Переключатель MOSFET с быстрой установкой времени для переключения электронного поля


8

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:

принципиальная схема

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.

зашитая ошибка введите описание изображения здесь

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.

след области 1след области 2

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:

введите описание изображения здесьвведите описание изображения здесь

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:

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесьвведите описание изображения здесь

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


2
Не ясно, что вы имеете в виду под понижение в этом контексте. Я предлагаю опубликовать картинку с четко обозначенной частью «спада». Также, пожалуйста, объясните, почему этот провал делает схему неподходящей. Активный хай-лоу драйв может помочь.
Рассел МакМэхон

Все, что я могу предложить, это то, что ваш подтягивающий резистор очень низкий. Я думал, что сопротивление этой сетки было высоким (намеренно не связано с чем-либо), поэтому гораздо более высокое напряжение, например, 10 кОм, должно достаточно хорошо поддерживать его при высоком напряжении. Как и Рассел, я не знаю, что вы имеете в виду под «свисанием», поскольку обычное определение, кажется, не применимо. Покажите трассировку области и объясните, что именно вам не нравится в этом.
Олин Латроп

Я перефразировал пост, чтобы сосредоточиться на «установлении времени», а не на «падении». Ссылка в разделе «Изображения» содержит трассировку области видимости проблемы. (Примечание. Пока у меня нет репутации 10, я не могу публиковать изображения или более 2 ссылок.) Я попробую подтягивающий резистор 10 кОм и опубликую результаты.
higgy

Ответ на ваш вопрос должен решить проблему с репутацией :) Насколько велика ваша сетка? Я предполагаю, что 8v измеряется от одной сетки к другой. Напряжение должно быть связано с чем-то, в конце концов. Я ищу емкость, которая может выдержать ваше напряжение. Там 1000pf на выходе. Там емкость пластин. Там усиленная (Миллер) емкость FET. Но все это не очень убедительно. Кроме того, в сочетании с индуктивностью выводов может иметь место РЧ-резонанс (звон), но, похоже, он достаточно быстро устанавливается.
gbarry

@gbarry: Для этого обсуждения, ссылка 8V на сетку на землю. Сетка составляет ок. Квадрат 10 см х 10 см, состоящий из очень тонкого медного провода (~ 95% оптической прозрачности), поддерживаемый по бокам стальной рамой и электрически изолированный от камеры. Идентичная сетка параллельна ей и разделена на 1 см; это обосновано. Провод длиной 24 см, соединяющий сетку с «внешним миром» (то есть проход BNC), неэкранирован и может иметь несколько петель.
higgy

Ответы:


2

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.


Нижняя шина питается от HP E3620A (25 В, 1 А, двойной выход). Верхняя шина + 15 В драйвера MOSFET питается от другого выхода этого источника. На стороне слива MOSFET работает MPJA 9312-PS (120 В, 1 А). Единственной вещью, которую я мог найти соответствующей времени / частоте на первый взгляд для источника питания HP, был «переходный режим нагрузки», который, как предполагается, составляет <50 микросекунд. Это звучит медленно. Может ли это быть проблемой?
higgy

1
Да, это по сути то, что я указал. Ваш рельс подпрыгивает. Цепи управления в источниках питания, как правило, имеют более низкие частоты. -> Решение? положите туда крышки для банок, чтобы обеспечить хранение заряда.
заполнитель

Комментарий Гбарри о вождении напрямую хорош, если вы можете запустить его с нижней рейки.
заполнитель

Если выясняется, что проблема не в пульсаторе Agilent (см. Комментарий @ gbarry), и я пытаюсь это сделать, как мне подключить заглушки в цепь? Кепка от V_LO питания на землю? (Если это сложно, не могли бы вы дать ссылку на чертеж?) Кроме того, не могли бы вы предложить значение ограничения (будет ли 0,1 мкФ?), И что вы подразумеваете под "вареньем"?
Высокий

1
Джем может "-> т.е. очень большой, размер колодца ... джем может (не спрашивайте меня, почему этот термин используется, джем больше не продается в банках). Вам действительно повезло, отклик медленный, поэтому даже электролитический (Al) будет работать. Просто подключите его к клеммам + и - блока питания, чтобы проверить и устранить неисправность позже. Обратите внимание на полярность. Ограничение тока при включении или в пусковом токе будет Слишком высоко. Получите 100-й размер uF. Если вы поместите свой зонд на нижнюю направляющую, вы можете проверить эту гипотезу прямо сейчас, однако даже перед подключением в кепке.
заполнитель

1

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.


Как вы и ожидали, все эти предложения будут сложными. Им потребовалось бы открыть камеру, что задержало бы наши эксперименты примерно на месяц (для достижения сверхвысокого вакуума требуется несколько ступеней насоса и выпекание). Я все еще могу проверить вашу теорию, используя мой «макетный» провод + медно-перфорированную плату, чтобы увидеть, можно ли уменьшить горб с помощью более короткого / более толстого провода и т. Д.
хай,

Обновление: Следы в OP были от зондирования медной доски для перфорирования, соединенной с «Точкой B» проводом длиной 24 см, чтобы имитировать провод + сетку. Я просто отключил его и непосредственно исследовал «Точку B». К сожалению, сигнал не изменился; «горб» все еще там и такого же размера.
высокий

1

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 ...


Я взял следы для большинства точек на трассе, но мне придется подождать, пока они не будут опубликованы. Интересно, что «горб» появляется на импульсе затвора, а также на входном триггерном импульсе водителя. Так что, возможно, проблема в моем Agilent 33220A, и он распространяется только по схеме. V_LO, для этого обсуждения, может быть принято за 0V. Смотрите комментарий к @rawbrawb о блоках питания. В конечном счете, мы хотели бы сканировать V_LO от 0-7 В для записи атомных спектров.
higgy

1

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


0

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

перегрузка прицела 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 ...

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.