Projetando um estágio do driver MOSFET * linear *

Estou procurando um circuito de driver MOSFET que possa ser colocado entre um amplificador operacional e um MOSFET de potência para operar o transistor como um amplificador linear (em oposição a um comutador).

fundo

Estou desenvolvendo um circuito eletrônico de carga que deve ser capaz de aumentar a carga em cerca de 1 µs. O tamanho do passo mais importante é pequeno, digamos 100mA, embora uma vez que eu tenha resolvido isso, eu provavelmente também gostaria de atingir uma grande velocidade de sinal de 2,5A / µs. Ele deve acomodar fontes de 1 a 50V, correntes de 0 a 5A e será capaz de dissipar cerca de 30W.

Aqui está a aparência do circuito no momento. Desde que apareci em perguntas anteriores, substituí o MOSFET pelo menor dispositivo de capacitância que encontrei (IRF530N -> IRFZ24N) e mudei para uma largura de banda razoavelmente ampla e um amplificador operacional de alta taxa de interrupção (LM358 -> MC34072) enquanto permanecia em território de jujuba. Atualmente, estou executando um ganho de cerca de 4 no amplificador operacional para fins de estabilidade, o que me dá uma largura de banda na faixa de 1 MHz. Mais informações abaixo para qualquer pessoa interessada.

O problema

Embora o circuito tenha um desempenho razoavelmente bom, o problema agora é que a estabilidade não está estável :) Não oscila nem nada assim, mas a resposta ao degrau pode variar de superdimensionada (sem ultrapassagem) a muito subestimada (20% overshoot, três solavancos), dependendo da fonte que está sendo carregada. Baixa tensão e fontes resistivas são problemáticas.

$R_o$$C_{gate}$

Minha estratégia de solução é introduzir um estágio de driver entre o amplificador operacional e o MOSFET para apresentar uma impedância de saída (resistência) muito menor à capacitância do portão, elevando o pólo errante até a faixa de dezenas ou centenas de MHz, onde ele não pode faça algum mal.

Ao procurar por circuitos de driver MOSFET na Web, o que eu acho mais pressupõe que se queira "ativar" ou desativar o MOSFET o mais rápido possível. No meu circuito, quero modular o MOSFET em sua região linear. Portanto, não estou encontrando exatamente o insight de que preciso.

Minha pergunta é: "Qual circuito do driver pode ser adequado para modular a condutividade do MOSFET em sua região linear?"

Vi Olin Lathrop mencionado de passagem em outro post que ele usaria um seguidor de emissor simples para algo assim de tempos em tempos, mas o post era sobre outra coisa, então era apenas uma menção. Simulei a adição de um seguidor de emissor entre o amplificador operacional e o gate e ele realmente fez maravilhas para a estabilidade do aumento; mas o outono foi demais, então acho que não é tão simples como eu poderia ter esperado.

Estou inclinado a pensar que preciso de algo mais ou menos como um amplificador push-pull complementar BJT, mas espero que haja nuances que distinguem um driver MOSFET.

Você pode esboçar os parâmetros aproximados de um circuito que podem funcionar nesse caso?

Antecedentes adicionais para os interessados

O circuito foi originalmente baseado no kit de carga eletrônico Jameco 2161107, descontinuado recentemente. O meu agora tem cerca de 6 partes a menos do que seu complemento original :). Meu protótipo atual é assim para quem, como eu, está interessado nesse tipo de coisa :)

A fonte (geralmente uma fonte de alimentação em teste) está conectada aos conectores banana jack / encadernação na frente. Um jumper à esquerda do PCB seleciona a programação interna ou externa. O botão à esquerda é um pote de 10 voltas, permitindo que uma carga constante entre 0-3A seja selecionada. O BNC à direita permite que uma forma de onda arbitrária controle a carga no nível de 1A / V, por exemplo, com uma onda quadrada para aumentar a carga. Os dois resistores azul claro compreendem a rede de realimentação e estão em soquetes usinados para permitir que o ganho seja alterado sem solda. Atualmente, a unidade é alimentada por uma única célula de 9V.

Qualquer pessoa que deseje seguir meus passos de aprendizado encontrará a excelente ajuda que recebi de outros membros aqui:

• É sempre útil adicionar um capacitor entre as entradas do amplificador operacional?
• Cálculo do valor do resistor de porta para maior estabilidade da região ativa
• Como testar a estabilidade do amplificador operacional?
• Por que o LTSpice não prevê essa oscilação do amplificador operacional?
• O que pode ser inferido a partir da frequência em que um amplificador operacional está oscilando?
• Por que um passo menor mostra melhor a instabilidade?
• $R_o$
• Este Schottky fornece proteção contra transientes MOSFET?
• Por que ultrapassar 60% com margem de fase de 55 °?
• Como posso medir a capacitância da porta?

Estou completamente surpreso que um projeto simples como este tenha sido um motivador tão rico para o aprendizado. Ele me deu a oportunidade de estudar vários tópicos que seriam muito mais secos se realizados sem um objetivo concreto em mãos :)

Este é realmente um problema interessante, devido à variação da capacitância de carga efetiva com a resistência de carga devido ao Sr. Miller, e sua necessidade de não compensá-la demais.

Eu suspeito que um driver de saída BJT enviesado funcione bem - talvez 4 BJTs pequenos (2 conectados como diodos) alguns resistores de polarização mais alguns ohms de degeneração de emissor.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Se eu estivesse fazendo isso, seria tentado a lançar um amplificador mais robusto , mas ainda bastante barato, como um LM8261 .

Relatório de resultados

Ok, a história curta é: adicionar um buffer discreto funcionou! Dito isso, acho que não vou projetar meu circuito dessa maneira, seguirei a recomendação de @Spehro e @WhatRoughBeast e apenas utilizarei um amplificador operacional com maior capacidade de saída de corrente, basicamente com o estágio de buffer construído corretamente no amplificador operacional.

Aqui está o circuito que eu usei. Bem parecido com o que a @Spehro forneceu, mas na verdade exatamente o da folha de dados LH0002 que a @gsills recomendou. Basicamente, usava exatamente as mesmas peças (valor do resistor de polarização 5k em vez de 1k) apenas algumas conexões diferentes e ... a folha de dados dizia que o circuito tinha um ganho de corrente de 40.000 ; bem, minha ganância ganhou totalmente e decidi ir para a versão em duas etapas:

Simulou bem, então eu o montei em um veroboard de 5 x 7 bits e o instalei como uma placa filha no meu protótipo:

E pronto! bem próximo da subida de 1µs (1.120µs) e sólido como uma rocha sem ultrapassagem, de um pouco acima de 0V a 30V e passos atuais de 100mA a 2.5A.

A queda é um pouco mais longa em 1,42µs:

$Q$$R_o$ do amplificador operacional também ajuda com a solução.

Portanto, essa foi definitivamente uma rica experiência de aprendizado. Eu finalmente consegui colocar minha cabeça nos amplificadores BJT push-pull e estou muito satisfeito com o desempenho do circuito agora. Acho que posso ficar abaixo de 1µs ajustando o ganho para obter um pouco mais de largura de banda, talvez um ganho de 3 em vez de 4.

Dito isso, não acho que adicionar um estágio de driver discreto ao circuito de "produção" seja a melhor aposta, então pedi uma placa de avaliação e amostras do LM8261 @Spehro recomendadas. É definitivamente um impressionante amplificador operacional. Eu não sabia que havia um amplificador operacional capaz de gerar "capacitância ilimitada". A folha de dados mostra um circuito com 47nF, mais do que eu precisarei.

Então, vamos ver como isso acontece quando as peças chegarem :)

Embora eu concorde com Spehro, há algumas coisas em que acho que você deveria prestar atenção.

Primeiro, você DEVE adicionar alguns desacoplamentos à sua linha de energia. Uma bateria de 9 volts não terá o desempenho que você precisa. Tente cerca de 10 uF, tântalo, o mais próximo possível do amplificador. Pela imagem, parece que pode haver um eletrolítico cumprindo essa função, mas você não o mostra no seu esquema. Melhor ainda, obtenha um suprimento de 12 volts (de preferência linear) e desista totalmente das baterias. (Você ainda precisará desacoplar, lembre-se, mas pelo menos não precisa se preocupar com a bateria acabar.)

Segundo, tente conectar o terra do osciloscópio ao lado aterrado dos resistores de energia, em vez do fio de entrada. Isso não deve fazer uma grande diferença, mas é uma boa ideia de qualquer maneira.

Terceiro, Spehro está sendo muito gentil - seu amplificador operacional não fará o que você deseja. Primeiro, seu tempo de acomodação é listado entre 1,1 usec e 0,1%, e isso sem qualquer estágio externo. Segundo, seu portão está fornecendo uma carga de 370 pF na saída, e isso é provavelmente uma fonte de instabilidade. Com um tempo de assentamento nominal de 400 nsec, particularmente com uma carga especificada de 500 pF, o LM8261 é uma escolha muito melhor. Um cuidado, no entanto - a largura de banda mais larga do LM8261 permitirá a possibilidade de alguma outra fonte de oscilação; portanto, esteja preparado. O layout do seu PCB parece firme o suficiente para que isso não seja um problema, mas você nunca sabe.

Quarto, se você realmente deseja carregar uma fonte de 50 volts a 5 amperes, deve resignar-se a dissipar 250 watts. 30 watts é apenas uma ilusão. Isso quase certamente exigirá vários FETs e um dissipador de calor muito maior, provavelmente com resfriamento a ar forçado.

Apenas uma sugestão ... Eu estava procurando uma substituição do LM8261, no pacote SOT23-5, para acionar MOSFETS como IXTN90N25L (23nF Ciss) no modo linear. Encontrou o LM7321 com classificação de corrente de saída ainda mais alta e largura de banda semelhante à do LM8261. Obviamente, removendo a restrição SOT23-5, você poderá encontrar outros amplificadores operacionais de corrente de saída mais altos, basta usar a seleção ti.com.

Seguidores de emissor são famosos por oscilação com cargas capacitivas de cabo. Uma pequena série R pode torná-lo estável.

Eu começaria colocando um capacitor no resistor de realimentação R10. Em seguida, adicionando um divisor de resistor ao mosfet, com o objetivo de influenciar o mosfet quando ele inicia na região linear (triodo).

O raciocínio que tenho para isso é: extremamente muitos opamps oscilam sem um capacitor para limitar a largura de banda no loop de feedback. Pessoalmente, considero obrigatório mais frequentemente do que não.

Se o mosfet começa em sua região linear, o opamp tem a possibilidade de um bom ponto de partida, onde pode reagir lentamente às mudanças, em vez de atingir repentinamente uma tensão limite. Apenas faça a resistência grande.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}