Thiết kế một giai đoạn trình điều khiển * tuyến tính * MOSFET

33

Tôi đang tìm kiếm một mạch trình điều khiển MOSFET có thể được đặt giữa op-amp và MOSFET công suất để vận hành bóng bán dẫn như một bộ khuếch đại tuyến tính (trái ngược với công tắc).

Lý lịch

Tôi đang phát triển một mạch tải điện tử phải có khả năng tăng tải trong khoảng 1 sóng. Kích thước bước quan trọng nhất là nhỏ, giả sử 100mA, mặc dù một khi tôi đã làm được điều đó, có lẽ tôi cũng muốn đạt được tốc độ bước tín hiệu lớn là 2,5A / Nhận. Nó nên chứa các nguồn từ 1 đến 50V, dòng điện từ 0 đến 5A và sẽ có thể tiêu tan khoảng 30W.

Đây là những gì các mạch trông như hiện tại. Kể từ khi xuất hiện trong các câu hỏi trước đó, tôi đã thay thế MOSFET bằng thiết bị điện dung nhỏ nhất mà tôi có thể tìm thấy (IRF530N -> IRFZ24N), và chuyển sang băng thông rộng, op-amp tốc độ xoay cao (LM353 -> MC34072) trong lãnh thổ thạch-đậu. Tôi hiện đang chạy mức tăng khoảng 4 trên op amp cho mục đích ổn định, điều này mang lại cho tôi băng thông trong vùng lân cận 1 MHz. Thêm nền dưới đây cho bất cứ ai quan tâm.

Vấn đề

Mặc dù mạch hoạt động khá tốt, nhưng vấn đề bây giờ là độ ổn định là tốt, không ổn định :) Nó không dao động hoặc bất cứ thứ gì tương tự, nhưng phản ứng bước có thể từ quá tải (không quá mức) đến khá kém (20% vượt quá, ba lần va chạm), tùy thuộc vào nguồn được tải. Điện áp thấp hơn và nguồn điện trở là vấn đề.

Chẩn đoán của tôi là điện dung đầu vào tăng dần của MOSFET nhạy với cả điện áp của nguồn được tải cũng như hiệu ứng Miller được tạo ra bởi bất kỳ điện trở nguồn nào và điều này tạo ra hiệu ứng cực "lang thang" từ của op amp tương tác với phụ thuộc nguồn của MOSFET. $R_o$ $C_{gate}$

Chiến lược giải pháp của tôi là giới thiệu một giai đoạn trình điều khiển giữa op-amp và MOSFET để thể hiện trở kháng đầu ra (điện trở) thấp hơn nhiều cho điện dung cổng, đưa cực lang thang lên dải tần hàng chục hoặc hàng trăm MHz trong trường hợp không thể làm hại gì.

Khi tìm kiếm các mạch trình điều khiển MOSFET trên web, những gì tôi thấy hầu hết đều cho rằng người ta muốn "bật" hoàn toàn hoặc tắt MOSFET nhanh nhất có thể. Trong mạch của tôi, tôi muốn điều chỉnh MOSFET trong vùng tuyến tính của nó. Vì vậy, tôi không tìm thấy cái nhìn sâu sắc mà tôi cần.

Câu hỏi của tôi là: "Mạch điều khiển nào có thể phù hợp để điều chỉnh độ dẫn của MOSFET trong vùng tuyến tính của nó?"

Tôi đã thấy Olin Lathrop được đề cập khi chuyển qua một bài đăng khác rằng anh ta sẽ sử dụng một người theo dõi phát đơn giản cho một cái gì đó như thế này theo thời gian, nhưng bài viết là về một cái gì đó khác vì vậy nó chỉ là một đề cập. Tôi đã mô phỏng thêm một người theo dõi phát giữa op amp và gate và nó thực sự làm việc kỳ diệu cho sự ổn định tăng; nhưng mùa thu đã đi tất cả để tàn phá vì vậy tôi nghĩ rằng nó không hoàn toàn đơn giản như tôi có thể hy vọng.

Tôi có xu hướng nghĩ rằng tôi cần một cái gì đó gần giống như một bộ khuếch đại kéo đẩy BJT bổ sung, nhưng mong đợi có những sắc thái phân biệt trình điều khiển MOSFET.

Bạn có thể phác thảo các tham số thô của một mạch có thể thực hiện thủ thuật trong trường hợp này không?

Thêm nền tảng cho sự quan tâm

Mạch ban đầu được dựa trên bộ tải điện tử Jameco 2161107, gần đây đã ngừng sản xuất. Của tôi bây giờ có ít hơn 6 phần so với bổ sung ban đầu của nó :). Nguyên mẫu hiện tại của tôi trông như thế này đối với những người, giống như tôi, thích thú với thứ đó :)

Nguồn (nói chung là nguồn cung cấp được thử nghiệm) được kết nối với giắc cắm chuối / cột liên kết ở mặt trước. Một jumper bên trái PCB chọn lập trình bên trong hoặc bên ngoài. Núm bên trái là nồi 10 vòng cho phép tải không đổi trong khoảng 0-3A. BNC ở bên phải cho phép một dạng sóng tùy ý kiểm soát tải ở mức 1A / V, ví dụ, với một sóng vuông để đẩy tải. Hai điện trở màu xanh nhạt bao gồm mạng phản hồi và được đặt trong các ổ cắm gia công để cho phép thay đổi độ lợi mà không cần hàn. Thiết bị hiện được cung cấp bởi một tế bào 9V.

Bất cứ ai muốn theo dõi bước chân học tập của tôi sẽ tìm thấy sự giúp đỡ tuyệt vời mà tôi đã nhận được từ các thành viên khác ở đây:

Tôi hoàn toàn ngạc nhiên rằng một dự án đơn giản như thế này đã trở thành động lực rất lớn cho việc học tập. Nó đã cho tôi cơ hội nghiên cứu khá nhiều chủ đề sẽ có rất nhiều máy sấy nếu được thực hiện mà không có mục tiêu cụ thể trong tay :)

— scanny
nguồn

1

Để giữ cho điểm vượt qua nhiệt độ bằng 0 của đường cong truyền ổn định, một nguồn dòng không đổi với thiết bị bandgap được sử dụng. Điều này, cũng như thiết bị có độ dẫn điện rất thấp là các thông số chính để thiết kế MOSFET trong khu vực tuyến tính. Rất quan trọng là để có được chức năng truyền (Vss vs Id) cho thiết bị cụ thể này mà bạn sử dụng, sau đó thực hiện chuyển đổi cần thiết theo trục ngang (VSS) trên các đường cong do nhà sản xuất cung cấp (không chính xác trong hầu hết các trường hợp!).

— GR Tech

1

Đối với bộ đệm, bạn có thể muốn nghiên cứu LH0002 hoặc LH0033 ( ti.com/lit/an/snoa725a/snoa725a.pdf ). Họ đã khá nhanh. LH0002 đủ đơn giản để có thể được xây dựng từ sự rời rạc. Tôi nghi ngờ các IC có thể được tìm thấy những ngày này.

— gsills

Tuyệt vời, cảm ơn @ssills! :) Tôi đang in tờ đó ngay bây giờ để nghiên cứu kỹ :)

— scanny

14

Đây thực sự là một vấn đề thú vị, bởi vì sự thay đổi của điện dung tải hiệu quả với khả năng chịu tải do ông Miller và bạn không cần phải bù đắp quá mức.

Tôi nghi ngờ một trình điều khiển đầu ra BJT kéo đẩy thiên vị sẽ hoạt động tốt - có thể 4 BJT nhỏ (2 được kết nối dưới dạng điốt) một vài điện trở phân cực cộng với có thể một vài ohms thoái hóa phát.

sơ đồ

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Nếu tôi đang làm điều này, tôi sẽ cố gắng ném một bộ tăng cường, nhưng vẫn khá rẻ tiền, thay vào đó là LM8261 .

— Spehro Pefhany
nguồn

Cảm ơn Spehro rất nhiều, đây chính xác là thứ mà tôi đang tìm kiếm! :) Tôi sẽ thêm nó vào sơ đồ tối nay và tìm hiểu những gì tôi có thể từ nó trên mô phỏng. Sau đó, tôi nghĩ rằng tôi sẽ đánh nó lên một bảng con gái nhỏ và hàn nó vào nguyên mẫu; Tôi tình cờ có miếng đệm mở ở đúng nơi mà tôi đã tháo điện trở cổng. Tôi sẽ báo cáo lại về cách thức hoạt động :)

— scanny

2

Điều này đã làm việc @Spehro! Báo cáo kết quả đầy đủ dưới đây. Trải nghiệm học tập tuyệt vời, nhưng sẽ thử nghiệm LM8261 cho mạch cuối cùng :)

— scanny

8

Báo cáo kết quả

Được rồi, câu chuyện ngắn là: thêm một bộ đệm rời rạc làm việc! Điều đó nói rằng, tôi không nghĩ rằng tôi sẽ thiết kế mạch của mình theo cách này, thay vào đó tôi sẽ đi theo khuyến nghị của @Spehro và @WhatRoughBeast và chỉ sử dụng một op amp có khả năng đầu ra hiện tại cao hơn, về cơ bản có giai đoạn đệm được xây dựng đúng vào amp op.

Đây là mạch tôi đã sử dụng. Khá giống với một @Spehro được cung cấp, nhưng thực sự chính xác là một trong bảng dữ liệu LH0002 mà @gsills khuyên dùng. Về cơ bản, nó sử dụng chính xác các bộ phận giống nhau (giá trị điện trở phân cực 5k thay vì 1k) chỉ một vài kết nối khác nhau, và ... bảng dữ liệu cho biết mạch có mức tăng hiện tại là 40.000 ; tốt, lòng tham của tôi đã hoàn toàn chiếm lấy và tôi quyết định chọn phiên bản hai giai đoạn:

Nó mô phỏng độc đáo nên tôi đã xây dựng nó trên một tấm vero 5 x 7 bit và cài đặt nó như một bảng con gái trên nguyên mẫu của tôi:

Và Voila! khá gần với mức tăng 1 1.1 (1.120) và rắn chắc như một tảng đá không có độ vọt quá mức từ một chút trên 0V lên đến 30V và các bước hiện tại từ 100mA đến 2.5A.

Mùa thu dài hơn một chút tại 1.42.

$Q$ $R_o$ của op amp cũng giúp giải pháp.

Vì vậy, đây chắc chắn là một kinh nghiệm học tập phong phú. Cuối cùng tôi đã thực sự có được cái đầu của mình xung quanh các ampe kế kéo đẩy và tôi thực sự hài lòng với hiệu suất của mạch. Tôi nghĩ rằng tôi có thể nhận được dưới 1 Lời khuyên bằng cách điều chỉnh mức tăng để có thêm một chút băng thông, có thể là tăng 3 thay vì 4.

Điều đó nói rằng, tôi không nghĩ việc thêm một giai đoạn trình điều khiển riêng biệt vào mạch "sản xuất" là đặt cược tốt nhất, vì vậy tôi đã đặt hàng một bảng đánh giá và các mẫu của LM8261 @Spehro được đề xuất. Đó chắc chắn là một amp op ấn tượng. Tôi không biết có một thứ như op amp có thể điều khiển "điện dung không giới hạn". Bảng dữ liệu cho thấy một mạch điều khiển 47nF, nhiều hơn tôi cần.

Vì vậy, chúng ta sẽ thấy điều đó diễn ra như thế nào khi các bộ phận đến :)

— scanny
nguồn

4

Mặc dù tôi thường đồng ý với Spehro, có một vài điều tôi nghĩ bạn nên chú ý.

Đầu tiên, bạn PHẢI thêm một số tách rời vào đường dây điện của bạn. Pin 9 volt sẽ không có hiệu suất bạn cần. Hãy thử khoảng 10 uF, tantalum, càng gần amp càng tốt. Từ hình ảnh, có vẻ như có thể có một chất điện phân phục vụ chức năng này, nhưng bạn không hiển thị nó trên sơ đồ của bạn. Thậm chí tốt hơn, có được nguồn cung cấp 12 volt (tốt nhất là tuyến tính) và hoàn toàn từ bỏ pin. (Bạn sẽ vẫn cần tách rời, nhưng ít nhất bạn không phải lo lắng về việc pin sắp hết.)

Thứ hai, hãy thử kết nối mặt đất phạm vi của bạn với mặt đất của điện trở nguồn, thay vì dây đầu vào. Điều này sẽ không tạo ra sự khác biệt lớn, nhưng dù sao đó cũng là một ý tưởng tốt.

Thứ ba, Spehro quá hiền lành - op amp của bạn sẽ không làm những gì bạn muốn. Đầu tiên, thời gian giải quyết của nó được liệt kê là 1,1 usec đến 0,1% và không có bất kỳ giai đoạn bên ngoài nào. Thứ hai, cổng của bạn đang cung cấp tải trọng 370 pF cho đầu ra và đây rất có thể là một nguồn không ổn định. Với thời gian lắng danh nghĩa là 400 nsec, đặc biệt với tải trọng quy định là 500 pF, LM8261 là lựa chọn tốt hơn nhiều. Mặc dù vậy, một sự thận trọng - băng thông rộng hơn của LM8261 sẽ cho phép khả năng của một số nguồn dao động khác, vì vậy hãy chuẩn bị. Bố cục của pcb của bạn trông đủ chặt chẽ để điều này không phải là một vấn đề, nhưng bạn không bao giờ biết.

Thứ tư, nếu bạn thực sự hy vọng tải được nguồn cung cấp 50 volt đến 5 amps, bạn phải từ chức để tiêu tan 250 watt. 30 watt chỉ là mơ tưởng. Điều này gần như chắc chắn sẽ yêu cầu nhiều FET và tản nhiệt lớn hơn nhiều, có thể là làm mát không khí cưỡng bức.

— WhatRoughBeast
nguồn

Về hiệu suất của pin, bạn có nói rằng bạn nghĩ điện trở trong (khoảng 1,7Ω tôi mới phát hiện ra) sẽ đủ để gây sụt áp trong quá trình tải không? Mạch này có điện phân 100 100F cũng như gốm 100nF song song với pin. Lời xin lỗi, đã không nghĩ rằng bao gồm điều đó trong sơ đồ. Trên mặt đất thăm dò, tôi thường sử dụng mặt đất điện trở, nó chỉ bị sẹo một chút nên tôi nghĩ tôi sẽ tiết kiệm được một lúc :) Tôi nhận được một chút tiếng ồn hơn, nhưng dạng sóng đã thay đổi rõ rệt. Tôi sẽ nhận được một cái gì đó chính xác hơn trong đó để xây dựng sau này.

— Scanny

Về tiêu tán năng lượng, vâng, tất nhiên tôi không có ý ám chỉ rằng nó có thể làm cả 50V và 5A cùng một lúc :) Tại một số điểm tôi có thể suy nghĩ về mạch bảo vệ cho điều đó. Trong khi đó, tôi chỉ cần giữ một tay trên tản nhiệt trong khi tôi đang sử dụng nó :)

— scanny

@scanny Trở kháng bên trong của pin không nhất thiết là không đổi trên toàn phổ và sẽ tăng lên khi pin cạn kiệt. Bạn thậm chí có thể đọc những câu chuyện về nó: ganssle.com/articles/Exofoolishness.htmlm

— Eugene Ryabtsev

1

@WhatRoughBeast Tôi nghĩ rằng công suất tiêu tán trong MOSFET chỉ phụ thuộc vào sự sụt giảm điện áp trên MOSFET và dòng điện hiện tại: Pdiss = VDS × IDS. Đó là lý do chính khiến MOSFETS tiêu tan nhiều hơn trong khu vực tuyến tính. Sơ đồ SOA rất quan trọng trong trường hợp này, để giảm thiểu các điều kiện không ổn định.

— GR Tech

1

Chỉ là một gợi ý ... Tôi đang tìm kiếm một sự thay thế LM8261, trong gói SOT23-5, để điều khiển MOSFET như IXTN90N25L (23nF Ciss) ở chế độ tuyến tính. Đã tìm thấy LM7321 với xếp hạng hiện tại đầu ra cao hơn và băng thông tương tự như LM8261. Tất nhiên, bằng cách loại bỏ hạn chế SOT23-5, bạn có thể tìm thấy các ampe hiện tại đầu ra cao hơn khác, chỉ cần sử dụng lựa chọn ti.com.

— người dùng86646
nguồn

1

Người theo dõi Emitter nổi tiếng với sự dao động với tải cáp điện dung. Một loạt R nhỏ có thể làm cho nó ổn định.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
nguồn

0

Tôi sẽ bắt đầu bằng cách dán một tụ điện trên điện trở phản hồi R10. Sau đó, thêm một bộ chia điện trở cho mosfet, với mục đích thiên vị mosfet khi nó bắt đầu trong khu vực tuyến tính (triode).

Lý do tôi có cho điều này là: cực kỳ nhiều opamp dao động mà không có tụ điện để giới hạn băng thông trong vòng phản hồi. Cá nhân tôi coi nó là bắt buộc thường xuyên hơn không.

Nếu mosfet bắt đầu trong vùng tuyến tính của nó, opamp có khả năng xuất phát điểm tốt, nơi nó có thể phản ứng chậm với các thay đổi thay vì đột nhiên đạt đến điện áp ngưỡng. Chỉ cần làm cho kháng chiến lớn.

sơ đồ

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

— người dùng55924
nguồn

Tôi thực sự bắt đầu với chương trình bồi thường "trong vòng lặp" mà bạn đề xuất. Thật không may, nó giết chết băng thông khi được cấu hình để phù hợp với điện dung cổng trường hợp xấu nhất. Nó cũng làm cho mạch phản hồi bậc ba, có thể làm cho phản ứng bước thậm chí chậm hơn. 20 thời gian tăng lên là tốt nhất tôi có thể làm với chương trình này. Ý tưởng của trình điều khiển là cách ly hiệu quả op-amp khỏi MOSFET để không cần phải bù và băng thông tối đa có thể được bảo toàn. Trên bộ chia điện áp điện trở, tôi không chắc là tôi thấy công đức của việc cung cấp cho op-amp nhiều hơn để làm việc.

— scanny

"Bộ lọc thông thấp trong vòng phản hồi." Nó trông giống như một bộ lọc thông cao .

— Peter Mortensen

@scanny ok, bạn đã thử một loạt điện trở giữa opamp và cổng chưa? (khoảng 50 ohms) và thêm vòng phản hồi thứ hai?. (xem AN-968 từ ADI)

— dùng55924

1

R_{o}

$R_o$

R_{o} + C_{i s s}

$R_o + C_{iss}$