Meningkatkan kisaran voltase kepatuhan untuk rangkaian pin-driver arus konstan dua kuadran variabel

Berikut ini adalah untuk pekerjaan hobi dan saya tidak punya niat komersial sama sekali. Hanya segelintir (dua?) Yang akan dibangun. (Saya menggunakan ini untuk pengujian bagian dan pembuatan kurva, meskipun dengan kesesuaian tegangan yang lebih tinggi saya mungkin menemukan lebih banyak kegunaan daripada sebelumnya.)

Saya mendapatkan rangkaian driver pin berikut, yang menyediakan hingga tegangan kepatuhan output sambil memberikan ke beban yang terhubung antara output driver pin dan ground . (Rel plus dan minus yang besar sekitar , dengan opamp rails di .) $\pm 50\:\textrm{V}$ $\pm 10\:\textrm{mA}$ $\pm 60\:\textrm{V}$ $\pm 15\:\textrm{V}$

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Kecepatan perubahan tegangan pada output untuk sirkuit di atas umumnya tidak lebih dari atau . (Saya menggerakkan input pada laju dengan urutan tidak lebih cepat dari , puncak ke puncak, dan seringkali lebih lambat dari itu.) $20\:\frac{\textrm{A}}{\textrm{s}}$ $100\:\frac{\textrm{mV}}{\mu\textrm{s}}$ $1\:\textrm{ms}$

Saya ingin memperluas tegangan kepatuhan ke dan mengurangi kemampuan drive saat ini ke suatu tempat dari hingga mungkin . (Tegangan laju perubahan tegangan kemudian naik menjadi dan ini mungkin juga menjadi perhatian.) $\pm 800\:\textrm{V}$ $\pm 500\:\mu\textrm{A}$ $\pm 1\:\textrm{mA}$ $1.6\:\frac{\textrm{V}}{\mu\textrm{s}}$

Mendapatkan rel pasokan tegangan tinggi yang dipasangkan dari bukan masalah. Tapi saya bisa mengambil melalui sebagai bagian pada dadu yang sama (BCM846S, dll.) Saya ingin tetap mencocokkan (dan mungkin bahkan .) Tapi sekarang telah naik "banyak" dan topologi yang sama tidak akan bekerja, karena saya tidak berpikir ada pasangan BJT yang cocok dengan semacam itu . Bahkan, saya tidak yakin ada PNT BJT diskrit yang mendekati apa yang ingin saya lihat. (NPN, mungkin. Tapi PNP?) $\pm 850\:\textrm{V}$ $Q_1$ $Q_4$ $V_{BE}$ $\beta$ $V_{CEO}$ $V_{CEO}$

Saya bisa membayangkan memasang pasangan voltase lain (dekat dengan voltase tinggi, tapi mungkin lebih dekat ke ground) dan menggunakan desain cascoded (menggunakan empat BJT lagi) untuk melindungi yang tinggi dan pasangan cermin serasi sisi rendah. Suplai tegangan tambahan itu tidak perlu menangani lebih dari atau sekitar itu, jadi mungkin tidak terlalu sulit untuk membangun keluar dari rel suplai tegangan tinggi yang baru. Tetapi jika ada / pemikiran lain yang lebih baik tentang topologi saya ingin mendengarnya. $40\:\textrm{V}$ $10\:\mu\textrm{A}$

Inilah yang saya maksud:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Apakah ada masalah yang saya rindukan pikirkan di sini, atau dapatkah saya berbuat lebih baik? Apakah ada yang punya saran dari setiap proses dengan FAB untuk BJT diskrit yang mungkin saya pertimbangkan untuk cascode di sini?

Saya juga tahu bahwa saya juga akan menghadapi masalah yang sama sekali berbeda terkait dengan izin dan rambat, yang tidak harus saya hadapi di sini sebelumnya. Itu topik yang berbeda, yang akan saya bahas secara terpisah dan nanti. Saat ini, saya fokus pada cara mendapatkan kesesuaian tegangan yang jauh lebih tinggi yang ingin saya capai.

Hanya demi kejelasan, jika tidak jelas, rangkaian adalah sumber arus terkontrol tegangan DC (VCCS) yang dapat tenggelam atau sumber arus ke beban yang diarde. (Satu telah digunakan untuk penelusuran kurva semikonduktor.) Tegangan input akan ke dalam beban yang di-ground. Tegangan input akan tenggelam dari beban yang di-ground. Gelombang segitiga tegangan, berosilasi dengan lancar antara dan akan menghasilkan gelombang segitiga saat ini menjadi beban yang berosilasi dengan lancar dari ke $-10\:\textrm{V}$ $500\:\mu\textrm{A}$ $+10\:\textrm{V}$ $500\:\mu\textrm{A}$ $-10\:\textrm{V}$ $+10\:\textrm{V}$ $+500\:\mu\textrm{A}$ $-500\:\mu\textrm{A}$ (apakah beban itu adalah dioda atau resistor.) Dan kepatuhan tegangan harus mendukung melakukan semua hal di atas dengan resistor sebagai beban. Kadang-kadang, itu akan dioperasikan dengan gelombang gergaji atau segitiga sebagai inputnya. Saya juga dapat mengoperasikannya dengan dan pada input kontrol (atau bahkan dengan antara dan pada input.) Perilaku harus monoton, keseluruhan. Frekuensi maksimum yang saya gunakan adalah , tapi saya bisa mengorbankan faktor 10 pada titik itu jika perlu. $1.5\:\textrm{M}\Omega$ $-1\:\textrm{V}$ $+1\:\textrm{V}$ $-100\:\textrm{mV}$ $+100\:\textrm{mV}$ $1\:\textrm{kHz}$

Sirkuit di atas juga baik untuk tujuan lain. Jika saya menghapus (dengan menggantinya dengan ) dan menggunakan input pembalik opamp sebagai node di mana saya bisa tenggelam atau sumber arus, dan jika saya juga kemudian menempatkan resistor presisi yang dikenal dari output ke ground. , maka tegangan bipolar pada output akan tergantung pada arus bipolar ke ground. $0\:\Omega$ $R_8$

Ini sebenarnya modul yang agak serbaguna.

bjt high-voltage current-source

— jonk
sumber

Apa yang seharusnya dilakukan op amp?

— Daniel

Apakah seharusnya mematikan tahap polaritas berlawanan dengan power rails ??

— Daniel

@Aniel Opamp baik tenggelam atau sumber arus ke beban yang melekat pada output. Dalam melakukan hal itu, ia harus sumber atau tenggelam arus dari rel pasokan. Jawaban saya di sini menunjukkan aplikasi lain yang "gila" dari gagasan itu: electronics.stackexchange.com/questions/256955/…

— jonk

@Daniel Jika masih belum jelas, perhatikan saja bahwa opamp menarik ke bawah pada basis node , atau dengan cara lain menarik ke atas pada basis node , dengan menenggelamkan atau sumber arus melalui . Dengan menarik simpul atas ke bawah, atau menarik simpul bawah ke atas, arus yang dihasilkan oleh dihapus dari simpul pembalik dan arus disuplai ke beban. Resistor memungkinkan saya untuk mengubah detail. hingga sangat penting dalam memasok arus rel ke opamp.

Q_{1} + Q_{3}

$Q_1+Q_3$

Q_{2} + Q_{4}

$Q_2+Q_4$

R_{7}

$R_7$

R_{8}

$R_8$

Q_{5}

$Q_5$

Q_{8}

$Q_8$

— jonk

keren ... Anda mencerminkan arus di sisi input, dan opamp menyesuaikan bahwa dengan menarik arus keluar dari rel tengah di atas atau bawah sesuai kebutuhan ... output transistor (serta yang di sisi input) berfungsi seperti resistor bernilai tinggi ... 800V / 500uA = ~ 1,6M ohm. Saya tidak memiliki latar belakang yang tepat untuk ini, tetapi itu akan mengejutkan saya sebagai salah satu elemen yang menjadi (sedikit) ekstrim. Jika beban Anda 1,5 juta maka saya kira Anda baik-baik saja? Transistor impedansi tinggi mengubah arus menyimpang, jika ada yang ditarik, menjadi tegangan yang cukup besar? apakah itu penting?

— pengguna

Jawaban:

Karena tidak ada lonjakan jawaban:

Seberapa sensitif aplikasi Anda terhadap riak (~ amplitudo, Anda telah menyebutkan bandwidth)?

Saya semakin mendapatkan perasaan Anda mungkin harus hanya memiliki transistor switching yang dikendalikan PWM dari sisi yang tinggi ke transistor switching yang dikendalikan PWM ke sisi yang rendah, tambahkan resistor indera arus dalam kisaran 3kΩ pada node di antara keduanya, diikuti oleh yang rendah -Lewati filter, dan arahkan DUT Anda dari sana.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Sekarang, Anda akan mengontrol sakelar ini berdasarkan posisi pulsa ketika arus melintasi Rmeas melintasi 1mA penuh (seperti yang diamati oleh D2). Kalibrasi mungkin (ok, akan) diperlukan, tetapi dengan asumsi bahwa pada tingkat switching mungkin 50 kHz benar-benar cukup untuk aplikasi ini (dan itu sudah tidak semudah itu, mengingat Anda perlu menggerakkan gerbang atau pangkalan yang tinggi). - dan saklar sisi rendah pada tingkat itu), MCU modern akan memenuhi tugas. Saya yakin Anda akan dapat menghasilkan desain analog yang mungkin lebih pintar daripada perangkat lunak yang saya usulkan (meskipun melakukannya dalam perangkat lunak, meskipun memiliki masalah kuantisasi, pasti akan membuatnya mudah untuk memasukkan data kalibrasi).

Saya memberi Rectifier * tanda bintang karena itu tidak benar-benar seperti saya sangat merekomendasikan Anda akan menggunakan penyearah jembatan dioda PN di sini - itu tidak akan berfungsi, karena arus dioda kemungkinan akan lebih besar daripada arus pengukuran. Penyearah presisi berbasis opamp pada pasokan mengambang mungkin menjadi solusi di sini (dan dapat dibangun, hemat biaya, dengan mengorbankan desain yang indah, dengan baterai ...). Bagaimanapun, seluruh penyearah - optocoupler - Sirkuit Zener benar-benar hanya ADC tegangan pengabaikan 1 bit; komparator jendela, atau bahkan IC amperemeter yang tepat dengan misalnya tautan optik digital ke MCU pengontrol mungkin akan lebih baik.

Jelas, LPF satu tahap (1.6kΩ ł 100nF) hanyalah pendekatan quick'n'dirty di sini; Namun, itu menunjukkan redaman besarnya -36dB pada frekuensi switching 50 kHz saya (dan tebakan saya adalah bahwa ini cukup untuk Anda) sementara mengandalkan nilai kapasitor yang masih tersedia sebagai kapasitor film untuk> 1kV dengan toleransi 5%.

Motivasi saya untuk ini adalah bahwa mungkin lebih mudah untuk mengatasi transistor switching dalam waktu yang cukup halus daripada mengontrol transistor secara linier dengan tegangan yang ada.

— Marcus Müller
sumber

Ini perilaku. Sirkuit saya sebenarnya. Mengubah sirkuit Anda dari sebuah konsep menjadi kenyataan ... adalah hal yang berbeda. Belum lagi saya menggunakan rangkaian saya untuk sapuan linier dan konsep ini malah akan meminta saya mematikan PWM. Dengan kemampuan untuk membunuh 1600 V dalam satu milidetik saya hanya bisa membayangkan frekuensi yang diperlukan sebagai "tinggi" untuk mendapatkan apa yang saya inginkan. Aku ingin tahu apa yang Anda bayangkan sebagai orang-orang switch ... jika MOSFET, saya melihat ayunan besar tegangan gerbang melalui kapasitansi besar dengan kecepatan tinggi dan takut yang kosong keluar dari saya.

— Jonk

Dan pertimbangkan memuat mungkin perangkat aneh yang ingin saya sapu. Itu berarti kapasitor besar (arus tetap, atau variabel, saat memantau tegangan) atau induktor (mulai dari nol dan ramping pada tingkat tertentu, sementara memantau tegangan.) Juga, saya dapat menggunakan sirkuit saya secara berlawanan, mempersingkat R8 seperti yang disebutkan dan menggunakan simpul itu sebagai titik dasar untuk menenggelamkan arus, dengan keluaran merespons sesuai dengan beban yang saya tempatkan di sana. Sirkuit yang sangat serbaguna. Apa yang Anda sarankan tampaknya jauh lebih terbatas dan kurang fleksibel. Dengan asumsi saya bisa mengetahui rincian sebenarnya melakukannya.

— Jonk

Dua hal: 1. Ya, ini sangat abstrak. Jika ada sedikit penilaian diri yang rasional dalam diri saya, itu memberi tahu saya bahwa saya seharusnya tidak menjadi orang yang mengusulkan sirkuit analog yang sebenarnya untuk Anda semua orang - ada 40 dB pengalaman mudah yang Anda miliki tentang saya. Kemudian: 2. Frekuensi switching dan kemiringan saat ini terbatas. Itu sebenarnya di mana saya memiliki sedikit kepercayaan pada apa yang saya tahu - jika sinyal output terbatas, tingkat di mana kita perlu menghasilkan sampel saat ini terbatas. Nyquist adalah temanmu! Pertanyaan tentang berapa banyak rentang dinamis yang Anda butuhkan kemudian menetapkan batas bawah untuk ...

— Marcus Müller

... seberapa halus Anda perlu membagi periode sampel menjadi pwm "slot". Dan dalam istilah itu hanya frekuensi di mana unit PWM perlu dijalankan dan transistor perlu beralih dalam kasus ekstrim. Sekarang, saya setuju, kecepatan switching pasangan MHz untuk MOSFET pada tegangan sumber-drain tidak akan berfungsi. Namun, kisaran kHz atas dengan CMOS memang terdengar layak

— Marcus Müller

Saya punya burung di tangan, jadi untuk berbicara. Saya cukup yakin bahwa modifikasi cascode minor akan bekerja untuk kebutuhan saya - tetapi tentu saja saya khawatir saya mungkin melewatkan beberapa detail penting. Ia bekerja sebagai penyerap arus pada input, menghasilkan tegangan pada output; atau sebagai tegangan pada input yang mengendalikan arus pada output. Atau kombo apa pun. Saya bisa menambahkan resistor yang dikenal di input, atau tidak. Saya dapat menambahkan resistor yang dikenal di output, atau tidak. Jadi saya -> I, I -> V, V -> I, atau V -> V. Saya menggunakannya sebagai rangkaian driver pin yang saya juga dapat kombinasikan untuk membuat driver pin yang serius.

— Jonk

Rangkaian Anda terlihat baik-baik saja .HV pnp BJTs akan sulit ditemukan. Saya menggunakan jenis 600V untuk pekerjaan lain, mereka murah dan mudah ditemukan dan dapat diandalkan. Anda dapat menghubungkannya dengan seri. Saya telah menghubungkan hingga 4 dari ini secara seri tanpa masalah. Selain itu Anda bisa pergi ke semua desain NPN seperti sesuatu yang didasarkan pada SRPP. Saya telah menggunakan 800 VN channel MOSFET 2 seri per kaki jembatan murah untuk membuat hingga +/- 500 VDC pada 1 Ma.

— Autis
sumber