การออกแบบสเตจไดรเวอร์ * linear * MOSFET

33

ฉันกำลังมองหาวงจรไดรเวอร์ MOSFET ที่สามารถวางระหว่าง op-amp และ MOSFET พลังงานเพื่อใช้งานทรานซิสเตอร์เป็นแอมพลิฟายเออร์เชิงเส้น (ตรงข้ามกับสวิตช์)

พื้นหลัง

ฉันกำลังพัฒนาวงจรโหลดอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องสามารถโหลดได้ประมาณ 1µs ขนาดขั้นตอนที่สำคัญที่สุดมีขนาดเล็กพูดได้ 100mA แม้ว่าเมื่อฉันได้รับสิ่งนี้มาแล้วฉันก็อยากจะได้ความเร็วสัญญาณขนาดใหญ่ที่ 2.5A / µs ด้วย มันควรจะรองรับแหล่งที่มาจาก 1 ถึง 50V กระแสจาก 0 ถึง 5A และจะสามารถสลายตัวประมาณ 30W

นี่คือวงจรที่ดูเหมือนในปัจจุบัน เนื่องจากปรากฏในคำถามก่อนหน้านี้ฉันได้แทนที่ MOSFET ด้วยอุปกรณ์ความจุที่เล็กที่สุดที่ฉันสามารถหาได้ (IRF530N -> IRFZ24N) และย้ายไปใช้แบนด์วิดท์ที่กว้างพอสมควรอัตราการฆ่าสูง op-amp (LM358 -> MC34072) ในดินแดนวุ้น ขณะนี้ฉันกำลังได้กำไรประมาณ 4 ตัวในแอมป์สหกรณ์เพื่อความเสถียรซึ่งให้แบนด์วิดท์ในย่าน 1MHz พื้นหลังเพิ่มเติมด้านล่างสำหรับทุกคนที่สนใจ

ปัญหา

ในขณะที่วงจรทำงานได้ดีพอสมควรปัญหาในขณะนี้คือเสถียรภาพคือดีไม่เสถียร :) มันไม่สั่นหรืออะไรทำนองนั้น แต่การตอบสนองขั้นตอนสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ overamped (ไม่มีการโอเวอร์โหลด) จนถึง underdamped ค่อนข้างมาก (20% แหก, สามกระแทก) ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาที่ถูกโหลด แรงดันไฟฟ้าต่ำและแหล่งตัวต้านทานเป็นปัญหา

การวินิจฉัยของฉันคือความจุอินพุตที่เพิ่มขึ้นของ MOSFET มีความไวต่อแรงดันไฟฟ้าของแหล่งที่โหลดรวมทั้งผลกระทบจากมิลเลอร์ที่เกิดจากความต้านทานแหล่งใด ๆ และสิ่งนี้ทำให้เกิดขั้ว "หลงทาง" จากของแอมป์สหกรณ์ การโต้ตอบกับขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของ MOSFET $R_o$ $C_{gate}$

กลยุทธ์การแก้ปัญหาของฉันคือการแนะนำสเตจไดรเวอร์ระหว่าง op-amp และ MOSFET เพื่อแสดงอิมพิแดนซ์เอาต์พุต (ความต้านทาน) ที่ต่ำกว่ามากให้กับความจุเกตของประตูขับขั้วที่เร่าร้อนเข้ามาในช่วงสิบหรือหลายร้อย MHz ที่ไม่สามารถทำได้ ทำอันตรายใด ๆ

ในการค้นหาวงจรไดรเวอร์ MOSFET บนเว็บสิ่งที่ฉันพบว่าส่วนใหญ่ถือว่าเป็นหนึ่งต้องการ "สลับ" MOSFET เปิดหรือปิดอย่างสมบูรณ์โดยเร็วที่สุด ในวงจรของฉันฉันต้องการที่จะปรับ MOSFET ในภูมิภาคเชิงเส้น ดังนั้นฉันไม่พบความเข้าใจที่ฉันต้องการ

คำถามของฉันคือ: "วงจรขับใดที่อาจเหมาะสมสำหรับการมอดูเลตการนำไฟฟ้าของ MOSFET ในภูมิภาคเชิงเส้น"

ฉันเห็นแลงลาทรอพพูดถึงการผ่านโพสต์อื่นว่าเขาจะใช้ผู้ติดตามอีซีแอลเรียบง่ายสำหรับบางสิ่งบางอย่างเช่นนี้เป็นครั้งคราว แต่โพสต์นั้นเกี่ยวกับเรื่องอื่นดังนั้นจึงเป็นเพียงการกล่าวถึง ฉันจำลองการเพิ่มผู้ติดตาม emitter ระหว่างแอมป์สหกรณ์และเกตและมันใช้งานได้จริงเพื่อความมั่นคงที่เพิ่มขึ้น แต่ฤดูใบไม้ร่วงไปถึงห่าฉันจึงคิดว่ามันไม่ง่ายอย่างที่ฉันหวังไว้

ฉันอยากจะคิดว่าฉันต้องการบางสิ่งอย่างคร่าว ๆ เช่นแอมป์พุชพูลพุช BJT เสริม แต่คาดว่าจะมีความแตกต่างที่แยกความแตกต่างของไดรเวอร์ MOSFET

คุณสามารถร่างพารามิเตอร์คร่าวๆของวงจรที่อาจใช้กลอุบายในกรณีนี้ได้หรือไม่?

พื้นหลังเพิ่มเติมสำหรับผู้ที่สนใจ

วงจรนี้มีพื้นฐานมาจากชุดโหลดอิเล็กทรอนิกส์ของ Jameco 2161107 ซึ่งเพิ่งหยุดผลิตเมื่อไม่นานมานี้ ตอนนี้ฉันมีชิ้นส่วนน้อยกว่าชิ้นส่วนเดิมประมาณ 6 ชิ้น :) ต้นแบบปัจจุบันของฉันมีลักษณะเช่นนี้สำหรับผู้ที่ชอบฉันสนใจสิ่งนั้น :)

แหล่งจ่ายไฟ (โดยทั่วไปแหล่งจ่ายไฟที่อยู่ภายใต้การทดสอบ) จะเชื่อมต่อกับหัวต่อกล้วย / เสายึดที่ด้านหน้า จัมเปอร์ทางด้านซ้ายของ PCB จะเลือกโปรแกรมภายในหรือภายนอก ปุ่มทางด้านซ้ายเป็นหม้อแบบหมุนได้ 10 รอบช่วยให้สามารถเลือกโหลดได้อย่างคงที่ระหว่าง 0-3A BNC ทางด้านขวาอนุญาตให้รูปคลื่นโดยพลการควบคุมโหลดที่ระดับ 1A / V ตัวอย่างเช่นมีคลื่นสี่เหลี่ยมสำหรับการหยุดโหลด ตัวต้านทานแสงสีน้ำเงินสองตัวประกอบด้วยเครือข่ายป้อนกลับและอยู่ในซ็อกเก็ตกลึงเพื่อให้ได้รับการเปลี่ยนแปลงโดยไม่ต้องบัดกรี หน่วยกำลังขับเคลื่อนโดยเซลล์ 9V เดียว

ใครก็ตามที่ต้องการติดตามรอยเท้าเรียนรู้ของฉันจะได้รับความช่วยเหลือที่ยอดเยี่ยมที่ฉันได้รับจากสมาชิกคนอื่น ๆ ที่นี่:

ฉันประหลาดใจอย่างยิ่งว่าโปรเจ็กต์เรียบง่ายเช่นนี้เป็นแรงกระตุ้นให้เรียนรู้มากมาย มันทำให้ฉันมีโอกาสได้ศึกษาหัวข้อต่างๆมากมายที่น่าจะถูกทำให้แห้งมากหากดำเนินการโดยไม่มีวัตถุประสงค์ที่เป็นรูปธรรมอยู่ในมือ :)

— scanny
แหล่งที่มา

1

เพื่อรักษาจุดผ่านศูนย์อุณหภูมิของเส้นโค้งการถ่ายโอนให้คงที่จึงใช้แหล่งจ่ายกระแสคงที่พร้อมอุปกรณ์ bandgap นี่รวมถึงอุปกรณ์ที่มีการแปลงสัญญาณต่ำมากเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการออกแบบ MOSFET ในพื้นที่เชิงเส้น สำคัญมากคือการได้รับฟังก์ชั่นการถ่ายโอน (Vgs vs Id) สำหรับอุปกรณ์นี้โดยเฉพาะที่คุณใช้จากนั้นทำการเปลี่ยนแปลงที่จำเป็นในแนวนอน (Vgs) แกนบนเส้นโค้งที่ได้รับจากผู้ผลิต (ไม่ถูกต้องในกรณีส่วนใหญ่!)

— GR Tech

1

สำหรับบัฟเฟอร์คุณอาจต้องการเรียน LH0002 หรือ LH0033 ( ti.com/lit/an/snoa725a/snoa725a.pdf ) พวกเขาค่อนข้างเร็ว LH0002 นั้นง่ายพอที่จะสร้างขึ้นได้จากสิ่งที่แยกออกมา ฉันสงสัยว่าจะพบไอซีในวันนี้

— gsills

เยี่ยมมากขอบคุณ @gsills! :) ฉันกำลังพิมพ์แผ่นงานนั้นในขณะนี้เพื่อให้การศึกษาอย่างใกล้ชิด :)

— 27432 scanny

14

นี่เป็นปัญหาที่น่าสนใจเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความจุโหลดที่มีประสิทธิภาพพร้อมกับความต้านทานโหลดเนื่องจากมิลเลอร์และคุณไม่ต้องการชดเชยมันมากเกินไป

ฉันสงสัยว่าตัวขับเอาต์พุต BJT แบบพุชแบบดึงลำเอียงจะทำงานได้ดี - อาจจะมี BJT ขนาดเล็ก 4 อัน (เชื่อมต่อเป็นไดโอด 2 ตัว) ตัวต้านทานไบแอสแบบคู่สองตัว

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ถ้าฉันทำสิ่งนี้ฉันจะถูกล่อลวงขว้างเนื้อวัวที่หนักกว่าแต่ก็ยังมีราคาไม่แพงพอสมควรแอมพลิฟายเออร์เช่นLM8261แทน

— Spehro Pefhany
แหล่งที่มา

ขอบคุณมาก Spehro นี่คือสิ่งที่ฉันกำลังมองหา! :) ฉันจะเพิ่มสิ่งนี้ลงในแผนผังเย็นนี้และเรียนรู้สิ่งที่ฉันสามารถทำได้จากการจำลอง จากนั้นฉันคิดว่าฉันจะชักมันขึ้นบนกระดานลูกสาวตัวน้อยและประสานเข้ากับต้นแบบ ฉันมีแผ่นอิเล็กโทรดแบบเปิดในตำแหน่งที่ถูกต้องจากที่ฉันถอดตัวต้านทานเกท ฉันจะกลับมารายงานเกี่ยวกับวิธีการที่จะไป :)

— scanny

2

สิ่งนี้ได้ผล @Spehro! รายงานผลเต็มรูปแบบด้านล่าง ประสบการณ์ที่ดีในการเรียนรู้ แต่จะถูกทดสอบ LM8261 วงจรสุดท้าย :)

— scanny

8

รายงานผล

ตกลงเรื่องสั้นคือการเพิ่มบัฟเฟอร์แบบแยกส่วนทำงาน ที่กล่าวว่าฉันไม่คิดว่าฉันจะออกแบบวงจรของฉันด้วยวิธีนี้ แต่ฉันจะไปตามคำแนะนำของ @Spehro และ @WhatRoughBeast และเพียงแค่ใช้แอมป์สหกรณ์ที่มีความสามารถในการส่งออกในปัจจุบันที่สูงขึ้น เข้าสู่แอมป์สหกรณ์

นี่คือวงจรที่ฉันใช้ สวยคล้ายกับหนึ่ง @Spehro ให้ แต่จริงว่าหนึ่งในแผ่นข้อมูล LH0002 ที่ @gsills แนะนำ โดยทั่วไปจะใช้ตรงส่วนเดียวกัน (อคติต้านทานค่า 5k แทน 1k) เพียงแค่การเชื่อมต่อที่แตกต่างกันน้อยและ ... แผ่นข้อมูลกล่าวว่าวงจรมีกำไรในปัจจุบันของ40,000 ; เอาล่ะความโลภของฉันก็หมดไปและฉันก็ตัดสินใจที่จะออกรุ่นสองขั้นตอน:

มันจำลองได้เป็นอย่างดีดังนั้นฉันจึงสร้างมันขึ้นมาบน veroboard ขนาด 5 x 7 บิตและติดตั้งเป็นบอร์ดลูกสาวบนต้นแบบของฉัน:

และ voila! สาปสวยใกล้กับ 1 rises เพิ่มขึ้น (1.120µs) และแข็งเหมือนก้อนหินที่ไม่มีการแหกเกะตั้งแต่ 0V ขึ้นไปจนถึง 30V และขั้นตอนปัจจุบันจาก 100mA ถึง 2.5A

การล่มสลายนั้นค่อนข้างนานที่ 1.42:

$Q$ $R_o$ ของ op amp ช่วยในการแก้ปัญหาด้วย

ดังนั้นนี่จึงเป็นประสบการณ์การเรียนรู้ที่สมบูรณ์ ในที่สุดฉันก็ต้องได้รับหัวของฉันห่อรอบแอมป์ BJT ผลักและฉันพอใจจริงๆกับการทำงานของวงจรในขณะนี้ ฉันคิดว่าฉันสามารถได้ต่ำกว่า 1µs โดยการปรับแต่งเพื่อให้ได้แบนด์วิดท์เพิ่มขึ้นเล็กน้อยอาจได้รับ 3 จาก 4

ที่กล่าวว่าฉันไม่คิดว่าการเพิ่มไดร์เวอร์แบบแยกในวงจร "การผลิต" เป็นทางออกที่ดีที่สุดดังนั้นฉันจึงสั่งคณะกรรมการประเมินผลและตัวอย่างของ LM8261 @Spehro ที่แนะนำ มันเป็นแอมป์สหกรณ์ที่น่าประทับใจอย่างแน่นอน ฉันไม่รู้ว่ามีสิ่งเช่น op amp ที่สามารถขับ "ความจุไม่ จำกัด " แผ่นข้อมูลแสดงวงจรขับ 47nF ซึ่งมากกว่าที่ฉันต้องการ

ดังนั้นเราจะมาดูกันว่าเมื่อชิ้นส่วนมาถึง :)

— scanny
แหล่งที่มา

4

แม้ว่าโดยทั่วไปฉันจะเห็นด้วยกับ Spehro มีบางสิ่งที่ฉันคิดว่าคุณควรใส่ใจ

ก่อนอื่นคุณต้องเพิ่ม decoupling ลงในสายไฟ แบตเตอรี่ขนาด 9 โวลต์จะไม่ได้ประสิทธิภาพตามที่คุณต้องการ ลองประมาณ 10 ยูเอฟแทนทาลัมใกล้กับแอมป์เท่าที่คุณจะได้รับ จากภาพดูเหมือนว่าอาจมีอิเล็กโทรไลต์ที่ให้บริการฟังก์ชั่นนี้ แต่คุณไม่ได้แสดงในแผนผังของคุณ ยิ่งไปกว่านั้นรับแหล่งจ่ายไฟ 12 โวลต์ (เป็นเส้นตรง) และให้แบตเตอรี่หมด (คุณจะต้อง decoupling ใจ แต่อย่างน้อยคุณไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับแบตเตอรี่ใกล้หมด)

ประการที่สองลองเชื่อมต่อกราวด์ขอบเขตของคุณกับด้านที่มีการต่อกราวด์ของตัวต้านทานพลังงานแทนที่จะเป็นสายอินพุต สิ่งนี้ไม่ควรสร้างความแตกต่างใหญ่ แต่เป็นความคิดที่ดี

ประการที่สาม Spehro นั้นสุภาพเกินไป - แอมป์สหกรณ์ของคุณจะไม่ทำสิ่งที่คุณต้องการ ครั้งแรกเวลาตั้งรกรากอยู่ในรายการเป็น 1.1 usec ถึง 0.1% และนั่นคือไม่มีขั้นตอนภายนอก ประการที่สองเกตของคุณให้โหลด 370 pF กับเอาต์พุตและนี่น่าจะเป็นแหล่งที่มาของความไม่เสถียร ด้วยเวลาตกตะกอนเล็กน้อย 400 nsec โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโหลดที่ระบุไว้ที่ 500 pF LM8261 จึงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่ามาก อย่างไรก็ตามข้อควรระวัง - แบนด์วิดธ์ที่กว้างขึ้นของ LM8261 จะช่วยให้สามารถเกิดการแกว่งของแหล่งอื่นได้ดังนั้นจึงควรเตรียมพร้อม เลย์เอาต์ของ pcb ของคุณดูแน่นพอที่จะไม่เป็นปัญหา แต่คุณไม่มีทางรู้

ประการที่สี่ถ้าคุณหวังว่าจะโหลดเสบียง 50 โวลต์ถึง 5 แอมป์คุณต้องลาออกตัวเองเพื่อกระจาย 250 วัตต์ 30 วัตต์เป็นเพียงความคิดที่ปรารถนา สิ่งนี้จะต้องใช้ FET หลายครั้งและฮีทซิงค์ที่มีขนาดใหญ่กว่ามากอาจมีการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ

— WhatRoughBeast
แหล่งที่มา

เกี่ยวกับประสิทธิภาพของแบตเตอรี่คุณกำลังบอกว่าคุณคิดว่าความต้านทานภายใน (ประมาณ1.7Ωที่ฉันเพิ่งค้นพบ) นั้นเพียงพอที่จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในขณะที่โหลดกำลังทำงานหรือไม่ วงจรนี้มีอิเล็กโทรไลต์ 100µF และเซรามิก 100nF ควบคู่กับแบตเตอรี่ ขออภัยไม่คิดที่จะรวมไว้ในแผนผัง บนพื้นโพรบฉันมักจะใช้พื้นที่ของตัวต้านทานมันแค่แผลเป็นเล็กน้อยดังนั้นฉันคิดว่าฉันว่างไว้สักครู่ :) ฉันรับเสียงอีกเล็กน้อย แต่รูปคลื่นไม่ได้เปลี่ยนอย่างเห็นได้ชัด ฉันจะได้รับบางสิ่งบางอย่างที่แม่นยำมากขึ้นสำหรับการสร้างในภายหลัง

— scanny

เกี่ยวกับการกระจายพลังงานใช่แน่นอนฉันไม่ได้ตั้งใจจะบอกว่ามันสามารถทำ 50V และ 5A ในเวลาเดียวกัน :) ในบางครั้งฉันอาจให้ความคิดกับวงจรป้องกันสำหรับสิ่งนั้น ในขณะเดียวกันผมก็ให้มือข้างหนึ่งในฮีทซิงค์ในขณะที่ฉันใช้มัน :)

— scanny

@scanny ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ไม่จำเป็นต้องมีค่าคงที่ตลอดสเปกตรัมและจะเพิ่มขึ้นเมื่อแบตเตอรี่หมด คุณสามารถอ่านเรื่องราวเกี่ยวกับมันได้ที่: ganssle.com/articles/Exofoolishness.htm

— Eugene Ryabtsev

1

@ WhatRoughBeast ฉันคิดว่าการกระจายอำนาจใน MOSFET ขึ้นอยู่กับแรงดันตกคร่อม MOSFET และกระแสปัจจุบัน: Pdiss = VDS × IDS นั่นคือเหตุผลหลักที่มอสเฟตกระจายตัวมากขึ้นในภูมิภาคเชิงเส้น แผนภาพ SOA เป็นสิ่งสำคัญมากในกรณีนี้เพื่อลดเงื่อนไขที่ไม่เสถียร

— GR Tech

1

เพียงข้อเสนอแนะ ... ฉันกำลังมองหาการแทนที่ LM8261 ในแพ็คเกจ SOT23-5 เพื่อขับ MOSFETS เช่น IXTN90N25L (23nF Ciss) ในโหมดเชิงเส้น พบ LM7321 ที่มีอัตรากระแสเอาท์พุทที่สูงขึ้นและแบนด์วิดท์ที่ใกล้เคียงกับ LM8261 แน่นอนว่าการลบข้อ จำกัด SOT23-5 คุณอาจพบแอมป์ปัจจุบันที่มีเอาต์พุตสูงกว่าเพียงแค่ใช้การเลือก ti.com

— user86646
แหล่งที่มา

1

ผู้ติดตามอีซีแอลมีชื่อเสียงในเรื่องความผันผวนด้วยโหลดสายเคเบิลแบบ capacitive ซีรี่ส์ R ขนาดเล็กสามารถทำให้เสถียรได้

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
แหล่งที่มา

0

ฉันจะเริ่มต้นด้วยการติดตัวเก็บประจุเหนือตัวต้านทานข้อเสนอแนะ R10 จากนั้นเพิ่มตัวแบ่งความต้านทานสำหรับ mosfet เพื่อจุดประสงค์ในการไบอัส mosfet เมื่อเริ่มต้นในพื้นที่เชิงเส้น (triode)

เหตุผลที่ฉันมีคือ: opamps จำนวนมากสั่นโดยไม่มีตัวเก็บประจุสำหรับการ จำกัด แบนด์วิดท์ในลูปข้อเสนอแนะ โดยส่วนตัวฉันคิดว่ามันเป็นข้อบังคับมากกว่าบ่อยครั้ง

หาก mosfet เริ่มต้นในภูมิภาคเชิงเส้น opamp มีความเป็นไปได้ของจุดเริ่มต้นที่ดีซึ่งมันสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆแทนที่จะไปถึงแรงดันไฟฟ้า treshold เพียงแค่ทำให้แนวต้านมีขนาดใหญ่

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

— user55924
แหล่งที่มา

ฉันเริ่มต้นด้วยรูปแบบการชดเชย "ในวง" ที่คุณแนะนำ น่าเสียดายที่มันฆ่าแบนด์วิดท์เมื่อกำหนดค่าเพื่อรองรับความจุประตูเกตที่แย่ที่สุด นอกจากนี้ยังทำให้วงจรความคิดเห็นลำดับที่สามซึ่งอาจทำให้การตอบสนองขั้นตอนช้าลง เวลาที่เพิ่มขึ้น 20 ปีเป็นสิ่งที่ดีที่สุดที่ฉันสามารถทำได้กับโครงการนี้ แนวคิดของผู้ขับขี่คือการแยก op-amp ออกจาก MOSFET ได้อย่างมีประสิทธิภาพดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีการชดเชยและแบนด์วิดธ์สูงสุดที่สามารถใช้ได้ บนตัวแบ่งแรงต้านทานทานฉันไม่แน่ใจว่าฉันเห็นข้อดีของการให้ op-amp ทำงานได้มากขึ้น

— scanny

"ตัวกรองความถี่ต่ำในลูปข้อเสนอแนะ" ดูเหมือนตัวกรองผ่านสูง

— ปีเตอร์มอร์เทนเซ่น

@scanny ok คุณลองใช้ตัวต้านทานแบบอนุกรมระหว่าง opamp และ gate หรือไม่? (ประมาณ 50 โอห์ม) และเพิ่มลูปข้อเสนอแนะที่สอง? (ดู AN-968 จาก ADI)

— user55924

1

R_{o}

$R_o$

R_{o} + C_{i s s}

$R_o + C_{iss}$