Công tắc MOSFET w / Thời gian giải quyết nhanh để chuyển đổi E-Field

Ứng dụng: Tôi có một lưới đồng (10cm x 10cm vuông) trong buồng chân không được kết nối với đầu nối BNC bằng một dây đồng dài 24 cm. Các mục tiêu là chuyển đổi sang lưới điện áp (tham chiếu đến mặt đất) từ 8 V ~ 0 V một cách nhanh chóng. (Điều này sẽ chuyển đổi điện trường trong buồng, là cơ chế điều khiển cho các thí nghiệm vật lý nguyên tử của chúng tôi.) Điều cần thiết là khoảng 500 ns sau khi chuyển đổi bắt đầu, tín hiệu lắng xuống <10 mV (~ <0,1%). Lưới nổi; nó không được chấm dứt trong buồng

Vấn đề: Có một "bướu" ở dưới cùng của xung vuông đảo ngược của tôi. Tôi cần phải làm phẳng nó.

Mạch: Tôi đã giải quyết trên một mạch chuyển đổi MOSFET đơn giản:

Mô tả: MOSFET ( ZVN2110A-ND , Chế độ tăng cường kênh N ) được điều khiển bởi trình điều khiển IRS2117PBF-ND , tạo ra xung dương 15 V. Đường cơ sở của xung kích hoạt này nổi trên V_S, được gắn với V_LO bằng một điện trở nhỏ. Lưới được kết nối với Điểm B. Bộ lọc thông thấp đầu ra là một nỗ lực khắc phục sự cố. Tất cả các giá trị điện trở được xác định bằng thực nghiệm (nghĩa là ban đầu sử dụng chiết áp). Kết quả là dây cứng sử dụng kiểu "bug-bug" trên bảng mạ đồng.

Chi tiết về đầu dò: Để mô phỏng lưới, tôi đã hàn một sợi dây 24 cm vào một tấm ván hoàn thiện bằng đồng và nối nó với đầu ra mạch (Điểm B). Tôi đã dò tín hiệu trên bo mạch hoàn hảo bằng đầu dò Tektronix ( 500 MHz, 8.0 pF, 10MOhm, 10x ) vào phạm vi Tektronix ( phạm vi kỹ thuật số TDS3012 100 MHz ).

Quan sát: Nó chuyển đổi đủ nhanh (mặc dù tôi có thể tăng tốc nó bằng cách loại bỏ bộ lọc), biên độ và thời lượng chuông có thể chấp nhận được, nhưng trên thang đo thời gian ( thiết yếu ) trong giây, có một "bướu" lớn và rủ xuống 20 mV (được dán nhãn bằng hình ảnh bằng đường màu đỏ). Điều này lớn đến mức không thể chấp nhận được và khiến cho các thí nghiệm của chúng tôi không thể thực hiện được, diễn ra từ lúc chuyển đổi cho đến khoảng 10 micro giây sau khi chuyển đổi.

Chi tiết ứng dụng: Chúng tôi sử dụng điện trường để điều chỉnh cộng hưởng nguyên tử trong các thí nghiệm của mình. Quét điện trường áp dụng cho các nguyên tử cho phép chúng ta ghi lại "phổ" của các cộng hưởng này cho thấy vị trí và hình dạng của chúng. Độ rộng và khoảng cách của các cộng hưởng này theo thứ tự 1-10 mV / cm (rất nhỏ!). Để áp dụng điện trường, chúng ta đặt các nguyên tử giữa hai miếng lưới đồng phẳng, cách nhau 1 cm. Trường E giữa các miếng lưới đồng chỉ là sự khác biệt tiềm năng giữa các miếng lưới (chênh lệch 1 V bằng với trường E 1 V / cm, chuyển đổi 1 thành 1). Khi thu thập phổ, chúng tôi lấy mẫu giá trị trường E bằng cách chuyển sang điện áp tương ứng và đợi một vài micro giây trước khi phát hiện. Nếu điện áp (và do đó trường E) trôi trong khoảng thời gian lấy mẫu nhiều hơn kích thước của cộng hưởng (<10 mV) thì độ phân giải bị giảm xuống đến mức mà hình ảnh phổ của chúng ta bị mờ đi ngoài sự nhận biết.

Suy nghĩ bổ sung: Tôi đã xem xét khả năng MOSFET đang nóng lên, do đó thay đổi mức kháng cự của nó (thông thường ~ 4 Ohms). Để kiểm tra điều này, tôi đã thử hai điều: (1) đặt hai MOSFET song song và (2) thay thế ZVN2110A bằng MOSF IRF1010EZ có điện trở thấp hơn nhiều (100 mOhm). Không có gì giúp được, "cái bướu" vẫn là 20 mV và vẫn tồn tại trong vài micro giây. Dường như với tôi, việc tăng điện trở kéo lên (như được đề xuất trong các bình luận) cũng có thể giúp ích, vì vậy tôi sẽ thử điều này.

Cập nhật 1: Tôi đã thử tăng điện trở kéo lên từ 470 Ohms lên 10 kOhms. Không có ảnh hưởng đến đầu ra; nó vẫn có "bướu" 20 mV sau tiếng chuông ban đầu.

Cập nhật 2: Ngắt kết nối dây "mock-up" + khỏi mạch và thăm dò điểm B trực tiếp không ảnh hưởng đến tín hiệu đo được.

Cập nhật 3: Dưới đây là dấu vết cho các điểm tương ứng trong sơ đồ trên:

Có vẻ như "bướu" cũng xuất hiện trên xung cổng. Điểm "D" ngay gần FET trông không khác gì so với việc dò lưới.

Cập nhật 4: Tôi đã (1) tăng điện trở kéo lên 1kOhm, (2) loại bỏ điện trở 1000pF lọc, (3) ngắt kết nối lưới, (4) thêm hai "tụ điện" có thể "kẹt" 470uF vào đường ray và (5) thay thế bộ tạo xung bằng bộ tạo xung nhanh hơn (Agilent 33250A). Sơ đồ và dấu vết mới:

Ngay cả với xung kích hoạt nhanh hơn cho trình điều khiển FET, vấn đề vẫn còn. Các mũ "kẹt có thể" dường như lọc ra một số dao động tần số cao, nhưng "bướu" vẫn còn.

Nếu bạn nhìn vào tần số đặc trưng của bướu, nó sẽ theo thứ tự 100 giây KHz. điều duy nhất n mà mạch có cực chi phối trong phạm vi đó sẽ là nguồn cung cấp năng lượng. Nhìn vào đường ray thấp hơn và xem nếu nó tương quan với bướu.

Tôi cá rằng cái bướu, như bạn gọi nó, là do điện dung của lưới và độ tự cảm / trở kháng của cáp 24 cm. Dưới đây là một số điều cần thử:

1. Giảm chiều dài của cáp 24 cm. Điều này sẽ làm giảm độ tự cảm / trở kháng của cáp và cho phép xả lưới nhanh hơn.

2. Làm cho cáp dày hơn 24 cm. Khái niệm tương tự như # 1.

3. Di chuyển MOSFET ngay bên cạnh lưới, bên trong buồng. Khái niệm tương tự như # 1, nhưng được đưa đến một thái cực.

4. Bất kỳ dây nào mang dòng phóng lưới phải ngắn và dày nhất có thể. Điều này bao gồm bất kỳ dây nối đất.

Một số trong số này, có thể là hầu hết, sẽ không thực tế để thực hiện trong "hoạt động khoa học", nhưng dù sao chúng cũng đáng để làm để thu hẹp nơi bướu đó đến từ đâu.

Có thể được hướng dẫn để biết điện áp đang làm gì (a) trên lưới, (b) tại điện trở được kết nối với điểm "b", (c) ngay tại cống của FET, và cuối cùng, (d) tại cổng của FET. Nó có thể là điện cảm / điện dung trong hệ thống dây điện, nhưng nó có thể là FET làm một cái gì đó khác với những gì chúng ta mong đợi.

Tôi tự hỏi nếu bạn có thể lái lưới trực tiếp từ IRS2117, vì cả điện áp và dòng điện của bạn đều không cực. Trình điều khiển cổng được thiết kế để điều khiển tải điện dung của cổng FET và đây có vẻ là bản chất của vấn đề ban đầu.

Cuối cùng, nếu bạn phải đi cực đoan, một số loại sơ đồ vòng điều khiển có thể cần thiết, trong đó bạn có nguồn cung cấp âm và thực sự lái đầu ra âm cho đến khi nó về 0 (điều này kéo dòng điện từ lưới) ... sau đó bạn mang theo dòng phản hồi từ đầu ra để điều khiển mạch lái xe này để nó chỉ áp dụng đúng ổ đĩa để có hành vi này.

Chỉnh sửa : Tôi chỉ nhận thấy V LO. Điện áp đó là gì? Tôi nghĩ rằng hầu hết câu trả lời của tôi đã biến mất ...

Fiirst, tôi giả sử rằng bạn đang đo tín hiệu quan tâm tại điểm B trong mạch của bạn.

Thứ hai, tôi cho rằng bạn đã tính hằng số thời gian RC mà mạch của bạn phải xử lý - ước tính của tôi là (đối với các đạo trình trực tiếp ngắn bên ngoài hệ thống chân không): C ~ 100pF, R ~ 600 Ohms, do đó t ~ 0,1usec. Để đạt 0,1% tín hiệu cần ~ 7 hằng số thời gian hoặc ~ 0,7usec.

Một vấn đề với mạch, như đã cho, là công suất đầu ra của MOSFET là 25pF, công suất đầu vào là 75pF và công suất truyền là 8pF. Ngoài ra, phí cổng phải được loại bỏ là 1n Coloumb.

Như bạn đã lưu ý, đầu ra của bộ tạo tín hiệu đang được truyền qua trình điều khiển đến đầu vào và sau đó đến đầu ra của MOSFET. Ngoài ra, hầu hết các máy phát xung không đạt đến mức 0 volt thực sự trong thời gian rơi định mức của chúng - thời gian thường được chỉ định là 90% đến 10% thời gian.

Một giải pháp tốt hơn là sử dụng cổng CD4010UB để thay thế cả trình điều khiển và MOSFET - kết nối bộ tạo tín hiệu với đầu vào cổng và đầu ra cổng với điện trở 600 Ohm được gắn vào điểm B. Thật không may, '10 có lẽ không còn nữa - Tôi không thể tìm thấy một với một tìm kiếm.

Phần 'tốt thứ hai' sẽ là biến tần hex CD4009UB (có sẵn từ Digikey p / n 292-2030-J-ND $ 0,55).

'Bí quyết' là phần này có các kết nối cấp nguồn riêng biệt cho phần đầu vào và phần đầu ra của cổng. Kết nối đầu vào (Vdd) phải được đặt thành điện áp cao nhất mà bạn sẽ cần trên đầu ra và kết nối đầu ra (Vcc) được đặt từ 0 đến Vdd.

Mặc dù bảng dữ liệu, tôi đã sử dụng cấu hình này với Vcc từ -0.3V đến Vdd mà không có vấn đề gì.

Bạn sẽ phải điều chỉnh điện trở 600 Ohm để bù cho điện trở trong của cổng - ~ 200 Ohms - hoặc bạn có thể song song tất cả sáu đầu vào cổng và đầu ra của chúng. Nếu bạn không song song với năm cổng khác, bạn nên kết nối đầu vào của chúng với Vdd - đừng để chúng nổi.

Có khả năng cao là bạn đang đo phục hồi quá tải phạm vi của mình. Xem xét ảnh chụp màn hình phạm vi dưới đây:

Điện áp đo bằng dấu vết màu xanh không tồn tại . Như bạn có thể thấy, ở phía bên trái của màn hình, dấu vết đã tắt màn hình và cắt bớt opamp tốc độ cao bên trong giao diện tương tự phạm vi. Điều này gây ra tất cả các loại khó chịu, như gia nhiệt vi sai trong giai đoạn đầu vào, làm đảo lộn các điểm thiên vị, v.v. Do đó, opamp cần vài chục mili giây để giải quyết ... thật tuyệt vời cho một con chip có băng thông hàng trăm MHz, không nó không

Đọc phần thưởng (nền màu hồng) trong tài liệu Jim Williams này:

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

Tôi không nói đây là thủ phạm, nhưng có khả năng. Khi các clip theo dõi, ngay cả đối với một bản vá, phạm vi không đáng tin cậy. Bất kỳ mạch tuyến tính nào, hoặc cắt gần, ngay cả trong một thời gian cực ngắn (như 1ns), không thể tin cậy cho độ chính xác hoặc giải quyết cho đến khi chúng tôi hoàn toàn chắc chắn mọi thứ đã nguội, mọi điện tích được lưu trữ trong mỗi tụ tích hợp đã trở về danh nghĩa giá trị, v.v ...

Điều này bao gồm một opamp đi vào giới hạn tốc độ xoay, nhân tiện. Thời gian phục hồi là thời gian lắng được đề cập trong biểu dữ liệu và thời gian sau khi xoay dài hơn nhiều so với sau khi xử lý một xung giới hạn xoay có cùng biên độ. Xin lưu ý datasheet chỉ định thời gian giải quyết thường ngụ ý clip DID KHÔNG opamp!

Để đo thời gian xử lý của bạn, bạn sẽ cần các biện pháp đặc biệt, rất có thể là một công tắc tương tự chỉ để cho điện áp được đo qua vài chục nano giây SAU KHI nằm trong phạm vi ...

Bạn cũng có thể sử dụng opamp chính xác tốt (được chỉ định cho thời gian xử lý nhanh và chính xác, nhanh hơn nhiều so với những gì bạn đang cố đo) và hạn chế điốt trong mạng phản hồi. Làm chậm quá trình chuyển đổi MOSFET cho đến khi không có đột biến làm đảo lộn opamp.

Vì lý do tương tự, độ phẳng của xung đầu ra bộ tạo xung của bạn không thể đo được bằng phạm vi.

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

Chúc vui vẻ! Khi cần ghi chú ứng dụng Jim Williams, bạn sẽ biết mình đang gặp rắc rối! Đây là những vấn đề rất tế nhị ...