Conmutador MOSFET con tiempo de estabilización rápido para el campo E de conmutación

Question

Aplicación: Tengo una malla de cobre (10 cm x 10 cm cuadrados) en una cámara de vacío conectada a un conector BNC mediante un cable de cobre de 24 cm de largo. El meta es conmutar la tensión de malla (referenciada a masa) de 8 V a ~0 V rápidamente. (Esto conmutará el campo eléctrico en la cámara, que es un mecanismo de control para nuestros experimentos de física atómica). Es esencial que aproximadamente 500 ns después del inicio de la conmutación, la señal se estabilice a <10 mV (~<0,1%). La malla está flotando; no está terminada en la cámara.

Problema: Hay una "joroba" en la parte inferior de mi pulso cuadrado invertido. Necesito aplanarla.

Circuito: Me he decidido por un sencillo circuito de conmutación MOSFET:

Descripción: El MOSFET ( ZVN2110A-ND Modo de mejora de canal N ) es accionado por un IRS2117PBF-ND que emite un impulso positivo de 15 V. La línea base de este pulso de disparo flota en V_S, que está ligado a V_LO por una pequeña resistencia. La malla está conectada al punto B. El filtro pasa bajo de salida fue un intento de solucionar el problema. Todos los valores de las resistencias se determinaron experimentalmente (es decir, utilizando inicialmente potenciómetros). El resultado fue cableado utilizando un estilo "dead-bug" en una placa revestida de cobre.

Detalles de la sonda: Para simular la malla, soldé un alambre de 24 cm a un trozo de placa perf revestida de cobre y lo conecté a la salida del circuito (Punto B). Sondeé la señal en la placa de circuito impreso con una sonda Tektronix ( 500 MHz, 8,0 pF, 10MOhm, 10x ) en un osciloscopio Tektronix ( Osciloscopio digital de 100 MHz TDS3012 ).

Observaciones: Conmuta con suficiente rapidez (aunque podría acelerarlo quitando el filtro), la amplitud y duración del timbre es tolerable, pero en el ( esencial ), hay una gran "joroba" y una caída de 20 mV (marcada en la imagen con una línea roja). Esto es inaceptablemente grande y hace imposible realizar nuestros experimentos, que tienen lugar desde el momento de la conmutación hasta unos 10 microsegundos después de la conmutación.

Detalles de la solicitud: En nuestros experimentos utilizamos campos eléctricos para sintonizar resonancias atómicas. La exploración del campo eléctrico aplicado a los átomos nos permite registrar un "espectro" de estas resonancias que muestra su ubicación y forma. Las anchuras y separaciones de estas resonancias son del orden de 1-10 mV/cm (¡muy pequeñas!). Para aplicar el campo eléctrico, colocamos los átomos entre dos piezas planas de malla de cobre, separadas 1 cm. El campo E entre las piezas de malla de cobre es simplemente la diferencia de potencial entre las piezas de malla (1 V de diferencia equivale a 1 V/cm de campo E, una conversión de 1 a 1). Al recoger un espectro, muestreamos un valor de campo E cambiando al voltaje correspondiente y esperando unos microsegundos antes de la detección. Si el voltaje (y, por tanto, el campo E) se desplaza durante el periodo de muestreo más que el tamaño de las resonancias (<10 mV), la resolución se degrada hasta el punto de que nuestra imagen del espectro se vuelve borrosa e irreconocible.

Pensamientos adicionales: He considerado la posibilidad de que el MOSFET se esté calentando, cambiando así su resistencia de encendido (normalmente ~4 Ohmios). Para comprobarlo, he probado dos cosas: (1) poner dos MOSFETs en paralelo, y (2) sustituir el ZVN2110A por un MOSFET IRF1010EZ que tiene una resistencia de encendido mucho menor (100 mOhm). Ninguna de las dos cosas ayudó, la "joroba" sigue siendo de 20 mV y todavía dura unos pocos microsegundos. Me parece que aumentar la resistencia de pull-up (como se sugiere en los comentarios) también podría ayudar, así que lo intentaré.

Actualización 1: He probado a aumentar la resistencia de pull-up de 470 Ohms a 10 kOhms. No hubo ningún efecto en la salida; todavía tiene la "joroba" de 20 mV después del timbre inicial.

Actualización 2: La desconexión de la "maqueta" de cable + malla del circuito y el sondeo directo del punto B no tiene ningún efecto sobre la señal medida.

Actualización 3: A continuación se muestran las trazas de los puntos correspondientes en el esquema anterior:

Parece como si la "joroba" apareciera también en el pulso de la puerta. El punto "D" justo cerca del FET no parece diferente de sondear la malla.

Actualización 4: He (1) aumentado la resistencia pull-up a 1kOhm, (2) quitado la resistencia de filtrado de 1000pF, (3) desconectado la malla, (4) añadido dos condensadores electrolíticos "jam can" de 470uF a los raíles, y (5) sustituido el generador de pulsos por uno más rápido (Agilent 33250A). Nuevo esquema y trazas:

Incluso con un pulso de disparo más rápido para el controlador FET, el problema persiste. Las tapas "jam can" parecen filtrar algunas oscilaciones de alta frecuencia, pero la "joroba" permanece.

Answer 1

Si te fijas en la frecuencia característica de la joroba es del orden de 100's de KHz. lo único n ese circuito que tiene un polo dominante en ese rango serán las fuentes de alimentación. Mira en el carril inferior y ver si se correlaciona con la joroba.

Answer 2

En primer lugar, supongo que estás midiendo la señal de interés en el punto B de tu circuito.

En segundo lugar, supongo que has calculado la constante de tiempo RC con la que tiene que lidiar tu circuito - mis estimaciones son (para derivaciones directas cortas fuera del sistema de vacío): C~100pF, R~600 Ohms, por lo tanto t~0.1usec. Para alcanzar el 0,1% de la señal se requieren ~7 constantes de tiempo o ~0,7useg.

Un problema con el circuito, tal como está dado, es que la capacidad de salida del MOSFET es de 25pF, la capacidad de entrada es de 75pF y la capacidad de transferencia es de 8pF. Además, la carga de puerta que hay que eliminar es 1n Coloumb.

Como has observado, la salida del generador de señal se está transfiriendo a través del driver a la entrada y luego a la salida del MOSFET. También la mayoría de los generadores de impulsos no alcanzan un verdadero cero voltios en sus tiempos de caída nominal - el tiempo se especifica generalmente como el 90% al 10% de tiempo.

Una mejor solución es utilizar una puerta CD4010UB para reemplazar tanto el conductor y el MOSFET - conectar el generador de señal a la entrada de la puerta y la salida de la puerta a la resistencia de 600 ohmios conectado al punto B. Por desgracia, el '10 es probablemente ya no está disponible - No pude encontrar uno con una búsqueda.

La "segunda mejor" pieza sería el inversor hexadecimal CD4009UB (disponible en Digikey p/n 292-2030-J-ND $0.55).

El "truco" es que la pieza tiene conexiones de alimentación separadas para las secciones de entrada y salida de las compuertas. La conexión de entrada (Vdd) debe ajustarse a la tensión más alta que necesitará en la salida y la conexión de salida (Vcc) debe ajustarse de 0 a Vdd.

A pesar de la hoja de datos, he utilizado esta configuración con Vcc de -0.3V a Vdd sin problemas.

Tendrás que ajustar la resistencia de 600 Ohmios para compensar la resistencia interna de la puerta - ~200 Ohmios - o podrías poner en paralelo las seis entradas de la puerta y sus salidas. Si no pones en paralelo las otras cinco puertas, deberás conectar sus entradas a Vdd - no las dejes flotar.

Answer 3

Podría ser instructivo saber qué hacía la tensión (a) en la red, (b) en la resistencia conectada al punto "b", (c) justo en el drenaje del FET y, por último, (d) en la puerta del FET. Puede ser inductancia/capacitancia en el cableado, pero podría ser el FET haciendo algo distinto de lo que esperamos.

Me pregunto si podrías conducir la red directamente desde el IRS2117, ya que ni tu voltaje ni tu corriente son extremos. Un controlador de puerta está diseñado para conducir la carga capacitiva de la puerta del FET, y esto parece ser la naturaleza del problema original.

Por último, si tiene que ir al extremo, algún tipo de esquema de bucle de control puede ser necesario, donde usted tiene un suministro negativo y en realidad conducir la salida negativa hasta que llegue a cero (esto tira de la corriente de las rejillas)... entonces usted trae una línea de la regeneración adentro de la salida para controlar este circuito de conducción de modo que aplique apenas la impulsión correcta para conseguir este comportamiento.

Editar : Acabo de notar V LO. ¿Qué voltaje es ese? Creo que la mayor parte de mi respuesta acaba de desaparecer...

Answer 4

Apostaría a que la joroba, como tú la llamas, está causada por la capacitancia de la malla y la inductancia/impedancia del cable de 24 cm. Aquí hay algunas cosas para probar:

1. Reduce la longitud del cable de 24 cm. Esto reducirá la inductancia/impedancia del cable y permitirá una descarga más rápida de la malla.

2. Haz más grueso el cable de 24 cm. Mismo concepto que #1.

3. Mueve el MOSFET justo al lado de la rejilla, dentro de la cámara. El mismo concepto que #1, pero llevado al extremo.

4. Cualquier cable que transporte la corriente de descarga de la malla debe ser lo más corto y grueso posible. Esto incluye cualquier cable de tierra.

Algunas de ellas, tal vez la mayoría, no resultarán prácticas durante las "operaciones científicas", pero merece la pena hacerlas de todos modos para ayudar a determinar de dónde procede la joroba.

Answer 5

Es muy probable que esté midiendo la recuperación de sobrecarga de su osciloscopio. Tenga en cuenta la siguiente captura de pantalla:

La tensión medida por el trazo azul no existe . Como se puede ver, en el lado izquierdo de la pantalla, la traza se salió de la pantalla y recortó el amplificador de alta velocidad dentro del frontend analógico del osciloscopio. Esto causa todo tipo de problemas, como calentamiento diferencial en la etapa de entrada, alteración de los puntos de polarización, etc. Como resultado, el amplificador óptico necesita varias decenas de milisegundos para estabilizarse... sorprendente para un chip que tiene cientos de MHz de ancho de banda, ¿verdad?

Lea el material adicional (fondo rosa) en este documento de Jim Williams:

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

No digo que sea el culpable, pero es probable. Cuando la traza se corta, incluso durante una µs, no se debe confiar en el osciloscopio. Cualquier circuito lineal que se corta, o se acerca al corte, incluso por un tiempo extremadamente corto (como 1ns), no se puede confiar en la precisión o el asentamiento hasta que estemos absolutamente seguros de que todo se ha enfriado, cada carga almacenada en cada condensador de integración ha vuelto a su valor nominal, etc ...

Esto incluye un opamp que entra en la limitación de slew rate, por cierto. El tiempo de recuperación es el tiempo de estabilización mencionado en la hoja de datos, y es mucho más largo después de girar que después de procesar un pulso con limitación de giro de la misma amplitud. Por favor, tenga en cuenta que el tiempo de estabilización especificado en la hoja de datos normalmente implica que el amplificador no se cortó.

Para medir el tiempo de estabilización, necesitarás medidas especiales, probablemente un interruptor analógico que sólo deje pasar la tensión a medir unas decenas de nanosegundos DESPUÉS de que esté dentro del rango del osciloscopio...

También podrías utilizar un buen amplificador óptico de precisión (especificado para un tiempo de establecimiento rápido y preciso, mucho más rápido que lo que intentas medir) y diodos limitadores en la red de realimentación. Ralentiza la conmutación del MOSFET hasta que los picos no perturben el amplificador óptico.

Por la misma razón, la planitud del impulso de salida del generador de impulsos no se puede medir con el osciloscopio.

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

¡Que te diviertas! Cuando hay que traer las notas de la aplicación Jim Williams, ¡sabes que estás en un lío! Son temas muy delicados...