Aumentar el rango de voltaje de cumplimiento para un circuito de controlador de clavija de corriente constante variable de dos cuadrantes

Lo siguiente es para el trabajo de aficionados y no tengo intenciones comerciales en absoluto. Solo se construirá un puñado (¿dos?). (Los uso para pruebas de piezas y generación de curvas, aunque con los cumplimientos de voltaje más alto puedo encontrar aún más usos que antes).

Tengo el siguiente circuito de controlador de pin, que proporciona hasta Voltaje de cumplimiento de salida mientras proporciona $\pm 50\:\textrm{V}$ a una carga conectada entre la salida del controlador de pin y tierra. (Los rieles más y menos más grandes son aproximadamente $\pm 10\:\textrm{mA}$ , con los rieles opamp a $\pm 60\:\textrm{V}$ ) $\pm 15\:\textrm{V}$

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Las velocidades de rotación en la salida para el circuito anterior generalmente no son más de o $20\:\frac{\textrm{A}}{\textrm{s}}$ . (Conduzco la entrada a tasas del orden de no más rápido que $100\:\frac{\textrm{mV}}{\mu\textrm{s}}$ , pico a pico, y a menudo más lento que eso). $1\:\textrm{ms}$

Me gustaría ampliar los voltajes de cumplimiento a y reduzca la capacidad de conducción actual en algún lugar de $\pm 800\:\textrm{V}$ a quizás $\pm 500\:\mu\textrm{A}$ . (La velocidad de respuesta de voltaje luego aumenta a $\pm 1\:\textrm{mA}$ esto también puede ser una preocupación). $1.6\:\frac{\textrm{V}}{\mu\textrm{s}}$

Obtener los rieles de suministro de alto voltaje emparejados de no es el problema. Pero pude recoger a como partes en el mismo dado (BCM846S, etc.) Me gustaría mantener la coincidencia de (y tal vez incluso .) Pero ahora el ha subido "mucho" y la misma topología no va a trabajar, ya que no creo que hay pares emparejados de CUALQUIER BJT con ese tipo de . De hecho, no estoy seguro de ningún PNP BJT discreto que se acerque a lo que me gustaría ver. (NPN, tal vez. ¿Pero PNP?) $\pm 850\:\textrm{V}$ $Q_1$ $Q_4$ $V_{BE}$ $\beta$ $V_{CEO}$ $V_{CEO}$

Me imagino configurando otro par de rieles de voltaje (cerca de los rieles de alto voltaje, pero quizás más cerca del suelo) y usando un diseño con casco (usando cuatro BJT más) para proteger los pares de espejos emparejados de lado alto y bajo. Ese suministro de voltaje adicional no necesitaría manejar más de $40\:\textrm{V}$ o alrededor, por lo que puede que no sea tan difícil construir con los nuevos rieles de suministro de alto voltaje. Pero si hay otras / mejores ideas sobre la topología, me gustaría escucharlas. $10\:\mu\textrm{A}$

Esto es lo que quiero decir:

esquemático

^{simular este circuito}

¿Hay algún problema en el que no haya pensado aquí, o puedo hacerlo mejor? ¿Alguien tiene alguna sugerencia de algún proceso por parte de alguna FAB para BJT discretos que pueda considerar para los cascodes aquí?

También sé que también enfrentaré problemas completamente diferentes relacionados con los espacios libres y la fuga, que no tuve que enfrentar aquí antes. Sin embargo, ese es un tema diferente, que abordaré por separado y más adelante. En este momento, estoy enfocado en cómo obtener los cumplimientos de voltaje significativamente más altos que me gustaría lograr.

En aras de la claridad, en caso de que no sea obvio, el circuito es una fuente de corriente controlada por voltaje de CC (VCCS) que se hunde o genera corriente en una carga conectada a tierra. (Un uso ha sido para el trazado de curvas de semiconductores). Un voltaje de entrada de generaría $-10\:\textrm{V}$ en la carga a tierra. Un voltaje de entrada de $500\:\mu\textrm{A}$ hundiría $+10\:\textrm{V}$ de la carga a tierra. Una onda triangular de voltaje, que oscila suavemente entre $500\:\mu\textrm{A}$ y $-10\:\textrm{V}$ generaría una onda triangular actual en una carga que oscila suavemente desde $+10\:\textrm{V}$ a $+500\:\mu\textrm{A}$ (ya sea que esa carga fuera un diodo o una resistencia). Y el cumplimiento de voltaje debería permitir hacer todo lo anterior con un $-500\:\mu\textrm{A}$ Resistencia como carga. En ocasiones, será operado con una onda de diente de sierra o triángulo como entrada. También puedo operarlo con entre $1.5\:\textrm{M}\Omega$ y $-1\:\textrm{V}$ en la entrada de control (o incluso con $+1\:\textrm{V}$ y $-100\:\textrm{mV}$ en la entrada.) El comportamiento debe ser monótono, en todo momento. La frecuencia máxima que uso es de $+100\:\textrm{mV}$ , pero puedo sacrificar un factor de 10 en ese punto si es necesario. $1\:\textrm{kHz}$

Los circuitos anteriores también son buenos para otro propósito. Si elimino (reemplazándolo con ) y use la entrada inversora del opamp como un nodo en el que puedo hundirme o generar corriente, y si también coloco una resistencia de precisión conocida desde la salida a tierra, entonces el voltaje bipolar en la salida dependerá de La corriente bipolar a tierra. $0\:\Omega$ $R_8$

En realidad es un módulo bastante versátil.

bjt high-voltage current-source

— jonk
fuente

¿Qué se supone que debe hacer el amplificador operacional?

— Daniel

¿Se supone que apaga la etapa de polaridad opuesta con los rieles de alimentación?

— Daniel

@Daniel El opamp se hunde o genera corriente en la carga conectada a la salida. Al hacerlo, debe generar o hundir la corriente de los rieles de suministro. Mi respuesta aquí muestra otra aplicación "loca" de la idea: electronics.stackexchange.com/questions/256955/…

— jonk

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

genial ... estás reflejando la corriente en el lado de entrada, y el opamp lo está ajustando al extraer la corriente del riel intermedio en la parte superior o inferior según sea necesario ... los transistores de salida (así como los que están en el lado de entrada) funcionan como resistencias de alto valor ... 800V / 500uA = ~ 1.6M ohm. No tengo el fondo adecuado para esto, pero eso me parecería un elemento que se vuelve (un poquito) extremo. Si su carga es de 1.5M, entonces supongo que está bien. Los transistores de alta impedancia convierten las corrientes parásitas, si se extrajeron, en voltajes bastante grandes. ¿eso importa?

— usuario

Respuestas:

Como no hay una avalancha de respuestas:

¿Cuán sensible es su aplicación a la ondulación (~ amplitud, ya mencionó el ancho de banda)?

Progresivamente tengo la sensación de que quizás debería tener un transistor de conmutación controlado por PWM desde el lado alto a otro transistor de conmutación controlado por PWM al lado bajo, agregue una resistencia de detección de corriente en el rango de 3 kΩ en el nodo entre estos dos, seguido de un bajo -pase filtro, y maneje su DUT a partir de eso.

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Ahora, controlaría estos interruptores en función de la posición del pulso cuando la corriente a través de Rmeas cruza el 1 mA completo (como se observa en D2). La calibración podría (ok, será) necesaria, pero suponiendo que a una velocidad de conmutación de quizás 50 kHz es totalmente suficiente para esta aplicación (y eso ya no es tan fácil, considerando que necesita conducir las compuertas o bases de la alta - y el interruptor de lado bajo a esa velocidad), los MCU modernos estarán a la altura de la tarea. Estoy seguro de que podría llegar a un diseño analógico que podría ser más inteligente que mi software propuesto (aunque hacerlo en software, a pesar de tener problemas de cuantificación, definitivamente facilitará la incorporación de datos de calibración).

Le di al Rectificador * un asterisco porque no es realmente como si realmente recomiendo que use un rectificador de puente de diodo PN aquí, eso no funcionará, ya que las corrientes de diodo probablemente serán más grandes que las corrientes de medición. Un rectificador de precisión basado en opamp en un suministro flotante podría ser la solución aquí (y podría construirse, de manera rentable, a expensas de un diseño hermoso, con una batería ...). En cualquier caso, todo el rectificador - optoacoplador - circuito Zener es realmente solo un ADC de voltaje de ignorar signos de 1 bit; un comparador de ventanas, o incluso un amperímetro IC apropiado con, por ejemplo, un enlace óptico digital a la MCU de control, probablemente funcionaría mejor.

Obviamente, el LPF de una etapa RC (1.6kΩ ł 100nF) es solo un enfoque rápido y sucio aquí; sin embargo, exhibe una atenuación de magnitud -36dB a mi frecuencia de conmutación de 50 kHz (y supongo que esto es suficiente para usted) mientras confía en un valor de condensador que todavía está disponible como un condensador de película para> 1kV con una tolerancia del 5%.

Mi motivación para esto es que probablemente sea más fácil abordar los transistores de conmutación de una manera temporizada lo suficientemente fina que controlar los transistores de manera suficientemente lineal a los voltajes disponibles.

— Marcus Müller
fuente

Esto es de comportamiento. Mi circuito es actual. Convertir su circuito de un concepto en realidad ... es una cosa diferente. Sin mencionar que uso mi circuito para barridos lineales y este concepto en cambio me haría matar a PWM. Con la capacidad de producir 1600 V en un milisegundo, solo puedo imaginar la frecuencia requerida como "alta" para obtener lo que quiero. Me gustaría saber lo que usted se imagina que esos interruptores ... si MOSFETs, veo enormes oscilaciones de la tensión de puerta a través de grandes capacidades a alta velocidad y que asusta el blanco fuera de mí.

— jonk

Y considere que las cargas pueden ser cualquier dispositivo extraño que quiera barrer. Eso significa grandes condensadores (corrientes fijas, o variables, mientras se controla el voltaje) o inductores (que comienzan en cero y aumentan a una velocidad específica, mientras se controla el voltaje). Además, puedo usar mi circuito en sentido opuesto, acortando R8 como se mencionó y usando ese nodo como un punto de tierra para hundir la corriente, con la salida respondiendo en consecuencia con una carga que coloco allí. Es un circuito sorprendentemente versátil. Lo que sugieres parece mucho más limitado y menos versátil. Suponiendo que pudiera resolver los detalles de hacerlo realmente.

— jonk

Dos cosas: 1. Sí, esto es muy abstracto. Si alguna vez hubo un poco racional de autoevaluación en mí, que me dice que no debería ser el que propone circuitos analógicos real para que de todas las personas - no hay un fácil 40 dBexperience que tiene sobre mí. Entonces: 2. Esa frecuencia de conmutación y la pendiente actual son limitadas. Ahí es donde confío un poco en lo que sé: si la señal de salida está limitada en la banda, la velocidad a la que necesitamos generar muestras actuales está limitada. Nyquist es tu amigo! La pregunta de cuánto rango dinámico necesita, establece un límite inferior para ...

— Marcus Müller

... qué tan finamente necesita dividir el período de muestra en "ranuras" pwm. Y eso en términos es solo la frecuencia a la que una unidad pwm necesitaría funcionar y un transistor necesitaría cambiar en el caso extremo. Ahora, estoy de acuerdo, un par de velocidades de conmutación de MHz para un MOSFET a estos voltajes de fuente de drenaje no funcionará. Sin embargo, el rango superior de kHz con CMOS parece factible

— Marcus Müller el

Tengo un pájaro en la mano, por así decirlo. Estoy bastante seguro de que la modificación menor del cascode funcionará para mis necesidades, pero, por supuesto, me preocupa haber perdido algunos detalles importantes. Funciona como un sumidero de corriente en la entrada, produciendo un voltaje en la salida; o como un voltaje en la entrada que controla una corriente en la salida. O cualquier combo. Puedo agregar una resistencia conocida en la entrada, o no. Puedo agregar una resistencia conocida en la salida, o no. Entonces I -> I, I -> V, V -> I, o V -> V. Lo uso como un circuito de controlador de pin que también puedo combinar para crear un controlador de pin serio.

— jonk

Su circuito se ve bien .HV pnp BJTs será difícil de encontrar. Utilizo tipos de 600V para otros trabajos, son baratos y fáciles de encontrar y confiables. Puede conectarlos en serie. He conectado hasta 4 de estos en serie sin ningún tipo de problemas. De lo contrario, podría ir a un diseño de NPN como algo basado en un SRPP. He utilizado mosfets de canal 800 VN baratos 2 series por pata de puente para hacer hasta +/- 500 VDC a 1 Ma.

— Autista
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