Commutateur MOSFET avec temps de stabilisation rapide pour la commutation du champ E

Application: J'ai une maille de cuivre (10 cm x 10 cm carré) dans une chambre à vide reliée à un connecteur BNC par un fil de cuivre de 24 cm de long. Le but est de faire passer rapidement la tension de maille (référencée à la masse) de 8 V à ~ 0 V. (Cela commutera le champ électrique dans la chambre, qui est un mécanisme de contrôle pour nos expériences de physique atomique.) Il est essentiel qu'environ 500 ns après le début de la commutation, le signal se stabilise à <10 mV (~ <0,1%). Le maillage flotte; il n'est pas terminé dans la chambre.

Problème: il y a une "bosse" au bas de mon pouls carré inversé. J'ai besoin de l'aplatir.

Circuit: Je me suis installé sur un simple circuit de commutation MOSFET:

Description: le MOSFET ( ZVN2110A-ND , mode d'amélioration du canal N ) est piloté par un pilote IRS2117PBF-ND , qui émet une impulsion positive de 15 V. La ligne de base de cette impulsion de déclenchement flotte sur V_S, qui est liée à V_LO par une petite résistance. Le maillage est connecté au point B. Le filtre passe-bas de sortie était une tentative de résolution du problème. Toutes les valeurs de résistance ont été déterminées expérimentalement (c'est-à-dire en utilisant initialement des potentiomètres). Le résultat a été câblé en utilisant un style "dead-bug" sur une carte plaquée cuivre.

Détails de la sonde: Pour simuler le maillage, j'ai soudé un fil de 24 cm à un morceau de carte perforée cuivrée et l'ai connecté à la sortie du circuit (point B). J'ai sondé le signal sur la carte de perf avec une sonde Tektronix ( 500 MHz, 8,0 pF, 10MOhm, 10x ) dans un oscilloscope Tektronix ( oscilloscope numérique TDS3012 100 MHz ).

Observations: Il bascule assez rapidement (bien que j'aie pu l'accélérer en retirant le filtre), l'amplitude et la durée de la sonnerie sont tolérables, mais sur l' échelle de temps microsecondes ( essentielle ), il y a une grande "bosse" et un affaissement / affaissement de 20 mV (étiquetés dans l'image par une ligne rouge). Ceci est d'une taille inacceptable et rend impossible de faire nos expériences, qui ont lieu à partir du moment de la commutation jusqu'à environ 10 microsecondes après la commutation.

Détails de l'application: Nous utilisons des champs électriques pour régler les résonances atomiques dans nos expériences. Le balayage du champ électrique appliqué aux atomes nous permet d'enregistrer un "spectre" de ces résonances montrant leur emplacement et leur forme. Les largeurs et séparations de ces résonances sont de l'ordre de 1-10 mV / cm (très petites!). Pour appliquer le champ électrique, nous plaçons les atomes entre deux morceaux plats de maille de cuivre, séparés de 1 cm. Le champ E entre les morceaux de maille de cuivre n'est que la différence de potentiel entre les morceaux de maille (une différence de 1 V équivaut à un champ E de 1 V / cm, une conversion de 1 à 1). Lors de la collecte d'un spectre, nous échantillonnons une valeur de champ E en passant à la tension correspondante et en attendant quelques microsecondes avant la détection. Si la tension (et donc le champ E) dérive pendant la période d'échantillonnage plus que la taille des résonances (<10 mV), la résolution est dégradée au point où notre image spectrale devient floue au-delà de la reconnaissance.

Réflexions supplémentaires: j'ai envisagé la possibilité que le MOSFET chauffe, changeant ainsi sa résistance à l'état passant (normalement ~ 4 Ohms). Pour tester cela, j'ai essayé deux choses: (1) placer deux MOSFET en parallèle, et (2) remplacer le ZVN2110A par un MOSFET IRF1010EZ qui a une résistance à la marche beaucoup plus faible (100 mOhm). Aucune des choses n'a aidé, la "bosse" est toujours de 20 mV et dure encore quelques microsecondes. Il me semble que l'augmentation de la résistance de pull-up (comme suggéré dans les commentaires) pourrait également aider, donc je vais essayer cela.

Mise à jour 1: j'ai essayé d'augmenter la résistance de pull-up de 470 Ohms à 10 kOhms. Il n'y a eu aucun effet sur la sortie; il a toujours la "bosse" de 20 mV après la sonnerie initiale.

Mise à jour 2: la déconnexion du fil + maille "maquette" du circuit et le sondage direct du point B n'ont aucun effet sur le signal mesuré.

Mise à jour 3: ci-dessous sont des traces pour les points correspondants dans le schéma ci-dessus:

Il semble que la "bosse" apparaisse également sur l'impulsion de la porte. Le point "D" juste à côté du FET ne semble pas différent de la sonde du maillage.

Mise à jour 4: j'ai (1) augmenté la résistance de pull-up à 1kOhm, (2) retiré la résistance de filtrage de 1000pF, (3) déconnecté le maillage, (4) ajouté deux condensateurs électrolytiques de 470uF "jam can" aux rails, et (5) a remplacé le générateur d'impulsions par un générateur plus rapide (Agilent 33250A). Nouveau schéma et traces:

Même avec une impulsion de déclenchement plus rapide pour le pilote FET, le problème persiste. Les bouchons "jam can" semblent filtrer certaines oscillations à haute fréquence, mais la "bosse" reste.

Si vous regardez la fréquence caractéristique de la bosse, elle est de l'ordre de 100 kHz. la seule chose n ce circuit qui a un pôle dominant dans cette gamme sera les alimentations. Regardez le rail inférieur et voyez s'il est en corrélation avec la bosse.

Je parierais que la bosse, comme vous l'appelez, est causée par la capacité du maillage et l'inductance / impédance du câble de 24 cm. Voici quelques choses à essayer:

1. Réduisez la longueur du câble de 24 cm. Cela réduira l'inductance / l'impédance du câble et permettra une décharge plus rapide du maillage.

2. Rendre le câble de 24 cm plus épais. Même concept que le n ° 1.

3. Déplacez le MOSFET juste à côté de la grille, à l'intérieur de la chambre. Même concept que le n ° 1, mais poussé à l'extrême.

4. Tout fil transportant le courant de décharge du treillis doit être aussi court et épais que possible. Cela inclut tous les fils de terre.

Certaines d'entre elles, peut-être la plupart, ne seront pas pratiques à faire pendant les "opérations scientifiques", mais elles valent quand même la peine de s'efforcer de préciser d'où vient cette bosse.

Il pourrait être instructif de savoir ce que la tension faisait (a) sur le réseau, (b) à la résistance connectée au point "b", (c) juste au drain du FET, et enfin, (d) à la porte du FET. Il peut s'agir d'une inductance / capacité dans le câblage, mais il se peut que le FET fasse autre chose que ce que nous attendons.

Je me demande si vous pourriez piloter le réseau directement depuis l'IRS2117, car ni votre tension ni votre courant ne sont extrêmes. Un pilote de porte est conçu pour piloter la charge capacitive de la porte du FET, et cela semble être la nature du problème d'origine.

Enfin, si vous devez aller à l'extrême, une sorte de schéma de boucle de contrôle peut être nécessaire, où vous avez une alimentation négative et conduisez réellement la sortie négative jusqu'à ce qu'elle atteigne zéro (cela tire le courant des grilles) ... alors vous apportez un ligne de rétroaction à partir de la sortie pour contrôler ce circuit de commande afin qu'il applique juste le bon variateur pour obtenir ce comportement.

Edit : je viens de remarquer V LO. Quelle tension est-ce? Je pense que la plupart de ma réponse est partie ...

D'abord, je suppose que vous mesurez le signal d'intérêt au point B de votre circuit.

Deuxièmement, je suppose que vous avez calculé la constante de temps RC à laquelle votre circuit doit faire face - mes estimations sont (pour les fils directs courts à l'extérieur du système de vide): C ~ 100pF, R ~ 600 Ohms, donc t ~ 0,1usec. Pour atteindre 0,1% du signal, il faut environ 7 constantes de temps ou environ 0,7 seconde.

Un problème avec le circuit, comme indiqué, est que la capacité de sortie du MOSFET est de 25pF, la capacité d'entrée est de 75pF et la capacité de transfert est de 8pF. En outre, la charge de porte qui doit être supprimée est de 1n Coloumb.

Comme vous l'avez noté, la sortie du générateur de signal est transférée via le pilote à l'entrée puis à la sortie du MOSFET. De plus, la plupart des générateurs d'impulsions n'atteignent pas un vrai zéro volt dans leur temps de chute nominal - le temps est généralement spécifié comme le temps de 90% à 10%.

Une meilleure solution consiste à utiliser une porte CD4010UB pour remplacer à la fois le pilote et le MOSFET - connectez le générateur de signaux à l'entrée de la porte et la sortie de la porte à la résistance de 600 Ohms attachée au point B.Malheureusement, le '10 n'est probablement plus disponible - Je n'ai pas pu en trouver un avec une recherche.

La «deuxième meilleure» partie serait l'onduleur hexagonal CD4009UB (disponible auprès de Digikey réf. 292-2030-J-ND 0,55 $).

L'astuce est que la pièce a des connexions d'alimentation séparées pour les sections d'entrée et de sortie des portes. La connexion d'entrée (Vdd) doit être réglée sur la tension la plus élevée dont vous aurez besoin sur la sortie et la connexion de sortie (Vcc) réglée de 0 à Vdd.

Malgré la fiche technique, j'ai utilisé cette configuration avec Vcc de -0,3V à Vdd sans problème.

Vous devrez ajuster la résistance de 600 Ohms pour compenser la résistance interne de la porte - ~ 200 Ohms - ou vous pourriez mettre en parallèle les six entrées de la porte et leurs sorties. Si vous ne mettez pas en parallèle les cinq autres portes, vous devez connecter leurs entrées à Vdd - ne les laissez pas flotter.

Il est fort probable que vous mesuriez la récupération de surcharge de votre oscilloscope. Considérez la capture d'écran de la portée ci-dessous:

La tension mesurée par la trace bleue n'existe pas . Comme vous pouvez le voir, sur le côté gauche de l'écran, la trace est sortie de l'écran et a coupé l'ampli opspeed à l'intérieur du frontend analogique de l'oscilloscope. Cela provoque toutes sortes de méchancetés, comme le chauffage différentiel dans l'étage d'entrée, le bouleversement des points de polarisation, etc. En conséquence, l'ampli op a besoin de plusieurs dizaines de millisecondes pour s'installer ... n'est-ce pas?

Lisez les bonus (fond rose) dans ce document de Jim Williams:

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

Je ne dis pas que c'est le coupable, mais c'est probable. Lorsque la trace se coupe, même pour un µs, la portée ne doit pas être approuvée. Tout circuit linéaire qui se clipse, ou s'approche de l'écrêtage, même pendant un temps extrêmement court (comme 1 ns), ne peut pas être fiable pour la précision ou la stabilisation jusqu'à ce que nous soyons absolument sûrs que tout s'est refroidi, chaque charge stockée dans chaque condensateur d'intégration est revenue à la valeur nominale valeur, etc ...

Cela inclut un ampli-op qui entre dans la limitation de la vitesse de balayage, soit dit en passant. Le temps de récupération est le temps de stabilisation mentionné dans la fiche technique, et il est beaucoup plus long après le pivotement qu'après le traitement d'une impulsion à balayage limité de même amplitude. Veuillez noter que le temps de stabilisation spécifié dans la fiche technique implique généralement que l'ampli-tuner N'A PAS clip

Afin de mesurer votre temps de stabilisation, vous aurez besoin de mesures spéciales, très probablement un interrupteur analogique pour ne laisser la tension être mesurée que sur quelques dizaines de nanosecondes APRÈS qu'elle soit dans la plage de l'oscilloscope ...

Vous pouvez également utiliser un ampli-op de bonne précision (spécifié pour un temps de stabilisation rapide et précis, beaucoup plus rapide que ce que vous essayez de mesurer) et des diodes de limitation dans le réseau de rétroaction. Ralentissez la commutation MOSFET jusqu'à ce qu'aucun pic ne perturbe l'ampli-op.

Pour la même raison, la planéité de l'impulsion de sortie de votre générateur d'impulsions ne peut pas être mesurée avec l'oscilloscope.

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

S'amuser! Lorsque des notes d'application Jim Williams doivent être apportées, vous savez que vous êtes en difficulté! Ce sont des questions très délicates ...