Diseño de una etapa de controlador * lineal * MOSFET

Estoy buscando un circuito controlador MOSFET que se pueda colocar entre un amplificador operacional y un MOSFET de potencia para operar el transistor como un amplificador lineal (en lugar de un interruptor).

Fondo

Estoy desarrollando un circuito de carga electrónica que debe ser capaz de subir una carga en aproximadamente 1 µs. El tamaño de paso más importante es pequeño, digamos 100 mA, aunque una vez que lo resuelva probablemente me gustaría alcanzar también una gran velocidad de paso de señal de 2.5A / µs. Debe acomodar fuentes de 1 a 50V, corrientes de 0 a 5A, y podrá disipar aproximadamente 30W.

Así es como se ve el circuito en la actualidad. Desde que aparecí en las preguntas anteriores, he reemplazado el MOSFET con el dispositivo de capacitancia más pequeño que pude encontrar (IRF530N -> IRFZ24N), y me mudé a un amplificador operacional razonablemente amplio de banda ancha y alta velocidad de rotación (LM358 -> MC34072) en territorio de gominolas. Actualmente estoy ejecutando una ganancia de aproximadamente 4 en el amplificador operacional para fines de estabilidad, lo que me da un ancho de banda cercano a 1MHz. Más antecedentes a continuación para cualquier persona interesada.

El problema

Si bien el circuito funciona razonablemente bien, el problema ahora es que la estabilidad es, bueno, no estable :) No oscila ni nada por el estilo, pero la respuesta escalonada puede variar de sobreamortiguado (sin sobreimpulso) a bastante amortiguado (20% sobreimpulso, tres golpes), dependiendo de la fuente que se está cargando. Las fuentes de baja tensión y resistivas son problemáticas.

Mi diagnóstico es que la capacitancia de entrada incremental del MOSFET es sensible tanto al voltaje de la fuente que se está cargando como al efecto Miller producido por cualquier resistencia de la fuente, y que esto produce en efecto un polo "errante" desde del amplificador operacional interactuando con el dependiente de la fuente del MOSFET.C g a t $R_o$$C_{gate}$

Mi estrategia de solución es introducir una etapa de controlador entre el amplificador operacional y el MOSFET para presentar una impedancia de salida (resistencia) mucho menor a la capacitancia de la puerta, conduciendo el polo errante hacia el rango de decenas o cientos de MHz donde no puede hacer algún daño

Al buscar circuitos de controlador MOSFET en la web, lo que encuentro en su mayoría supone que uno quiere "encender" o apagar completamente el MOSFET lo más rápido posible. En mi circuito, quiero modular el MOSFET en su región lineal. Así que no estoy encontrando la idea que necesito.

Mi pregunta es: "¿Qué circuito controlador podría ser adecuado para modular la conductividad del MOSFET en su región lineal?"

Vi a Olin Lathrop mencionar de pasada en otra publicación que usaría un simple seguidor de emisor para algo como esto de vez en cuando, pero la publicación era sobre otra cosa, por lo que era solo una mención. Simulé agregar un seguidor de emisor entre el amplificador operacional y la compuerta y realmente funcionó de maravilla para la estabilidad del aumento; pero la caída fue muy intensa, así que me imagino que no es tan simple como podría haber esperado.

Me inclino a pensar que necesito algo más o menos como un amplificador push-pull BJT complementario, pero espero que haya matices que distingan a un controlador MOSFET.

¿Puedes esbozar los parámetros aproximados de un circuito que podría funcionar en este caso?

Más antecedentes para los interesados

El circuito se basó originalmente en el kit de carga electrónica Jameco 2161107, recientemente descontinuado. El mío ahora tiene alrededor de 6 partes menos que su complemento original :). Mi prototipo actual se ve así para aquellos que, como yo, están interesados ​​en ese tipo de cosas :)

La fuente (generalmente una fuente de alimentación bajo prueba) está conectada a la clavija banana / postes de unión en el frente. Un puente a la izquierda de la PCB selecciona la programación interna o externa. La perilla de la izquierda es un bote de 10 vueltas que permite seleccionar una carga constante entre 0-3A. El BNC de la derecha permite que una forma de onda arbitraria controle la carga al nivel de 1A / V, por ejemplo, con una onda cuadrada para subir la carga. Las dos resistencias de color azul claro comprenden la red de retroalimentación, y están en zócalos mecanizados para permitir que se cambie la ganancia sin soldar. La unidad está alimentada actualmente por una sola celda de 9V.

Cualquiera que desee rastrear mis pasos de aprendizaje encontrará la excelente ayuda que he recibido de otros miembros aquí:

• ¿Alguna vez es útil agregar un condensador entre las entradas del amplificador operacional?
• Cálculo del valor de resistencia de compuerta para mejorar la estabilidad de la región activa
• ¿Cómo probar la estabilidad del amplificador operacional?
• ¿Por qué LTSpice no predice esta oscilación del amplificador operacional?
• ¿Qué se puede inferir de la frecuencia con la que oscila un amplificador operacional?
• ¿Por qué el paso más pequeño muestra mejor la inestabilidad?
• ¿Cómo determino para un amplificador operacional?$R_o$
• ¿Este Schottky proporciona protección transitoria MOSFET?
• ¿Por qué un exceso de 60% con un margen de fase de 55 °?
• ¿Cómo puedo medir la capacitancia de la puerta?

Estoy completamente sorprendido de que un proyecto simple como este haya sido tan motivador para el aprendizaje. Me ha dado la oportunidad de estudiar una serie de temas que habrían sido mucho más secos si se hubieran llevado a cabo sin un objetivo concreto en la mano :)

Este es de hecho un problema interesante, debido a la variación de la capacidad de carga efectiva con la resistencia de carga debido al Sr. Miller, y su necesidad de no compensarlo en exceso.

Sospecho que un controlador de salida BJT push-pull polarizado funcionaría bien, tal vez 4 BJT pequeños (2 conectados como diodos), un par de resistencias de polarización más tal vez un par de ohmios de degeneración del emisor.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Si estuviera haciendo esto, estaría tentado a lanzar un amplificador más robusto, pero aún bastante económico, como un LM8261 .

Informe de resultados

Bien, la historia corta es: ¡agregar un búfer discreto funcionó! Dicho esto, no creo que diseñe mi circuito de esta manera, sino que seguiré con la recomendación de @Spehro y @WhatRoughBeast y simplemente usaré un amplificador operacional con mayor capacidad de salida de corriente, básicamente con la etapa de buffer construida correctamente en el amplificador operacional.

Aquí está el circuito que usé. Bastante similar al que proporcionó @Spehro, pero en realidad es exactamente el que está en la hoja de datos LH0002 que recomendó @gsills. Básicamente usó exactamente las mismas partes (valor de resistencia de polarización 5k en lugar de 1k) solo unas pocas conexiones diferentes, y ... la hoja de datos decía que el circuito tenía una ganancia de corriente de 40,000 ; bueno, mi codicia de ganancia se hizo cargo por completo y decidí optar por la versión de dos etapas:

Simuló muy bien, así que lo construí en un veroboard de 5 x 7 bits y lo instalé como una placa hija en mi prototipo:

¡Y voilá! bastante cerca de un aumento de 1 µs (1.120 µs) y sólido como una roca sin sobreimpulso desde un poco por encima de 0V hasta 30V y pasos actuales de 100mA a 2.5A.

La caída es un poco más larga a 1,42 µs:

$Q$$R_o$ del amplificador operacional también ayuda con la solución.

Así que esta fue definitivamente una rica experiencia de aprendizaje. Finalmente pude entender realmente los amplificadores BJT push-pull y estoy realmente satisfecho con el rendimiento del circuito ahora. Creo que puedo obtener menos de 1 µs ajustando la ganancia para obtener un poco más de ancho de banda, tal vez una ganancia de 3 en lugar de 4.

Dicho esto, no creo que agregar una etapa de controlador discreto al circuito de "producción" sea la mejor opción, por lo que he ordenado una placa de evaluación y muestras del LM8261 @Spehro recomendado. Definitivamente es un impresionante amplificador operacional. No sabía que existía algo así como un amplificador operacional que pudiera conducir "capacitancia ilimitada". La hoja de datos muestra un circuito que conduce a 47nF, que es más de lo que necesitaré.

Entonces veremos cómo va eso una vez que lleguen las partes :)

Aunque generalmente estoy de acuerdo con Spehro, hay algunas cosas a las que creo que debes prestarle atención.

Primero, DEBE agregar un poco de desacoplamiento a su línea de alimentación. Una batería de 9 voltios no tendrá el rendimiento que necesita. Pruebe unos 10 uF, tantalio, lo más cerca posible del amplificador. De la imagen, parece que puede haber un electrolítico que cumple esta función, pero no lo muestra en su esquema. Aún mejor, obtenga un suministro de 12 voltios (preferiblemente lineal) y abandone las baterías por completo. (Todavía necesitará desacoplarse, pero al menos no tiene que preocuparse por la batería baja).

En segundo lugar, intente conectar su alcance a tierra al lado de tierra de las resistencias de potencia, en lugar del cable de entrada. Esto no debería hacer una gran diferencia, pero de todos modos es una buena idea.

Tercero, Spehro está siendo demasiado gentil: su amplificador operacional no hará lo que quiere. Primero, su tiempo de estabilización se enumera como 1.1 usec a 0.1%, y eso sin ninguna etapa exterior. En segundo lugar, su puerta proporciona una carga de 370 pF en la salida, y esto es muy probable que sea una fuente de inestabilidad. Con un tiempo de sedimentación nominal de 400 nseg, particularmente con una carga especificada de 500 pF, el LM8261 es una opción mucho mejor. Sin embargo, una advertencia: el ancho de banda más amplio del LM8261 permitirá la posibilidad de alguna otra fuente de oscilación, así que prepárese. El diseño de su pcb se ve lo suficientemente ajustado como para que esto no sea un problema, pero nunca se sabe.

Cuarto, si realmente espera cargar un suministro de 50 voltios a 5 amperios, debe resignarse a disipar 250 vatios. 30 vatios es solo una ilusión. Esto casi seguramente requerirá múltiples FET y un disipador térmico mucho más grande, probablemente con enfriamiento por aire forzado.

Solo una sugerencia ... Estaba buscando un reemplazo LM8261, en el paquete SOT23-5, para manejar MOSFETS como IXTN90N25L (23nF Ciss) en modo lineal. Encontré el LM7321 con una clasificación de corriente de salida aún mayor y un ancho de banda similar al LM8261. Por supuesto, al eliminar la restricción SOT23-5, puede encontrar otros amplificadores operacionales de corriente de salida más altos, solo use la selección ti.com.

Los seguidores del emisor son conocidos por la oscilación con cargas de cable capacitivo. Una pequeña serie R puede hacerlo estable.

Comenzaría pegando un condensador sobre la resistencia de retroalimentación R10. Luego, agregue un divisor de resistencia para el mosfet, con el fin de sesgar el mosfet cuando comience en su región lineal (triodo).

El razonamiento que tengo para esto es: extremadamente muchos opamps oscilan sin un condensador para limitar el ancho de banda en el circuito de retroalimentación. Personalmente lo considero obligatorio la mayoría de las veces.

Si el mosfet comienza en su región lineal, el opamp tiene la posibilidad de un buen punto de partida, donde puede reaccionar lentamente a los cambios en lugar de alcanzar repentinamente un voltaje de umbral. Solo haz que la resistencia sea grande.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}