Sakelar MOSFET dengan Waktu Penyelesaian Cepat untuk Memindah Bidang-E

Aplikasi: Saya memiliki jaring tembaga (10cm x 10cm persegi) di ruang vakum yang terhubung ke konektor BNC oleh kawat tembaga sepanjang 24 cm. The Tujuan adalah untuk beralih tegangan mesh (direferensikan ke tanah) dari 8 V ke ~ 0 V dengan cepat. (Ini akan mengganti medan listrik dalam ruang, yang merupakan mekanisme kontrol untuk eksperimen fisika atom kami.) Sangat penting bahwa sekitar 500 ns setelah switching dimulai, sinyal mengendap <10 mV (~ <0,1%). Jaringnya mengambang; itu tidak berakhir di kamar.

Masalah: Ada "punuk" di bagian bawah pulsa kuadrat terbalik saya. Saya perlu meratakannya.

Sirkuit: Saya telah memilih sirkuit switching MOSFET yang sederhana:

Deskripsi: MOSFET ( ZVN2110A-ND , Mode Peningkatan N-Channel ) digerakkan oleh driver IRS2117PBF-ND , yang menghasilkan pulsa positif 15 V. Baseline pulsa pemicu ini mengapung di V_S, yang terikat ke V_LO oleh resistor kecil. Mesh terhubung ke Titik B. Filter low-pass keluaran adalah upaya memperbaiki masalah. Semua nilai resistor ditentukan secara eksperimental (yaitu dengan awalnya menggunakan potensiometer). Hasilnya terprogram menggunakan gaya "bug mati" pada papan berpakaian tembaga.

Rincian Probe: Untuk mensimulasikan mesh, saya menyolder kawat 24 cm ke sepotong papan perf berlapis tembaga dan menghubungkannya ke output sirkuit (Titik B). Saya memeriksa sinyal pada papan perf dengan probe Tektronix ( 500 MHz, 8.0 pF, 10MOhm, 10x ) ke dalam lingkup Tektronix ( TDS3012 100 MHz lingkup digital ).

Pengamatan: Ini beralih cukup cepat (meskipun saya bisa mempercepatnya dengan menghapus filter), amplitudo dering dan durasinya dapat ditoleransi, tetapi pada skala waktu ( penting ) mikrodetik, ada "punuk" besar dan terkulai / terkelupas dari 20 mV (berlabel gambar dengan garis merah). Ini sangat besar dan tidak memungkinkan untuk melakukan percobaan kami, yang berlangsung dari saat peralihan hingga sekitar 10 mikrodetik setelah peralihan.

Detail Aplikasi: Kami menggunakan medan listrik untuk menyetel resonansi atom dalam percobaan kami. Memindai medan listrik yang diterapkan pada atom memungkinkan kita merekam "spektrum" resonansi ini yang menunjukkan lokasi dan bentuknya. Lebar dan pemisahan resonansi ini berada pada urutan 1-10 mV / cm (sangat kecil!). Untuk menerapkan medan listrik, kami menempatkan atom di antara dua potongan tembaga pipih, dipisahkan oleh 1 cm. E-field antara potongan-potongan mesh tembaga hanya perbedaan potensial antara potongan-potongan mesh (perbedaan 1 V sama dengan 1 V / cm E-field, konversi 1-ke-1). Dalam mengumpulkan spektrum, kami mengambil sampel nilai medan-E dengan beralih ke voltase yang sesuai dan menunggu beberapa mikrodetik sebelum deteksi. Jika tegangan (dan dengan demikian medan-E) melayang selama periode pengambilan sampel lebih dari ukuran resonansi (<10 mV) resolusi terdegradasi ke titik di mana gambar spektrum kami menjadi kabur tidak dapat dikenali.

Pikiran Tambahan: Saya telah mempertimbangkan kemungkinan bahwa MOSFET sedang memanas, dengan demikian mengubah resistensi-nya (biasanya ~ 4 Ohm). Untuk menguji ini, saya mencoba dua hal: (1) menempatkan dua MOSFET secara paralel, dan (2) mengganti ZVN2110A dengan IRF1010EZ MOSFET yang memiliki daya tahan jauh lebih rendah (100 mOhm). Tidak ada yang membantu, "punuk" masih 20 mV dan masih berlangsung beberapa mikrodetik. Tampak bagi saya bahwa meningkatkan resistor pull-up (seperti yang disarankan dalam komentar) juga bisa membantu, jadi saya akan mencoba ini.

Pembaruan 1: Saya telah mencoba meningkatkan resistor pull-up dari 470 Ohms menjadi 10 kOhms. Tidak ada efek pada output; masih memiliki 20 mV "punuk" setelah dering awal.

Pembaruan 2: Melepaskan kabel "mock-up" + mesh dari sirkuit dan menyelidik Point B secara langsung tidak berpengaruh pada sinyal yang diukur.

Pembaruan 3: Di bawah ini adalah jejak untuk titik-titik yang sesuai dalam skema di atas:

Tampaknya seolah-olah "punuk" muncul di pulsa gerbang juga. Titik "D" tepat di dekat FET tidak terlihat berbeda dari menyelidiki jala.

Pembaruan 4: Saya telah (1) meningkatkan resistor pull-up menjadi 1kOhm, (2) menghapus resistor penyaringan 1000pF, (3) memutus sambungan, (4) menambahkan dua "jam kaleng" 470uF kapasitor elektrolit ke rel, dan (5) mengganti generator pulsa dengan yang lebih cepat (Agilent 33250A). Skema dan jejak baru:

Bahkan dengan pulsa pemicu yang lebih cepat untuk driver FET, masalahnya tetap ada. Tutup "kemacetan" tampaknya memang menyaring osilasi frekuensi tinggi, tetapi "punuk" tetap ada.

Jika Anda melihat frekuensi karakteristik bonggol itu ada di urutan 100-an KHz. satu-satunya hal di sirkuit yang memiliki kutub dominan dalam rentang itu adalah pasokan daya. Lihatlah rel yang lebih rendah dan lihat apakah itu berkorelasi dengan punuk.

Saya berani bertaruh bahwa punuk, seperti Anda menyebutnya, disebabkan oleh kapasitansi mesh dan induktansi / impedansi dari kabel 24 cm. Berikut ini beberapa hal untuk dicoba:

1. Kurangi panjang kabel 24 cm. Ini akan mengurangi induktansi / impedansi kabel dan memungkinkan pelepasan mesh lebih cepat.

2. Buat kabel 24 cm lebih tebal. Konsep yang sama dengan # 1.

3. Pindahkan MOSFET tepat di sebelah kisi, di dalam ruang. Konsep yang sama dengan # 1, tetapi diambil secara ekstrem.

4. Setiap kawat yang membawa arus pelepasan mesh harus sesingkat dan setebal mungkin. Ini termasuk semua kabel ground.

Beberapa di antaranya, mungkin sebagian besar, akan menjadi tidak praktis untuk dilakukan selama "operasi ilmiah", tetapi mereka tetap layak dilakukan hanya untuk membantu mempersempit dari mana punuk itu berasal.

Mungkin penting untuk mengetahui apa yang dilakukan tegangan (a) di grid, (b) pada resistor yang terhubung ke titik "b", (c) tepat di saluran FET, dan akhirnya, (d) di gerbang FET. Mungkin induktansi / kapasitansi di kabel, tetapi mungkin FET melakukan sesuatu selain yang kita harapkan.

Saya ingin tahu apakah Anda dapat mengarahkan grid langsung dari IRS2117, karena baik tegangan maupun arus Anda tidak ekstrim. Pengemudi gerbang dirancang untuk menggerakkan muatan kapasitif dari gerbang FET, dan ini tampaknya merupakan sifat dari masalah aslinya.

Akhirnya, jika Anda harus bertindak ekstrem, beberapa jenis skema loop kontrol mungkin diperlukan, di mana Anda memiliki pasokan negatif dan benar-benar menggerakkan output negatif hingga mencapai nol (ini menarik arus dari grid) ... maka Anda membawa garis umpan balik dari output untuk mengontrol sirkuit mengemudi ini sehingga berlaku hanya drive yang tepat untuk mendapatkan perilaku ini.

Sunting : Saya baru melihat V LO. Tegangan apa itu? Saya pikir sebagian besar jawaban saya hilang begitu saja ...

Pertama, saya berasumsi bahwa Anda mengukur sinyal yang menarik pada titik B di sirkuit Anda.

Kedua, saya berasumsi bahwa Anda telah menghitung konstanta waktu RC yang harus dihadapi sirkuit Anda - perkiraan saya adalah (untuk sadapan langsung pendek di luar sistem vakum): C ~ 100pF, R ~ 600 Ohm, oleh karena itu t ~ 0.1usec. Untuk mencapai 0,1% dari sinyal membutuhkan ~ 7 konstanta waktu atau ~ 0.7usec.

Masalah dengan sirkuit, seperti yang diberikan, adalah bahwa kapasitas output dari MOSFET adalah 25pF, kapasitas input adalah 75pF dan kapasitas transfer adalah 8pF. Juga, biaya gerbang yang harus dihapus adalah 1n Coloumb.

Seperti yang telah Anda catat, output generator sinyal sedang ditransfer melalui driver ke input dan kemudian ke output MOSFET. Juga sebagian besar generator pulsa tidak mencapai volt nol sejati pada waktu jatuh yang diperingkat - waktu biasanya ditentukan sebagai 90% hingga 10% waktu.

Solusi yang lebih baik adalah dengan menggunakan gerbang CD4010UB untuk menggantikan driver dan MOSFET - hubungkan generator sinyal ke input gerbang dan output gerbang ke resistor 600 Ohm yang terpasang pada titik B. Sayangnya '10 mungkin tidak lagi tersedia - Saya tidak dapat menemukan satu dengan pencarian.

Bagian 'terbaik kedua' adalah inverter hex CD4009UB (tersedia dari Digikey p / n 292-2030-J-ND $ 0,55).

'Trik' adalah bahwa bagian tersebut memiliki koneksi catu daya terpisah untuk bagian input dan output gerbang. Koneksi input (Vdd) harus diatur ke tegangan tertinggi yang Anda perlukan pada output dan koneksi output (Vcc) yang diatur dari 0 ke Vdd.

Terlepas dari lembar data, saya telah menggunakan konfigurasi ini dengan Vcc dari -0.3V ke Vdd tanpa masalah.

Anda harus menyesuaikan resistor 600 Ohm untuk mengimbangi resistansi internal gerbang - ~ 200 Ohm - atau Anda dapat memparalelkan semua enam gerbang input dan outputnya. Jika Anda tidak memparalelkan lima gerbang lainnya, Anda harus menghubungkan input mereka ke Vdd - jangan biarkan mereka melayang.

Ada kemungkinan besar Anda mengukur pemulihan kelebihan lingkup Anda. Pertimbangkan tangkapan layar lingkup di bawah ini:

Tegangan yang diukur dengan jejak biru tidak ada . Seperti yang Anda lihat, di sisi kiri layar, jejaknya hilang dari layar dan memotong opamp kecepatan tinggi di dalam frontend analog scope. Hal ini menyebabkan semua jenis nastiness, seperti pemanasan diferensial pada tahap input, mengganggu titik bias, dll. Akibatnya, opamp membutuhkan beberapa puluh milidetik untuk menyelesaikan ... luar biasa untuk sebuah chip yang memiliki bandwidth ratusan MHz, bukan bukan?

Baca hal-hal bonus (latar belakang merah muda) dalam dokumen Jim Williams ini:

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

Saya tidak mengatakan ini adalah pelakunya, tetapi kemungkinan besar. Ketika melacak klip, bahkan untuk μs, ruang lingkupnya seharusnya tidak dipercaya. Setiap rangkaian linier yang klip, atau mendekati kliping, bahkan untuk waktu yang sangat singkat (seperti 1ns), tidak dapat dipercaya untuk presisi atau penyelesaian sampai kami benar-benar yakin semuanya telah dingin, setiap muatan yang tersimpan di setiap kapasitor pengintegrasi telah kembali ke nominal nilai, dll ...

Ini termasuk opamp yang membatasi laju perubahan tegangan. Waktu pemulihan adalah waktu penyelesaian yang disebutkan dalam lembar data, dan ini jauh lebih lama setelah slewing daripada setelah memproses pulsa slew-limited dengan amplitudo yang sama. Harap perhatikan datasheet waktu penyelesaian yang ditentukan biasanya menyiratkan klip opamp DID NOT!

Untuk mengukur waktu penyelesaian Anda, Anda akan memerlukan langkah-langkah khusus, kemungkinan besar saklar analog hanya membiarkan tegangan diukur melalui beberapa puluh nanodetik SETELAH berada di dalam jangkauan lingkup ...

Anda juga dapat menggunakan opamp presisi yang baik (ditentukan untuk waktu penyelesaian yang cepat dan akurat, jauh lebih cepat dari apa yang Anda coba ukur) dan membatasi dioda dalam jaringan umpan balik. Perlambat sakelar MOSFET sampai tidak ada duri yang mengganggu opamp.

Untuk alasan yang sama, kerataan pulsa output generator pulsa Anda tidak dapat diukur dengan ruang lingkup.

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

Selamat bersenang-senang! Ketika catatan aplikasi Jim Williams perlu dimasukkan, Anda tahu Anda dalam masalah! Ini adalah masalah yang sangat rumit ...