Diseñando una etapa de alimentación MOSFET *lineal*

Question

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

Antecedentes

Estoy desarrollando un circuito de carga electrónica que debe poder ajustar una carga en aproximadamente 1µs. El tamaño de paso más importante es pequeño, digamos 100 mA, aunque una vez que logre eso probablemente también me gustaría lograr una velocidad de paso de señal grande de 2.5A/µs. Debería acomodar fuentes de 1 a 50V, corrientes de 0 a 5A, y podrá disipar alrededor de 30W.

Así es como se ve el circuito en la actualidad. Desde que apareció en preguntas anteriores, he reemplazado el MOSFET con el dispositivo de menor capacitancia que pude encontrar (IRF530N -> IRFZ24N), y me he movido a un amplificador operacional de ancho de banda razonablemente amplio y alta velocidad de elevación (LM358 -> MC34072) manteniéndome en el territorio "jelly-bean". Actualmente estoy ejecutando una ganancia de alrededor de 4 en el amplificador operacional por motivos de estabilidad, lo que me da un ancho de banda en el vecindario de 1MHz. Más antecedentes a continuación para los interesados.

El problema

Aunque el circuito funciona razonablemente bien, el problema ahora es que la estabilidad no es estable :) No oscila ni nada parecido, pero la respuesta al paso puede variar desde sobreamortiguada (sin sobrepico) hasta bastante subamortiguada (20% de sobrepico, tres bultos), dependiendo de la fuente que se esté cargando. Las fuentes de voltaje más bajo y resistivas presentan problemas.

Mi diagnóstico es que la capacitancia incremental de entrada 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" de \$R_o\$ del amplificador operacional interactuando con la capacitancia de compuerta \$C_{gate}\$ del MOSFET dependiente de la fuente.

Mi estrategia de solución es introducir una etapa controladora entre el amplificador operacional y el MOSFET para presentar una impedancia de salida (resistencia) mucho más baja a la capacitancia de compuerta, llevando el polo errante a la gama de decenas o cientos de MHz donde no puede causar daño.

Al buscar circuitos controladores MOSFET en la web, lo que encuentro mayormente asume que uno quiere "encender" o "apagar" el MOSFET completamente lo más rápido posible. En mi circuito, quiero modular el MOSFET en su región lineal. Así que no encuentro exactamente la perspicacia que necesito.

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

Ví a Olin Lathrop mencionado de pasada en otro post que usaba de vez en cuando un seguidor de emisor para algo así, pero el post trataba sobre otra cosa así que fue solo una mención. Simulé agregar un seguidor de emisor entre el amplificador operacional y la compuerta y en realidad funcionó maravillas para la estabilidad del ascenso; pero la caída se desmoronó así que supongo que no es tan simple como esperaba.

Tiendo a pensar que necesito algo aproximadamente como un amplificador push-pull de BJT complementario, pero espero que haya matices que diferencien a un controlador MOSFET.

¿Podrías esbozar los parámetros aproximados de un circuito que podría hacer el truco en este caso?

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Más antecedentes para los interesados

El circuito se basaba 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 en prueba) está conectada a los conectores de banana en la parte delantera. Un puente a la izquierda de la PCB selecciona la programación interna o externa. El potenciómetro a la izquierda es un potenciómetro de 10 vueltas que permite seleccionar una carga constante entre 0-3A. El BNC a la derecha permite que una forma de onda arbitraria controle la carga en el nivel de 1A/V, por ejemplo, con una onda cuadrada para ajustar la carga. Los dos resistores de color azul claro comprenden la red de retroalimentación, y están en zócalos maquinados para permitir que la ganancia se cambie sin soldar. La unidad está actualmente alimentada por una sola celda de 9V.

Cualquier persona que desee rastrear los pasos de mi aprendizaje encontrará la excelente ayuda que he recibido de otros miembros aquí:

• ¿Es útil agregar un capacitor entre las entradas del amplificador operacional?
• Calculando el valor del resistor de compuerta para una estabilidad de región activa mejorada
• ¿Cómo probar la estabilidad del amplificador operacional?
• ¿Por qué LTSpice no predice esta oscilación del amplificador operacional?
• ¿Qué se puede inferir de la frecuencia a la que oscila un amplificador operacional?
• ¿Por qué un paso más pequeño muestra mejor la inestabilidad?
• ¿Cómo determino \$R_o\$ para un amplificador operacional?
• ¿Este Schottky proporciona protección transitoria a un MOSFET?
• ¿Por qué un 60% de sobrepico con 55° de margen de fase?
• ¿Cómo puedo medir la capacitancia de compuerta?

Estoy completamente asombrado de que un proyecto tan simple como este haya sido tan enriquecedor como motivador para aprender. Me ha dado la oportunidad de estudiar una buena cantidad de temas que habrían sido mucho más áridos si se hubieran abordado sin un objetivo concreto en mente :)

Answer 1

Este es, de hecho, un problema interesante, debido a la variación de la capacitancia de carga efectiva con la resistencia de carga debido al Sr. Miller, y tu necesidad de no sobrecompensarlo.

Sospecho que un controlador de salida BJT push-pull sesgado funcionaría bien: quizás 4 BJT pequeños (2 conectados como diodos), un par de resistores de polarización y tal vez un par de ohmios de degradación de emisor.

simular este circuito - Diagrama esquemático creado usando CircuitLab

Si yo estuviera haciendo esto, me tentaría a usar un amplificador más robusto, pero aún bastante económico, como un LM8261 en su lugar.

Answer 2

Informe de Resultados

De acuerdo, la historia corta es: ¡agregar un buffer discreto funcionó! Dicho esto, no creo que diseñaré mi circuito de esta manera, sino que seguiré la recomendación de @Spehro y @WhatRoughBeast y simplemente usaré un amplificador operacional con una capacidad de salida de corriente más alta, básicamente teniendo la etapa de buffer incorporada directamente en el amplificador operacional.

Este es el circuito que utilicé. Bastante similar al que proporcionó @Spehro, pero en realidad exactamente el que aparece en la hoja de datos de LH0002 que recomendó @gsills. Básicamente utilizó exactamente las mismas piezas (valor de resistor de polarización de 5k en lugar de 1k), solo algunas conexiones diferentes, y ... la hoja de datos dijo que el circuito tenía una ganancia de corriente de 40,000; bueno, mi codicia por la ganancia se apoderó totalmente y decidí ir por la versión de dos etapas:

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

¡Y voilà! bastante cerca de una subida de 1µs (1.120µs) y sólido como una roca sin sobrepasar en absoluto desde un poco por encima de 0V hasta 30V y pasos de corriente de 100mA a 2.5A.

La caída es un poco más larga en 1.42µs:

Esto fue en realidad una sorpresa agradable, porque el circuito no era particularmente estable por sí solo cuando lo probé en el banco antes de instalarlo. ¿Quién habría sabido que un circuito de buffer como este podría oscilar por sí solo? Bueno, todo el mundo excepto yo aparentemente, lo descubrí una vez que busqué al respecto :) Y realmente a frecuencias muy altas también, como 25MHz. Todavía no entiendo completamente por qué, pero al parecer un seguidor de emisor está muy cerca de un oscilador de Colpitts, este circuito es un cuádruple de seguidores de emisor, y solo algunas partes incorrectas de reactancia parásita pueden hacer que cante. Creo que mis cables de prueba eran todas las parásitos que necesitaba. Además, se utiliza cierta resistencia de entrada para estabilizarlo (al "estropear" el \$Q\$ del circuito de tanque creo), así que tal vez la resistencia de salida del amplificador operacional también ayude con la solución.

Así que esto fue definitivamente una experiencia de aprendizaje enriquecedora. Finalmente pude entender realmente los amplificadores BJT push-pull y estoy muy contento con el rendimiento del circuito ahora. Creo que puedo llegar por debajo de 1µs ajustando la ganancia para obtener un poco más de ancho de banda, quizás una ganancia de 3 en lugar de 4.

Dicho esto, no creo que agregar una etapa de driver discreta al circuito de "producción" sea la mejor opción, así que he pedido una placa de evaluación y muestras del LM8261 que @Spehro recomendó. Es definitivamente un impresionante amplificador operacional. No sabía que existía un amplificador operacional que pudiera manejar "capacitancia ilimitada". La hoja de datos muestra un circuito que maneja 47nF, que es más de lo que nunca necesitaré.

Así que veremos cómo va una vez que lleguen las partes :)

Answer 3

Mientras que en general estoy de acuerdo con Spehro, hay algunas cosas a las que creo que deberías prestar atención.

En primer lugar, DEBES agregar algo de desacoplamiento a tu línea de alimentación. Una batería de 9 voltios no va a tener el rendimiento que necesitas. Prueba con unos 10 uF de tantalio, lo más cerca posible del amplificador. Por la imagen, parece que podría haber un electrolítico cumpliendo esta función, pero no lo muestras en tu esquemático. Mejor aún, consigue una fuente de 12 voltios (preferiblemente lineal) y olvídate por completo de las baterías. (Todavía necesitarás desacoplamiento, eso sí, pero al menos no tendrás que preocuparte por la batería agotándose).

En segundo lugar, intenta conectar la tierra de tu osciloscopio al lado conectado a tierra de las resistencias de alimentación, en lugar del cable de entrada. Esto quizás no haga una gran diferencia, pero de todas formas es una buena idea.

En tercer lugar, Spehro está siendo demasiado amable: tu amplificador operacional no hará lo que deseas. En primer lugar, su tiempo de establecimiento se lista como 1.1 us al 0.1%, y eso sin ninguna etapa exterior. En segundo lugar, tu compuerta está proporcionando una carga de 370 pF en la salida, y es muy probable que sea una fuente de inestabilidad. Con un tiempo de establecimiento nominal de 400 nsec, especialmente con una carga especificada de 500 pF, el LM8261 es una opción mucho mejor. Una advertencia, sin embargo: el mayor ancho de banda del LM8261 permitirá la posibilidad de alguna otra fuente de oscilación, así que estate preparado. El diseño de tu PCB parece lo suficientemente ajustado como para que esto no sea un problema, pero nunca se sabe.

En cuarto lugar, si realmente esperas cargar una fuente de 50 voltios con 5 amperios, debes resignarte a disipar 250 vatios. 30 vatios son solo deseos. Esto casi seguramente requerirá múltiples FETs y un disipador de calor mucho más grande, probablemente con refrigeración forzada.

Answer 4

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

Answer 5

Empezaría por colocar un condensador sobre la resistencia de retroalimentación R10. Luego añadiría un divisor de resistencia para el mosfet, con el propósito de polarizar el mosfet cuando comienza en su región lineal (triodo).

La razón que tengo para esto es: muchos amplificadores operacionales oscilan sin un condensador para limitar el ancho de banda en el bucle de retroalimentación. Personalmente lo considero obligatorio la mayor parte del tiempo.

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

simula este circuito – Esquema creado usando CircuitLab