* 선형 * MOSFET 드라이버 스테이지 설계

트랜지스터를 선형 증폭기 (스위치가 아닌)로 작동시키기 위해 연산 증폭기와 전력 MOSFET 사이에 배치 할 수있는 MOSFET 드라이버 회로를 찾고 있습니다.

배경

약 1µs의 부하를 밟을 수 있어야하는 전자 부하 회로를 개발 중입니다. 가장 중요한 스텝 크기는 100mA로 작지만 일단 해결되면 2.5A / µs의 큰 신호 스텝 속도를 달성하고 싶을 것이다. 1 ~ 50V의 소스, 0 ~ 5A의 전류를 수용해야하며 약 30W를 분산시킬 수 있습니다.

회로가 현재 보이는 모습은 다음과 같습니다. 이전 질문에 나타난 이후로 MOSFET을 찾을 수있는 가장 작은 캐패시턴스 장치 (IRF530N-> IRFZ24N)로 대체했으며 머무는 동안 상당히 넓은 대역폭, 높은 슬 루율 연산 증폭기 (LM358-> MC34072)로 이동했습니다. 젤리 빈 영토에서. 나는 현재 안정성을 위해 연산 증폭기에서 약 4의 이득을 실행하고 있는데, 이는 1MHz 부근의 대역폭을 제공합니다. 관심있는 사람을위한 아래의 추가 배경.

문제

회로가 합리적으로 잘 수행되는 동안 문제는 안정성이 안정적이지 않다는 것입니다. 로드되는 소스에 따라 오버 슈트, 3 개의 범프). 낮은 전압 및 저항 소스는 문제가됩니다.

내 진단은 MOSFET의 증분 입력 커패시턴스가로드되는 소스의 전압과 소스 저항에 의해 생성 된 밀러 효과에 하며, 연산 증폭기의 에서 "방황"극을 생성 입니다. MOSFET 의 소스 종속 와 상호 작용합니다 .C g a t $R_o$$C_{gate}$

내 솔루션 전략은 op-amp와 MOSFET 사이에 드라이버 스테이지를 도입하여 게이트 커패시턴스에 훨씬 더 낮은 출력 임피던스 (저항)를 제공하여 방황 극을 수십 또는 수백 MHz 범위로 구동 할 수없는 해를 끼치십시오.

웹에서 MOSFET 드라이버 회로를 검색 할 때, 대부분 내가 찾은 것은 가능한 빨리 MOSFET을 완전히 "켜거나 끄고 싶다"고 가정합니다. 회로 에서 선형 영역의 MOSFET 을 변조 하고 싶습니다 . 그래서 나는 필요한 통찰력을 찾지 못했습니다.

제 질문은 "선형 영역에서 MOSFET의 전도도를 변조하기에 적합한 드라이버 회로는 무엇입니까?"

나는 Olin Lathrop이 다른 게시물을 전달할 때 언급 한 것을 보았습니다. 그는 때때로 간단한 이미 터 팔로어를 사용하여 이런 일을 할 것이라고 언급했지만 게시물은 다른 것에 관한 것이기 때문에 단지 언급에 불과했습니다. Op 앰프와 게이트 사이에 이미 터 팔로워를 추가하는 것을 시뮬레이션했으며 실제로 상승 안정성에 놀라운 결과를 냈습니다. 그러나 가을은 도대체 나아 갔기 때문에 내가 기대했던 것만 큼 간단하지 않다는 것을 알았습니다.

보완적인 BJT 푸시 풀 증폭기와 비슷한 것이 필요하다고 생각하지만 MOSFET 드라이버를 구별하는 뉘앙스가있을 것으로 기대합니다.

이 경우 트릭을 수행 할 수있는 회로의 대략적인 매개 변수를 스케치 할 수 있습니까?

관심있는 추가 배경

이 회로는 원래 Jameco 2161107 전자로드 키트를 기반으로했으며 최근에 단종되었습니다. 광산은 이제 원래의 보완 물보다 약 6 개의 부품이 적습니다. :). 저의 현재 프로토 타입은 저와 같은 것에 관심이있는 사람들을 위해 다음과 같이 보입니다 :)

소스 (일반적으로 테스트중인 전원 공급 장치)는 전면의 바나나 잭 / 바인딩 포스트에 연결됩니다. PCB 왼쪽의 점퍼는 내부 또는 외부 프로그래밍을 선택합니다. 왼쪽의 노브는 10 턴 포트로 0-3A 사이의 일정한 하중을 선택할 수 있습니다. 오른쪽의 BNC를 사용하면 임의 파형으로 부하를 스테핑하기위한 구형파를 사용하여 1A / V 레벨에서 부하를 제어 할 수 있습니다. 두 개의 연청색 저항은 피드백 네트워크를 구성하고 납땜없이 이득을 변경할 수 있도록 가공 된 소켓에 있습니다. 이 장치는 현재 단일 9V 셀로 전원이 공급됩니다.

학습 단계를 추적하려는 사람은 여기에서 다른 회원들로부터받은 훌륭한 도움을 찾을 수 있습니다.

• 연산 증폭기 입력 사이에 커패시터를 추가하는 것이 유용한가요?
• 활성 영역 안정성 향상을위한 게이트 저항 값 계산
• 연산 증폭기 안정성을 테스트하는 방법은 무엇입니까?
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• 게이트 커패시턴스를 어떻게 측정 할 수 있습니까?

이와 같은 간단한 프로젝트가 학습 동기 부여가 된 것에 대해 놀랐습니다. 구체적인 목표없이 수행하면 너무 건조했을 많은 주제를 연구 할 수있는 기회가 주어졌습니다. :)

Miller 씨로 인한 부하 저항에 따른 유효 부하 커패시턴스의 변화와 과도하게 보상하지 않아도되므로 이는 실제로 흥미로운 문제입니다.

바이어스 된 푸시 풀 BJT 출력 드라이버는 4 개의 작은 BJT (다이오드로 연결된 2 개)와 2 개의 바이어스 저항과 각각의 이미 터 변성에 대해 몇 옴 정도 작동 할 것으로 생각됩니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

내가 이것을하고 있다면 나는 LM8261 과 같은 더 강력 하지만 여전히 저렴한 앰프를 던지려는 유혹을받을 것입니다.

결과 보고서

짧은 이야기는 이산 버퍼를 추가하는 것입니다! 즉, 나는이 방식으로 회로를 설계하지 않을 것이라고 생각합니다. @ Spehro 및 @WhatRoughBeast의 권장 사항을 따르고 기본적으로 버퍼 스테이지가 올바르게 구축 된 더 높은 전류 출력 기능을 갖춘 연산 증폭기를 사용합니다 연산 증폭기로.

여기 내가 사용한 회로가 있습니다. @Spehro가 제공 한 것과 매우 유사하지만 실제로 @gsills가 권장하는 LH0002 데이터 시트의 것과 정확히 동일 합니다. 기본적으로 똑같은 부분 (5K 대신 1K의 바이어스 저항 값) 몇 가지 연결을 사용하고, ... 데이터 시트는 회로의 전류 이득을 가지고 상기 40,000 ; 글쎄, 내 이익 탐욕이 완전히 인수되었고 나는 2 단계 버전으로 가기로 결정했습니다.

멋지게 시뮬레이트되었으므로 5 x 7 비트의 베로 보드에 빌드하고 프로토 타입에 도터 보드로 설치했습니다.

그리고 짜잔! 거의 1µs 상승 (1.120µs)에 가깝고 거의 0V에서 30V까지의 오버 슈트가없고 100mA에서 2.5A의 전류 단계까지 완전히 지나치지 않는 암석처럼 단단합니다.

가을은 1.42µs에서 약간 길다 :

설치하기 전에 벤치에서 테스트했을 때 회로 자체가 특히 안정적이지 않았기 때문에 이것은 실제로 약간의 놀라운 놀라움이었습니다. 이와 같은 버퍼 회로가 스스로 진동 할 수 있다는 것을 누가 알았습니까? 글쎄, 나를 제외한 모든 사람들은 일단 검색하면 :) 그리고 실제로 25MHz와 같은 고주파수를 발견했습니다. 나는 그 이유를 아직 완전히 이해하지 못하지만, 아마도 이미 터 추종자가 콜 피트 발진기에 매우 가깝고,이 회로는 이미 터 추종자의 쿼드 팩이며 잘못된 기생 리액턴스가 노래를 불러 일으킬 수 있습니다. 테스트 리드가 필요한 기생충이라고 생각합니다. 또한 일부 입력 저항은 ( 내가 생각하는 탱크 회로 의 를 손상시킴으로써 ) 하는R $Q$$R_o$ 연산 증폭기의 솔루션도 솔루션에 도움이됩니다.

이것은 확실히 풍부한 학습 경험이었습니다. 마침내 푸시 풀 BJT 앰프에 머리를 감쌀 수있게되었으며 회로의 성능에 정말 만족합니다. 게인을 조정하여 대역폭을 조금 더 늘리면 1µs 미만으로 떨어질 수 있다고 생각합니다.

즉, "생산"회로에 개별 드라이버 스테이지를 추가하는 것이 최선의 방법이라고 생각하지 않으므로 평가 보드와 LM8261 @Spehro 샘플을 주문했습니다. 확실히 인상적인 연산 증폭기입니다. 나는 "무제한 커패시턴스"를 구동 할 수있는 연산 증폭기와 같은 것을 몰랐다. 이 데이터 시트는 47nF를 구동하는 회로를 보여줍니다.

그래서 우리는 부품이 도착하면 어떻게되는지 볼 것입니다 :)

나는 일반적으로 Spehro에 동의하지만주의를 기울여야 할 것이 몇 가지 있습니다.

먼저 전력선에 분리를 추가해야합니다. 9 볼트 배터리는 필요한 성능을 갖지 못할 것입니다. 당신이 얻을 수있는 앰프에 가까운 10 uF, 탄탈륨을보십시오. 그림에서 보면이 기능을 수행하는 전해액이있는 것처럼 보이지만 회로도에는 표시하지 않습니다. 더 나은 방법은 12 볼트 (선형이 좋은 선형) 전원을 공급하고 배터리를 완전히 포기하는 것입니다. (여전히 분리, 마음가짐이 필요하지만 적어도 배터리 잔량이 부족할 염려는 없습니다.)

둘째, 스코프 접지를 입력 와이어가 아닌 전원 저항의 접지 된쪽에 연결하십시오. 큰 차이는 없지만 어쨌든 좋은 생각입니다.

셋째, Spehro가 너무 부드럽습니다. op 앰프가 원하는 것을하지 않을 것입니다. 첫째, 정착 시간은 1.1 usec ~ 0.1 %로 표시되며 외부 단계가 없습니다. 둘째, 게이트가 출력에 370pF의 부하를 제공하고 있으며 이는 불안정의 원인 일 가능성이 높습니다. 공칭 안정 시간 400 nsec, 특히 지정된 500 pF의 부하에서 LM8261은 훨씬 더 나은 선택입니다. 그러나 LM8261의 넓은 대역폭은 다른 진동 원의 가능성을 허용하므로주의해야합니다. pcb의 레이아웃은 문제가되지 않을 정도로 빡빡 해 보이지만 결코 알 수는 없습니다.

넷째, 5 볼트에 50 볼트 전원을 공급하려면 250 와트를 소멸시켜야합니다. 30 와트는 단지 희망적인 생각입니다. 이를 위해서는 아마도 강제 공기 냉각과 함께 여러 개의 FET와 훨씬 더 큰 방열판이 필요할 것입니다.

단지 제안 ... SOT23-5 패키지의 LM8261 대체품을 찾고 IXTN90N25L (23nF Ciss)와 같은 MOSFET을 선형 모드로 구동했습니다. 더 높은 출력 전류 정격과 LM8261과 유사한 대역폭을 가진 LM7321을 발견했습니다. 물론 SOT23-5 제한을 제거하면 다른 더 높은 출력 전류 연산 증폭기를 찾을 수 있습니다. ti.com 선택을 사용하십시오.

이미 터 팔로워는 용량 성 케이블로드로 진동하는 것으로 유명합니다. 작은 시리즈 R은 안정적으로 만들 수 있습니다.

피드백 저항 R10 위에 커패시터를 장착하는 것으로 시작하겠습니다. 그런 다음 선형 (삼극) 영역에서 시작할 때 MOSFET을 바이어스하기 위해 MOSFET에 저항 분배기를 추가합니다.

내가 가진 이유는 피드백 루프에서 대역폭을 제한하기 위해 커패시터없이 매우 많은 opamp가 발진하는 것입니다. 나는 개인적으로 그것이 더 자주 의무적이라고 생각합니다.

MOSFET이 선형 영역에서 시작되면 opamp는 좋은 시작점을 가질 가능성이 있으며, 이로 인해 갑자기 트레스 홀드 전압에 도달하는 대신 천천히 변화에 반응 할 수 있습니다. 저항을 크게 만드십시오.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}