Conception d'un étage de commande MOSFET * linéaire *

Je recherche un circuit de commande MOSFET pouvant être placé entre un ampli-op et un MOSFET de puissance pour faire fonctionner le transistor comme un amplificateur linéaire (par opposition à un commutateur).

Contexte

Je développe un circuit électronique de charge qui doit être capable de charger une charge en environ 1µs. La taille de pas la plus importante est petite, disons 100mA, bien qu'une fois que cela soit fait, je voudrais probablement aussi atteindre une grande vitesse de pas de signal de 2,5 A / µs. Il devrait être compatible avec des sources de 1 à 50 V et des courants de 0 à 5 A, et pourra dissiper environ 30 W.

Voici à quoi ressemble le circuit actuellement. Depuis que je suis apparu dans des questions précédentes, j'ai remplacé le MOSFET par le plus petit dispositif capacitif que j'ai pu trouver (IRF530N -> IRFZ24N) et je suis passé à un amplificateur opérationnel à bande passante relativement large et à taux de balayage élevé (LM358 -> MC34072). dans le territoire de la gelée. Je suis actuellement en train d’obtenir un gain d’environ 4 sur l’ampli opérationnel pour des raisons de stabilité, ce qui me donne une bande passante d’environ 1 MHz. Plus d'informations ci-dessous pour toute personne intéressée.

Le problème

Bien que le circuit fonctionne assez bien, le problème est que la stabilité est, enfin, pas stable :). Il n’oscille pas ou quoi que ce soit du genre, mais la réponse en échelon peut aller de suramplifié (pas de dépassement) à assez sous-amorti (20%). dépassement, trois bosses), en fonction de la source chargée. Des tensions plus faibles et des sources résistives sont problématiques.

Mon diagnostic est que la capacité d'entrée incrémentielle du MOSFET est sensible à la fois à la tension de la source en cours de chargement ainsi qu'à l'effet de Miller produit par toute résistance de source, ce qui produit en réalité un pôle "errant" de $R_o$$C_{gate}$

Ma solution consiste à introduire un étage de commande entre l'ampli-op et le MOSFET afin de présenter une impédance de sortie (résistance) beaucoup plus faible à la capacité de la grille, entraînant le pôle errant dans la plage de dizaines ou de centaines de MHz où faire du mal.

Dans la recherche de circuits de commande de MOSFET sur le Web, ce que je trouve suppose principalement que l’on veut "activer" ou désactiver complètement le MOSFET aussi rapidement que possible. Dans mon circuit, je veux moduler le MOSFET dans sa région linéaire. Donc, je ne trouve pas tout à fait la perspicacité dont j'ai besoin.

Ma question est la suivante: "Quel circuit de commande conviendrait-il pour moduler la conductivité du MOSFET dans sa région linéaire?"

J'ai vu Olin Lathrop mentionner en passant dans un autre message qu'il utiliserait de temps en temps un simple émetteur suiveur, mais que le message traitait d'autre chose, il s'agissait simplement d'une mention. J'ai simulé l'ajout d'un suiveur d'émetteur entre l'amplificateur opérationnel et la porte, ce qui a réellement fonctionné à merveille pour la stabilité en hausse; mais la chute s’est très mal déroulée et j’imagine que ce n’est pas aussi simple que je l’aurais espéré.

J'ai tendance à penser que j'ai besoin de quelque chose qui ressemble à un amplificateur complémentaire push-pull BJT, mais attendez-vous à ce qu'il existe des nuances qui distinguent un pilote MOSFET.

Pouvez-vous esquisser les paramètres approximatifs d'un circuit qui pourrait faire l'affaire dans ce cas?

Plus de fond pour les intéressés

Le circuit était à l'origine basé sur le kit de charge électronique Jameco 2161107, récemment arrêté. Le mien a maintenant environ 6 pièces de moins que son complément original :). Mon prototype actuel ressemble à ceci pour ceux qui, comme moi, s'intéressent à ce genre de chose :)

La source (généralement une alimentation sous test) est connectée à la prise banane / bornes sur le devant. Un cavalier à gauche du circuit imprimé sélectionne la programmation interne ou externe. Le bouton de gauche est un potentiomètre à 10 tours permettant de sélectionner une charge constante entre 0 et 3A. La BNC de droite permet à une forme d'onde arbitraire de contrôler la charge au niveau de 1A / V, par exemple, avec une onde carrée pour faire avancer la charge. Les deux résistances bleu clair constituent le réseau de contre-réaction et se trouvent dans des supports usinés pour permettre le changement de gain sans soudure. L'unité est actuellement alimentée par une seule cellule 9V.

Tous ceux qui souhaitent suivre mes traces d'apprentissage trouveront ici l'excellente aide que j'ai reçue d'autres membres:

• Est-il utile d’ajouter un condensateur entre les entrées d’un ampli op?
• Calcul de la valeur de la résistance de grille pour améliorer la stabilité de la région active
• Comment tester la stabilité de l'ampli op?
• Pourquoi LTSpice ne prévoit-il pas cette oscillation de l'op-amp?
• Que peut-on déduire de la fréquence à laquelle un amplificateur opérationnel oscille?
• Pourquoi le plus petit échelon montre-t-il mieux l'instabilité?
• $R_o$ pour un ampli op?
• Ce Schottky fournit-il une protection transitoire MOSFET?
• Pourquoi 60% de dépassement avec une marge de phase de 55 °?
• Comment puis-je mesurer la capacité de la grille?

Je suis vraiment étonné qu'un projet simple comme celui-ci ait été une motivation si riche pour l'apprentissage. Cela m’a donné l’occasion d’étudier un grand nombre de sujets qui auraient été tellement plus arides s’ils avaient été entrepris sans un objectif concret en main :)

C’est effectivement un problème intéressant, en raison de la variation de la capacité de charge effective avec la résistance de charge due à M. Miller, et de votre besoin de ne pas surcompenser.

Je soupçonne qu'un pilote de sortie push-pull BJT biaisé fonctionnerait correctement - peut-être 4 petits BJT (2 connectés sous forme de diodes) un couple de résistances de polarisation plus peut-être quelques ohms de dégénérescence de l'émetteur.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Si je faisais cela, je serais tenté de lancer un amplificateur plus costaud, mais quand même assez bon marché, comme un LM8261 à la place.

Rapport de résultats

D'accord, la nouvelle est la suivante: l'ajout d'un tampon discret a fonctionné! Cela dit, je ne pense pas que je vais concevoir mon circuit de cette façon, je vais plutôt suivre les recommandations de @Spehro et @WhatRoughBeast et utiliser simplement un ampli-op avec une capacité de sortie de courant plus élevée. dans l'ampli op.

Voici le circuit que j'ai utilisé. Assez similaire à celui fourni par @Spehro, mais en réalité exactement celui de la fiche technique LH0002 recommandé par @gsills. Fondamentalement, il utilisait exactement les mêmes pièces (valeur de résistance de polarisation 5k au lieu de 1k) avec seulement quelques connexions différentes, et ... la fiche technique indique que le circuit a un gain de courant de 40 000 ; eh bien, mon gain de cupidité a totalement pris le dessus et j'ai décidé d'opter pour la version en deux étapes:

Il simulait bien alors je l'ai construit sur une carte Veroboard de 5 x 7 et l'a installée en tant que carte fille sur mon prototype:

Et le tour est joué! Joliment sacrément près de 1µs de montée (1.120µs) et solide comme un rocher sans dépassement d'un peu plus de 0V à 30V et les pas actuels de 100mA à 2,5A.

La chute est un peu plus longue à 1,42µs:

$Q$$R_o$ de l'ampli op aide avec la solution aussi.

C'était donc une expérience d'apprentissage enrichissante. J'ai enfin eu la tête emballée autour des amplis BJT push-pull et je suis vraiment ravi de la performance du circuit. Je pense que je peux obtenir moins de 1µs en ajustant le gain pour obtenir un peu plus de bande passante, peut-être un gain de 3 au lieu de 4.

Cela dit, je ne pense pas que l’ajout d’un étage de pilote discret au circuit de «production» soit le meilleur choix. J’ai donc commandé une carte d’évaluation et des échantillons du LM8261 @Spehro recommandés. C'est vraiment un ampli op impressionnant. Je ne savais pas qu'il existait un ampli op capable de générer une "capacité illimitée". La fiche technique montre un circuit pilotant 47nF, ce qui est plus que nécessaire.

Nous verrons donc comment cela se passera une fois les pièces arrivées :)

Bien que je sois généralement d’accord avec Spehro, il ya quelques points sur lesquels vous devriez faire attention.

Tout d’abord, vous DEVEZ ajouter du découplage à votre ligne électrique. Une batterie de 9 volts ne produira pas les performances dont vous avez besoin. Essayez environ 10 uF, tantale, aussi proche que possible de l’ampli. D'après la photo, il semblerait qu'un électrolytique puisse remplir cette fonction, mais vous ne le montrez pas sur votre schéma. Encore mieux, obtenez une alimentation de 12 volts (de préférence linéaire) et abandonnez complètement les piles. (Vous aurez toujours besoin d'un découplage, mais au moins, vous n'avez pas à vous soucier de la charge de la batterie.)

Deuxièmement, essayez de connecter la mise à la terre de votre oscilloscope au côté des résistances de mise à la terre, plutôt qu’au fil d’entrée. Cela ne devrait pas faire une grande différence, mais c'est quand même une bonne idée.

Troisièmement, Spehro est trop doux - votre ampli op ne fera pas ce que vous voulez. Premièrement, son temps de stabilisation est indiqué comme étant de 1,1 usec à 0,1%, sans aucun stade extérieur. Deuxièmement, votre porte fournit une charge de 370 pF sur la sortie, ce qui est très probablement une source d’instabilité. Avec un temps de stabilisation nominal de 400 nsec, en particulier avec une charge spécifiée de 500 pF, le LM8261 est un bien meilleur choix. Attention, la large bande passante du LM8261 laisse entrevoir la possibilité d’une autre source d’oscillation. Soyez donc prêt. La disposition de votre circuit imprimé est suffisamment serrée pour que cela ne pose pas de problème, mais vous ne le savez jamais.

Quatrièmement, si vous souhaitez vraiment charger une alimentation de 50 volts à 5 ampères, vous devez vous résigner à dissiper 250 watts. 30 watts, c'est un voeu pieux. Cela nécessitera presque certainement plusieurs FET et un dissipateur thermique beaucoup plus grand, probablement avec un refroidissement par air forcé.

Juste une suggestion ... Je cherchais un remplaçant LM8261, en boîtier SOT23-5, pour piloter des MOSFETS tels que IXTN90N25L (23nF Ciss) en mode linéaire. Nous avons trouvé le LM7321 avec un courant nominal de sortie encore plus élevé et une bande passante similaire à celle du LM8261. Bien sûr, en supprimant la restriction SOT23-5, vous pouvez trouver d’autres amplificateurs opérationnels à courant de sortie plus élevé, utilisez simplement la sélection ti.com.

Les émetteurs suiveurs sont connus pour leurs oscillations avec des charges de câbles capacitifs. Une petite série R peut le rendre stable.

Je commencerais par coller un condensateur sur la résistance de réaction R10. Ensuite, ajouter un diviseur de résistance pour le MOSFET, afin de polariser le MOSFET quand il commence dans sa région linéaire (triode).

Mon raisonnement est le suivant: un très grand nombre d'opamps oscillent sans condensateur pour limiter la bande passante dans la boucle de retour. Personnellement, je le considère comme obligatoire le plus souvent.

Si le MOSFET démarre dans sa région linéaire, l'opamp a la possibilité d'un bon point de départ, où il peut réagir lentement aux changements au lieu d'atteindre soudainement un seuil de tension. Il suffit de faire la résistance grande.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}