Entwurf einer * linearen * MOSFET-Treiberstufe

Ich suche eine MOSFET-Treiberschaltung, die zwischen einem Operationsverstärker und einem Leistungs-MOSFET platziert werden kann, um den Transistor als linearen Verstärker (im Gegensatz zu einem Schalter) zu betreiben.

Hintergrund

Ich entwickle eine elektronische Lastschaltung, die in der Lage sein muss, eine Last in etwa 1 µs zu stufen. Die wichtigste Schrittgröße ist klein, sagen wir 100mA, obwohl ich, sobald das geklärt ist, wahrscheinlich auch eine große Signalschrittgeschwindigkeit von 2,5A / µs erreichen möchte. Es sollte Quellen von 1 bis 50 V und Ströme von 0 bis 5 A aufnehmen und in der Lage sein, etwa 30 W zu verbrauchen.

So sieht die Rennstrecke derzeit aus. Seitdem ich in früheren Fragen aufgetaucht bin, habe ich den MOSFET durch das kleinste Kapazitätsgerät ersetzt, das ich finden konnte (IRF530N -> IRFZ24N), und bin während des Aufenthalts auf einen Operationsverstärker mit relativ großer Bandbreite und hoher Anstiegsrate (LM358 -> MC34072) umgestiegen in jelly bean gebiet. Ich arbeite derzeit aus Stabilitätsgründen mit einer Verstärkung von ungefähr 4 für den Operationsverstärker, was mir eine Bandbreite in der Nähe von 1 MHz gibt. Weiterer Hintergrund für alle Interessierten.

Das Problem

Während die Schaltung einigermaßen gut funktioniert, besteht das Problem nun darin, dass die Stabilität nicht stabil ist :) Sie schwingt nicht oder ähnliches, aber die Sprungantwort kann von überdämpft (kein Überschwingen) bis ziemlich unterdämpft (20%) reichen. Überschwingen, drei Unebenheiten), abhängig von der zu ladenden Quelle. Niedrigere Spannungen und Widerstandsquellen sind problematisch.

Meine Diagnose lautet, dass die inkrementelle Eingangskapazität des MOSFET sowohl von der Spannung der zu ladenden Quelle als auch vom Miller-Effekt der durch einen beliebigen Quellenwiderstand erzeugt wird, und dass dies einen "wandernden" Pol von des Operationsverstärkers erzeugt Wechselwirkung mit dem Source-abhängigen des MOSFET.C g a t $R_o$$C_{gate}$

Meine Lösungsstrategie besteht darin, eine Treiberstufe zwischen dem Operationsverstärker und dem MOSFET einzuführen, um der Gate-Kapazität eine viel niedrigere Ausgangsimpedanz (Widerstand) zu verleihen, wodurch der wandernde Pol in den Bereich von zehn oder Hunderten von MHz getrieben wird, wo dies nicht möglich ist Schaden anrichten.

Bei der Suche nach MOSFET-Treiberschaltungen im Internet wird meistens davon ausgegangen, dass der MOSFET so schnell wie möglich vollständig ein- oder ausgeschaltet werden soll. In meiner Schaltung möchte ich den MOSFET in seinem linearen Bereich modulieren . Ich finde also nicht ganz die Einsicht, die ich brauche.

Meine Frage ist: "Welche Treiberschaltung könnte geeignet sein, die Leitfähigkeit des MOSFET in seinem linearen Bereich zu modulieren?"

Ich habe gesehen, wie Olin Lathrop im Vorbeigehen in einem anderen Post erwähnt hat, dass er von Zeit zu Zeit einen einfachen Emitterfolger für so etwas verwenden würde, aber in dem Post ging es um etwas anderes, also war es nur eine Erwähnung. Ich simulierte das Hinzufügen eines Emitterfolgers zwischen dem Operationsverstärker und dem Gate und es wirkte tatsächlich Wunder für die Anstiegsstabilität. Aber der Sturz war zum Teufel, also denke ich, dass es nicht ganz so einfach ist, wie ich es mir erhofft hatte.

Ich bin geneigt zu glauben, ich brauche so etwas wie einen komplementären BJT-Gegentaktverstärker, aber ich erwarte, dass es Nuancen gibt, die einen MOSFET-Treiber auszeichnen.

Können Sie die groben Parameter einer Schaltung skizzieren, die in diesem Fall den Trick machen könnten?

Weiterer Hintergrund für Interessierte

Die Schaltung basierte ursprünglich auf dem elektronischen Ladekit Jameco 2161107, das kürzlich eingestellt wurde. Meins hat jetzt ungefähr 6 weniger Teile als sein ursprüngliches Komplement :). Mein aktueller Prototyp sieht für diejenigen, die sich wie ich für so etwas interessieren, so aus :)

Die Quelle (in der Regel ein zu testendes Netzteil) wird an die Bananenbuchsen / Bindungspfosten an der Vorderseite angeschlossen. Ein Jumper auf der linken Seite der Platine wählt die interne oder externe Programmierung aus. Der Knopf auf der linken Seite ist ein Poti mit 10 Umdrehungen, mit dem eine konstante Last zwischen 0 und 3 A gewählt werden kann. Der BNC auf der rechten Seite ermöglicht es einer beliebigen Wellenform, die Last auf dem Pegel von 1A / V zu steuern, zum Beispiel mit einer Rechteckwelle zum Abstufen der Last. Die beiden hellblauen Widerstände bilden das Rückkopplungsnetzwerk und befinden sich in bearbeiteten Sockeln, damit die Verstärkung ohne Löten geändert werden kann. Das Gerät wird derzeit von einer einzelnen 9-V-Zelle mit Strom versorgt.

Wer meine Lernschritte nachvollziehen möchte, findet hier die hervorragende Hilfe, die ich von anderen Mitgliedern erhalten habe:

• Ist es jemals sinnvoll, einen Kondensator zwischen den Eingängen der Operationsverstärker einzufügen?
• Berechnung des Gatewiderstandswerts für eine verbesserte Stabilität des aktiven Bereichs
• Wie teste ich die Stabilität eines Operationsverstärkers?
• Warum sagt LTSpice diese Oszillation des Operationsverstärkers nicht voraus?
• Was kann aus der Frequenz, mit der ein Operationsverstärker oszilliert, abgeleitet werden?
• Warum zeigt ein kleinerer Schritt eine bessere Instabilität?
• $R_o$
• Bietet dieser Schottky MOSFET-Transientenschutz?
• Warum 60% Überschwingen bei 55 ° Phasenreserve?
• Wie kann ich die Gatekapazität messen?

Ich bin zutiefst erstaunt darüber, dass ein einfaches Projekt wie dieses einen so hohen Motivationsfaktor für das Lernen darstellt. Es gab mir Gelegenheit, eine ganze Reihe von Themen zu studieren, die ohne ein konkretes Ziel so viel trockener gewesen wären :)

Dies ist in der Tat ein interessantes Problem, da die effektive Lastkapazität durch den Lastwiderstand von Herrn Miller variiert und Sie nicht überkompensieren müssen.

Ich vermute, dass ein vorgespannter Push-Pull-BJT-Ausgangstreiber gut funktionieren würde - vielleicht 4 kleine BJTs (2 als Dioden angeschlossen), ein paar Vorwiderstände und vielleicht ein paar Ohm je Emitter-Degeneration.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Wenn ich das tun würde, wäre ich versucht, einen kräftigeren, aber immer noch recht billigen Verstärker wie einen LM8261 zu kaufen .

Ergebnisbericht

Okay, die Kurzgeschichte lautet: Hinzufügen eines diskreten Puffers hat funktioniert! Das heißt, ich glaube nicht, dass ich meine Schaltung auf diese Weise entwerfen werde, sondern ich werde mich an die Empfehlungen von @Spehro und @WhatRoughBeast halten und einfach einen Operationsverstärker mit höherer Stromausgangsleistung verwenden, der im Grunde die richtige Pufferstufe hat in den Operationsverstärker.

Hier ist die Schaltung, die ich benutzt habe. Ziemlich ähnlich dem von @Spehro bereitgestellten, aber genau dem im LH0002-Datenblatt, das @gsills empfohlen hat. Grundsätzlich wurden genau die gleichen Teile (Vorspannungswiderstandswert 5k anstelle von 1k) verwendet, nur ein paar verschiedene Anschlüsse, und ... das Datenblatt besagte, dass die Schaltung eine Stromverstärkung von 40.000 hatte ; Nun, meine Gier nach Gewinn übernahm völlig und ich entschied mich für die zweistufige Version:

Es wurde gut simuliert, also habe ich es auf einem 5 x 7-Bit-Veroboard aufgebaut und es auf meinem Prototyp als Tochterplatine installiert:

Und voila! ziemlich verdammt nahe an 1µs Anstieg (1.120µs) und solide wie ein Fels ohne Überschwingen den ganzen Weg von etwas über 0V bis 30V und Stromstufen von 100mA bis 2,5A.

Der Sturz ist mit 1,42µs etwas länger:

$Q$$R_o$ des Operationsverstärkers hilft auch bei der Lösung.

Das war definitiv eine reiche Lernerfahrung. Endlich muss ich mich wirklich mit Push-Pull-BJT-Verstärkern auseinandersetzen, und ich bin jetzt wirklich zufrieden mit der Leistung der Rennstrecke. Ich denke, ich kann unter 1µs kommen, indem ich die Verstärkung dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal dreimal

Trotzdem halte ich es nicht für die beste Wahl, der "Produktions" -Schaltung eine diskrete Treiberstufe hinzuzufügen. Ich habe daher ein Evaluierungsboard und Muster des empfohlenen LM8261 @Spehro bestellt. Es ist definitiv ein beeindruckender Operationsverstärker. Ich wusste nicht, dass es so etwas wie einen Operationsverstärker gibt, der "unbegrenzte Kapazität" liefern kann. Das Datenblatt zeigt eine Schaltung, die 47nF treibt, mehr als ich jemals brauchen werde.

Also werden wir sehen, wie das geht, sobald die Teile ankommen :)

Obwohl ich generell mit Spehro übereinstimme, gibt es ein paar Dinge, auf die Sie meiner Meinung nach achten sollten.

Zunächst MÜSSEN Sie Ihre Stromleitung etwas entkoppeln. Eine 9-Volt-Batterie hat nicht die Leistung, die Sie benötigen. Versuchen Sie es mit 10 uF Tantal, so nah wie möglich am Verstärker. Auf dem Bild sieht es so aus, als ob ein Elektrolyt diese Funktion erfüllen könnte, aber Sie zeigen es nicht auf Ihrem Schaltplan. Noch besser ist es, eine 12-Volt- (vorzugsweise lineare) Versorgung zu erhalten und die Batterien ganz aufzugeben. (Sie müssen sich immer noch entkoppeln, aber zumindest müssen Sie sich keine Sorgen machen, dass der Akku fast leer ist.)

Versuchen Sie zweitens, die Erdung Ihres Oszilloskops an die geerdete Seite der Leistungswiderstände und nicht an das Eingangskabel anzuschließen. Dies sollte keinen großen Unterschied machen, aber es ist trotzdem eine gute Idee.

Drittens ist Spehro zu sanft - Ihr Operationsverstärker macht nicht das, was Sie wollen. Erstens wird die Einschwingzeit mit 1,1 usec bis 0,1% angegeben, und das ohne äußere Stufen. Zweitens liefert Ihr Gate eine Last von 370 pF für den Ausgang, und dies ist sehr wahrscheinlich eine Ursache für Instabilität. Mit einer nominalen Einschwingzeit von 400 ns, insbesondere bei einer spezifizierten Last von 500 pF, ist der LM8261 eine viel bessere Wahl. Vorsicht - die größere Bandbreite des LM8261 kann zu einer anderen Schwingungsquelle führen. Seien Sie also vorbereitet. Das Layout Ihrer Platine sieht so eng aus, dass dies kein Problem sein sollte, aber Sie wissen es nie.

Viertens: Wenn Sie wirklich hoffen, eine 50-Volt-Versorgung auf 5 Ampere zu laden, müssen Sie sich damit abfinden, 250 Watt zu verbrauchen. 30 Watt ist nur Wunschdenken. Dies erfordert mit ziemlicher Sicherheit mehrere FETs und einen viel größeren Kühlkörper, wahrscheinlich mit erzwungener Luftkühlung.

Nur ein Vorschlag ... Ich suchte nach einem LM8261-Ersatz im SOT23-5-Gehäuse, um MOSFETs wie IXTN90N25L (23nF Ciss) im linearen Modus anzusteuern. Wir haben den LM7321 mit einem noch höheren Ausgangsstrom und einer ähnlichen Bandbreite wie den LM8261 gefunden. Wenn Sie die SOT23-5-Beschränkung aufheben, können Sie natürlich auch andere Operationsverstärker mit höherem Ausgangsstrom finden. Verwenden Sie dazu einfach die ti.com-Auswahl.

Emitterfolger sind für Schwingungen mit kapazitiven Kabellasten berüchtigt. Eine kleine Serie R kann es stabil machen.

Ich würde damit beginnen, einen Kondensator über den Rückkopplungswiderstand R10 zu kleben. Dann wird ein Widerstandsteiler für den Mosfet hinzugefügt, um den Mosfet vorzuspannen, wenn er in seinem linearen (Trioden-) Bereich startet.

Der Grund dafür ist: Extrem viele Operationsverstärker schwingen ohne Kondensator, um die Bandbreite in der Rückkopplungsschleife zu begrenzen. Ich persönlich halte es meistens für obligatorisch.

Wenn der Mosfet in seinem linearen Bereich startet, hat der Opamp die Möglichkeit eines guten Startpunkts, an dem er langsam auf Änderungen reagieren kann, anstatt plötzlich eine Schwellenspannung zu erreichen. Machen Sie einfach den Widerstand groß.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}