Comutador MOSFET com Tempo de Liquidação Rápido para Comutação de Campo E

Aplicação: Eu tenho uma malha de cobre (10 cm x 10 cm quadrado) em uma câmara de vácuo conectada a um conector BNC por um fio de cobre de 24 cm de comprimento. O objetivo é mudar a tensão da malha (referenciada ao terra) de 8 V para ~ 0 V rapidamente. (Isso mudará o campo elétrico na câmara, que é um mecanismo de controle para nossos experimentos de física atômica.) É essencial que, aproximadamente 500 ns após o início da comutação, o sinal se estabilize em <10 mV (~ <0,1%). A malha está flutuando; não é terminado na câmara.

Problema: Há uma "corcunda" na parte inferior do meu pulso quadrado invertido. Eu preciso achatá-lo.

Circuito: Eu estabeleci um circuito de comutação MOSFET simples:

Descrição: o MOSFET ( ZVN2110A-ND , modo de aprimoramento de canal N ) é acionado por um driver IRS2117PBF-ND , que gera um pulso positivo de 15 V. A linha de base desse pulso de disparo flutua no V_S, que é vinculado ao V_LO por um pequeno resistor. A malha está conectada ao ponto B. O filtro passa-baixo de saída foi uma tentativa de corrigir o problema. Todos os valores do resistor foram determinados experimentalmente (isto é, usando inicialmente potenciômetros). O resultado foi conectado usando um estilo "dead-bug" em um painel revestido de cobre.

Detalhes da sonda: Para simular a malha, soldei um fio de 24 cm a um pedaço de placa perf revestida de cobre e o conectei à saída do circuito (Ponto B). Testei o sinal na placa perf com uma sonda Tektronix ( 500 MHz, 8,0 pF, 10MOhm, 10x ) em um escopo Tektronix ( escopo digital TDS3012 100 MHz ).

Observações: Comuta rápido o suficiente (embora eu possa acelerar com a remoção do filtro), a amplitude e a duração do toque são toleráveis, mas na escala de tempo de microssegundos ( essencial ), há uma grande "corcunda" e queda / queda de 20 mV (rotulado na imagem pela linha vermelha). Isso é inaceitavelmente grande e torna impossível realizar nossos experimentos, que ocorrem desde o momento da troca até cerca de 10 microssegundos após a troca.

Detalhes de Aplicação: Utilizamos campos elétricos para sintonizar ressonâncias atômicas em nossos experimentos. A varredura do campo elétrico aplicado aos átomos nos permite registrar um "espectro" dessas ressonâncias, mostrando sua localização e forma. As larguras e separações dessas ressonâncias são da ordem de 1-10 mV / cm (muito pequenas!). Para aplicar o campo elétrico, colocamos os átomos entre duas peças planas de malha de cobre, separadas por 1 cm. O campo E entre as peças de malha de cobre é apenas a diferença de potencial entre as peças de malha (diferença de 1 V igual a 1 V / cm de campo E, uma conversão de 1 para 1). Ao coletar um espectro, amostramos um valor do campo E alternando para a tensão correspondente e aguardando alguns microssegundos antes da detecção. Se a tensão (e, portanto, o campo E) deriva durante o período de amostragem mais do que o tamanho das ressonâncias (<10 mV), a resolução é degradada até o ponto em que nossa imagem do espectro fica embaçada além do reconhecimento.

Pensamentos adicionais: Considerei a possibilidade de o MOSFET estar esquentando, alterando assim sua resistência (normalmente ~ 4 Ohms). Para testar isso, tentei duas coisas: (1) colocando dois MOSFETs em paralelo e (2) substituindo o ZVN2110A por um MOSFET IRF1010EZ que possui uma resistência muito menor (100 mOhm). Nem tudo ajudou, a "corcunda" ainda tem 20 mV e ainda dura alguns microssegundos. Parece-me que aumentar o resistor de pull-up (como sugerido nos comentários) também pode ajudar, então vou tentar isso.

Atualização 1: Tentei aumentar o resistor de pull-up de 470 Ohms para 10 kOhms. Não houve efeito na saída; ainda possui a "corcova" de 20 mV após o toque inicial.

Atualização 2: Desconectar o fio de "mock-up" + malha do circuito e apalpar o ponto B diretamente não afeta o sinal medido.

Atualização 3: Abaixo estão os traços para os pontos correspondentes no esquema acima:

Parece que a "corcunda" também aparece no pulso do portão. O ponto "D", próximo ao FET, não parece diferente de sondar a malha.

Atualização 4: eu (1) aumentou o resistor de pull-up para 1kOhm, (2) removi o resistor de filtragem de 1000pF, (3) desconecte a malha, (4) adicionei dois capacitores eletrolíticos de 470uF "jam can" aos trilhos e (5) substituiu o gerador de pulsos por um mais rápido (Agilent 33250A). Novos esquemas e traços:

Mesmo com um pulso de disparo mais rápido para o driver FET, o problema permanece. As tampas de "jam can" parecem filtrar algumas oscilações de alta frequência, mas a "corcunda" permanece.

Se você observar a frequência característica da corcunda, ela é da ordem de 100s de KHz. a única coisa nesse circuito que tem um polo dominante nessa faixa serão as fontes de alimentação. Olhe para o trilho inferior e veja se ele se correlaciona com a corcunda.

Eu apostaria que a corcova, como você chama, é causada pela capacitância da malha e pela indutância / impedância do cabo de 24 cm. Aqui estão algumas coisas para tentar:

1. Reduza o comprimento do cabo de 24 cm. Isso reduzirá a indutância / impedância do cabo e permitirá uma descarga mais rápida da malha.

2. Faça o cabo de 24 cm mais grosso. Mesmo conceito que o nº 1.

3. Mova o MOSFET para a direita próximo à grade, dentro da câmara. Mesmo conceito que o nº 1, mas levado ao extremo.

4. Qualquer fio que esteja carregando a corrente de descarga da malha deve ser o mais curto e grosso possível. Isso inclui qualquer fio terra.

Algumas delas, talvez a maioria, serão impraticáveis ​​durante as "operações científicas", mas valem a pena de qualquer maneira, apenas para ajudar a diminuir de onde vem essa corcunda.

Pode ser instrutivo saber o que a tensão estava fazendo (a) na rede, (b) no resistor conectado ao ponto "b", (c) bem no dreno do FET e, finalmente, (d) em o portão do FET. Pode ser indutância / capacitância na fiação, mas pode ser o FET fazendo algo diferente do que esperamos.

Gostaria de saber se você poderia acionar a rede diretamente do IRS2117, pois nem sua tensão nem sua corrente são extremas. Um driver de porta foi projetado para direcionar a carga capacitiva da porta do FET, e essa parece ser a natureza do problema original.

Finalmente, se você precisar ir ao extremo, pode ser necessário algum tipo de esquema de loop de controle, no qual você tem uma fonte negativa e na verdade direciona a saída negativa até chegar a zero (isso puxa a corrente das grades) ... então você traz um linha de feedback da saída para controlar esse circuito de acionamento, de modo que ele aplique a unidade certa para obter esse comportamento.

Edit : Acabei de notar V LO. Que voltagem é essa? Acho que a maior parte da minha resposta foi embora ...

Primeiro, presumo que você esteja medindo o sinal de interesse no ponto B do seu circuito.

Segundo, presumo que você tenha calculado a constante de tempo RC com a qual seu circuito deve lidar - minhas estimativas são (para ligações diretas curtas fora do sistema de vácuo): C ~ 100pF, R ~ 600 Ohms, portanto, t ~ 0,1usec. Para atingir 0,1% do sinal, é necessário ~ 7 constantes de tempo ou ~ 0,7 us.

Um problema com o circuito, conforme indicado, é que a capacidade de saída do MOSFET é de 25pF, a capacidade de entrada é de 75pF e a capacidade de transferência é de 8pF. Além disso, a taxa do portão que deve ser removida é 1n Coloumb.

Como você observou, a saída do gerador de sinal está sendo transferida através do driver para a entrada e depois para a saída do MOSFET. Além disso, a maioria dos geradores de pulsos não alcança um zero volts verdadeiro em seus tempos de queda nominais - o tempo geralmente é especificado entre 90% e 10%.

Uma solução melhor é usar um gate CD4010UB para substituir o driver e o MOSFET - conecte o gerador de sinal à entrada do gate e a saída do gate ao resistor de 600 Ohm conectado ao ponto B. Infelizmente, o '10 provavelmente não está mais disponível - Não consegui encontrar um com uma pesquisa.

A "segunda melhor parte" seria o inversor hexadecimal CD4009UB (disponível na Digikey p / n 292-2030-J-ND $ 0,55).

O 'truque' é que a peça possui conexões de fonte de alimentação separadas para as seções de entrada e saída dos portões. A conexão de entrada (Vdd) deve ser definida com a tensão mais alta necessária na saída e a conexão de saída (Vcc) definida de 0 a Vdd.

Apesar da folha de dados, usei essa configuração com Vcc de -0,3V a Vdd sem nenhum problema.

Você precisará ajustar o resistor de 600 Ohm para compensar a resistência interna do gate - ~ 200 Ohms - ou poderá paralelizar todas as seis entradas do gate e suas saídas. Se você não paralelo aos outros cinco portões, deve conectar as entradas ao Vdd - não deixe que elas flutuem.

Há uma alta probabilidade de você estar medindo a recuperação de sobrecarga do seu escopo. Considere a captura de tela do escopo abaixo:

A tensão medida pelo traço azul não existe . Como você pode ver, no lado esquerdo da tela, o traço saiu da tela e cortou o opamp de alta velocidade dentro do front end analógico do osciloscópio. Isso causa todo tipo de maldade, como aquecimento diferencial no estágio de entrada, perturbação de pontos de polarização, etc. Como resultado, o opamp precisa de várias dezenas de milissegundos para se acalmar ... incrível para um chip que tem centenas de MHz de largura de banda. não é?

Leia o material bônus (fundo rosa) neste documento de Jim Williams:

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

Não estou dizendo que esse é o culpado, mas é provável. Quando os clipes de rastreamento, mesmo para um µs, o escopo não deve ser confiável. Qualquer circuito linear que prenda, ou se aproxime do recorte, mesmo por um período extremamente curto (como 1ns), não pode ser confiável para precisão ou assentamento até que tenhamos certeza absoluta de que tudo esfriou, toda carga armazenada em cada capacitor de integração retornou ao valor nominal. valor, etc ...

Isso inclui um opamp que entra na limitação da taxa de giro, a propósito. O tempo de recuperação é o tempo de acomodação mencionado na folha de dados e é muito mais longo após o giro do que após o processamento de um pulso de giro limitado da mesma amplitude. Observe que o tempo de acomodação especificado da folha de dados geralmente implica que o opamp NÃO grampeou!

Para medir o tempo de acomodação, você precisará de medidas especiais, provavelmente um comutador analógico para permitir que a tensão seja medida apenas algumas dezenas de nanossegundos DEPOIS de estar dentro da faixa do osciloscópio ...

Você também pode usar um bom opamp de precisão (especificado para um tempo de acomodação rápido e preciso, muito mais rápido do que o que você está tentando medir) e diodos limitadores na rede de feedback. Diminua a velocidade da comutação MOSFET até que nenhum pico perturbe o opamp.

Pelo mesmo motivo, o nivelamento do pulso de saída do gerador de pulsos não pode ser medido com o escopo.

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

Diverta-se! Quando as notas de aplicativo de Jim Williams precisam ser trazidas, você sabe que está com problemas! Essas são questões muito delicadas ...