ухудшается до такой степени, что наша картина спектра становится размытой до неузнаваемости.

Дополнительные мысли: я рассмотрел возможность того, что МОП-транзистор нагревается, тем самым изменяя его сопротивление (обычно ~ 4 Ом). Чтобы проверить это, я попробовал две вещи: (1) параллельное размещение двух полевых МОП-транзисторов и (2) замену ZVN2110A полевым МОП-транзистором IRF1010EZ, который имеет намного более низкое сопротивление (100 мОм). Ничто не помогло, «горб» все еще 20 мВ и длится несколько микросекунд. Мне кажется, что увеличение подтягивающего резистора (как предложено в комментариях) также может помочь, поэтому я попробую это.

Обновление 1: я попытался увеличить нагрузочный резистор с 470 Ом до 10 кОм. Там не было никакого влияния на вывод; у него все еще есть «горб» 20 мВ после первоначального звонка.

Обновление 2: Отсоединение «макетного» провода + сетки от цепи и непосредственное измерение точки B не влияют на измеряемый сигнал.

Обновление 3: Ниже приведены следы для соответствующих точек на схеме выше:

Похоже, что на импульсе затвора появляется «горб». Точка "D" прямо возле FET не выглядит иначе, чем зондирование сетки.

Обновление 4: я (1) увеличил подтягивающий резистор до 1 кОм, (2) удалил фильтрующий резистор 1000 пФ, (3) отключил сетку, (4) добавил два электролитических конденсатора емкостью 470 мкФ в виде джема, и к рельсам, и (5) заменил генератор импульсов на более быстрый (Agilent 33250A). Новая схема и следы:

Даже при более быстром триггерном импульсе для драйвера FET проблема остается. Колпачки «варенья», кажется, отфильтровывают некоторые высокочастотные колебания, но «горб» остается.

Если вы посмотрите на характерную частоту горба, то она составляет порядка 100 кГц. единственной вещью в той цепи, которая имеет доминирующий полюс в этом диапазоне, будут источники питания. Посмотрите на нижнюю направляющую и посмотрите, соответствует ли она горбу.

Могу поспорить, что горб, как вы это называете, вызван емкостью сетки и индуктивностью / импедансом кабеля 24 см. Вот несколько вещей, которые можно попробовать:

1. Уменьшите длину кабеля 24 см. Это уменьшит индуктивность / полное сопротивление кабеля и позволит быстрее разряжать сетку.

2. Сделайте кабель толщиной 24 см. Та же концепция, что и # 1.

3. Переместите МОП-транзистор прямо рядом с решеткой внутри камеры. Та же концепция, что и № 1, но доведена до крайности.

4. Любой провод, который проводит ток разряда сетки, должен быть как можно более коротким и толстым. Это включает в себя любые провода заземления.

Некоторые из них, возможно, большинство, будут непрактичными во время «научных операций», но в любом случае их стоит сделать, чтобы помочь сузить источник этого горба.

Может быть полезно знать, что напряжение делало (a) на сетке, (b) на резисторе, подключенном к точке «b», (c) прямо на стоке полевого транзистора и, наконец, (d) на ворота FET. Это может быть индуктивность / емкость в проводке, но это может быть то, что FET делает что-то другое, чем мы ожидаем.

Интересно, вы могли бы управлять сетью напрямую от IRS2117, так как ни ваше напряжение, ни ваш ток не являются экстремальными. Драйвер затвора предназначен для управления емкостной нагрузкой затвора полевого транзистора, и это, похоже, характер исходной проблемы.

Наконец, если вам нужно пойти на крайние меры, может потребоваться какая-то схема контура управления, когда у вас есть отрицательный источник питания и вы фактически управляете выходным сигналом отрицательным, пока он не достигнет нуля (это вытягивает ток из сеток) ... тогда вы приносите Линия обратной связи поступает от выхода для управления этой схемой управления, так что она применяет именно тот привод, который нужен для этого.

Редактировать : я только что заметил V LO. Что это за напряжение? Я думаю, что большая часть моего ответа просто ушла ...

Во-первых, я предполагаю, что вы измеряете интересующий вас сигнал в точке B в вашей цепи.

Во-вторых, я предполагаю, что вы вычислили постоянную времени RC, с которой должна работать ваша схема - мои оценки (для коротких прямых выводов вне вакуумной системы): C ~ 100 пФ, R ~ 600 Ом, следовательно, t ~ 0,1 мкс. Для достижения 0,1% сигнала требуется ~ 7 постоянных времени или ~ 0,7 мкс.

Проблема со схемой, как дано, состоит в том, что выходная мощность MOSFET составляет 25 пФ, входная емкость составляет 75 пФ, а мощность передачи составляет 8 пФ. Кроме того, заряд ворот, который должен быть удален, составляет 1n Coloumb.

Как вы заметили, выход генератора сигналов через драйвер передается на вход, а затем на выход MOSFET. Кроме того, большинство импульсных генераторов не достигают истинного нуля в своих номинальных временах падения - время обычно задается как время от 90% до 10%.

Лучшее решение - использовать шлюз CD4010UB для замены как драйвера, так и MOSFET - подключить генератор сигналов к входу затвора и выходу затвора к резистору 600 Ом, подключенному к точке B. К сожалению, для '10 он, вероятно, больше не доступен - Я не мог найти один с поиском.

Вторым лучшим вариантом будет шестнадцатеричный инвертор CD4009UB (можно приобрести в Digikey по номеру 292-2030-J-ND $ 0,55).

«Хитрость» заключается в том, что деталь имеет отдельные разъемы питания для входной и выходной секций затворов. Входное соединение (Vdd) должно быть установлено на самое высокое напряжение, которое вам потребуется на выходе, а выходное соединение (Vcc) должно быть от 0 до Vdd.

Несмотря на данные, я использовал эту конфигурацию с Vcc от -0,3 В до Vdd без проблем.

Вам нужно будет отрегулировать резистор 600 Ом, чтобы компенсировать внутреннее сопротивление затвора - ~ 200 Ом - или вы могли бы распараллелить все шесть входов затвора и их выходы. Если вы не проводите параллель с другими пятью шлюзами, вы должны подключить их входы к Vdd - не позволяйте им плавать

Существует высокая вероятность того, что вы измеряете восстановление перегрузки вашей области. Рассмотрите скриншот области ниже:

Напряжение, измеренное синей кривой , не существует . Как вы можете видеть, в левой части дисплея трасса вышла за пределы экрана и обрезала высокоскоростной операционный усилитель внутри аналогового внешнего интерфейса. Это вызывает всевозможные неприятности, такие как дифференциальный нагрев на входной ступени, смещение точек смещения и т. Д. В результате операционному усилителю требуется несколько десятков миллисекунд для установки ... удивительно для чипа с полосой пропускания в сотни МГц, не так ли? не так ли?

Прочитайте бонусные материалы (розовый фон) в этом документе Джима Уильямса:

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

Я не говорю, что это виновник, но вполне вероятно. Когда трасса обрезается, даже на мкс, область не должна быть доверенной. Любая линейная цепь, которая обрезает или приближается к ограничению, даже в течение очень короткого времени (например, 1 нс), не может быть доверена для точности или установления, пока мы не будем абсолютно уверены, что все остыло, каждый сохраненный заряд в каждом интегрирующем конденсаторе вернулся к номинальному ценность и т.д ...

Это включает операционный усилитель, который входит в ограничение скорости нарастания, кстати. Время восстановления - это время установления, указанное в техническом описании, и оно намного больше после поворота, чем после обработки импульса с ограничением поворота той же амплитуды. Пожалуйста, обратите внимание, что в спецификации указано время установления, как правило, подразумевается, что операционный усилитель НЕ обрезал!

Чтобы измерить ваше время установления, вам понадобятся специальные меры, скорее всего, аналоговый переключатель, который позволяет измерять напряжение только через несколько десятков наносекунд ПОСЛЕ ТОГО, как оно находится в пределах диапазона ...

Вы также можете использовать хороший прецизионный операционный усилитель (указанный для быстрого и точного времени установления, намного быстрее, чем то, что вы пытаетесь измерить) и ограничивающие диоды в сети обратной связи. Замедляйте переключение MOSFET до тех пор, пока спайки не расстроят операционный усилитель.

По той же причине плоскость выходного импульса вашего генератора импульсов не может быть измерена с помощью прицела.

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

Радоваться, веселиться! Когда нужно внести заметки из приложения Джима Уильямса, вы знаете, что у вас проблемы! Это очень деликатные вопросы ...