Entwurf einer *linearen* MOSFET-Treiberstufe

Dies ist in der Tat ein interessantes Problem, da die effektive Lastkapazität mit dem Lastwiderstand aufgrund von Herrn Miller variiert und Sie es nicht überkompensieren müssen.

Ich vermute, dass ein vorgespannter Push-Pull-BJT-Ausgangstreiber gut funktionieren würde - vielleicht 4 kleine BJTs (2 als Dioden geschaltet), ein paar Vorspannungswiderstände plus vielleicht jeweils ein paar Ohm Emitter-Degeneration.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wenn ich dies tun würde, wäre ich versucht, stattdessen einen kräftigeren, aber immer noch recht preiswerten Verstärker wie einen LM8261 darauf zu werfen .

Ergebnisbericht

Okay, die Kurzgeschichte ist: Das Hinzufügen eines diskreten Puffers hat funktioniert! Das heißt, ich glaube nicht, dass ich meine Schaltung auf diese Weise entwerfen werde, sondern ich werde mich an die Empfehlung von @Spehro und @WhatRoughBeast halten und einfach einen Operationsverstärker mit höherer Stromausgangsfähigkeit verwenden, wobei im Grunde die Pufferstufe richtig gebaut ist in den Operationsverstärker.

Hier ist die Schaltung, die ich verwendet habe. Ziemlich ähnlich dem von @Spehro bereitgestellten, aber eigentlich genau dem im LH0002-Datenblatt, das @gsills empfohlen hat. Im Grunde wurden genau die gleichen Teile verwendet (Vorspannungswiderstandswert 5k statt 1k), nur ein paar verschiedene Verbindungen, und ... das Datenblatt besagte, dass die Schaltung eine Stromverstärkung von 40.000 hatte ; naja, meine Gain-Gier hat mich total übermannt und ich habe mich für die zweistufige Variante entschieden:

Es simulierte gut, also baute ich es auf einem 5 x 7 Bit Veroboard auf und installierte es als Tochterplatine auf meinem Prototyp:

Und voila! ziemlich verdammt nahe an einem Anstieg von 1 µs (1,120 µs) und steinhart ohne Überschwingen von etwas über 0 V bis zu 30 V und Stromschritten von 100 mA bis 2,5 A.

Der Abfall ist mit 1,42 µs etwas länger:

Das war jetzt eigentlich eine kleine angenehme Überraschung, denn die Schaltung war alleine nicht besonders stabil, als ich sie vor dem Einbau auf dem Prüfstand getestet habe. Wer hätte gedacht, dass eine Pufferschaltung wie diese alleine schwingen kann? Nun, anscheinend alle außer mir, entdeckte ich, als ich danach suchte :) Und auch sehr hohe Frequenzen wie 25 MHz. Ich verstehe immer noch nicht ganz, warum das so ist, aber anscheinend ist ein Emitterfolger einem Colpitts-Oszillator sehr nahe, diese Schaltung ist ein Quad-Pack von Emitterfolgern, und nur die falschen Teile der parasitären Reaktanz können das Ding zum Singen bringen. Ich gehe davon aus, dass meine Messleitungen alle Parasiten waren, die es brauchte. Außerdem wird ein gewisser Eingangswiderstand verwendet, um ihn zu beruhigen (durch "Verderben" der$Q$des Tankkreises glaube ich), also vielleicht der$R_o$des Operationsverstärkers hilft auch bei der Lösung.

Das war also definitiv eine reichhaltige Lernerfahrung. Endlich habe ich mich wirklich mit Push-Pull-BJT-Verstärkern beschäftigt und bin jetzt wirklich zufrieden mit der Leistung der Schaltung. Ich denke, ich kann unter 1 µs kommen, indem ich die Verstärkung anpasse, um etwas mehr Bandbreite zu erhalten, vielleicht eine Verstärkung von 3 statt 4.

Allerdings glaube ich nicht, dass das Hinzufügen einer diskreten Treiberstufe zur "Produktions" -Schaltung die beste Wahl ist, also habe ich ein Evaluierungsboard und Muster des von @Spehro empfohlenen LM8261 bestellt. Es ist definitiv ein beeindruckender Operationsverstärker. Ich wusste nicht, dass es so etwas wie einen Operationsverstärker gibt, der "unbegrenzte Kapazität" ansteuern kann. Das Datenblatt zeigt eine Schaltung, die 47 nF antreibt, was mehr ist, als ich jemals brauchen werde.

Mal sehen, wie es weitergeht, wenn die Teile da sind :)

Obwohl ich Spehro im Allgemeinen zustimme, gibt es ein paar Dinge, auf die Sie meiner Meinung nach achten sollten.

Zunächst MÜSSEN Sie Ihrer Stromleitung eine gewisse Entkopplung hinzufügen. Eine 9-Volt-Batterie wird nicht die Leistung haben, die Sie benötigen. Versuchen Sie es mit etwa 10 uF Tantal, so nah wie möglich am Verstärker. Auf dem Bild sieht es so aus, als ob es einen Elektrolyten geben könnte, der diese Funktion erfüllt, aber Sie zeigen ihn nicht auf Ihrem Schaltplan. Noch besser, besorgen Sie sich eine 12-Volt-Versorgung (vorzugsweise linear) und verzichten Sie vollständig auf Batterien. (Sie müssen immer noch entkoppelt werden, aber zumindest müssen Sie sich keine Sorgen machen, dass die Batterie schwach wird.)

Zweitens versuchen Sie, die Erdung Ihres Oszilloskops mit der geerdeten Seite der Leistungswiderstände und nicht mit dem Eingangskabel zu verbinden. Das sollte keinen großen Unterschied machen, ist aber trotzdem eine gute Idee.

Drittens ist Spehro zu sanft - Ihr Operationsverstärker wird nicht das tun, was Sie wollen. Erstens wird seine Einschwingzeit mit 1,1 usec bis 0,1 % angegeben, und das ohne äußere Stufen. Zweitens liefert Ihr Gate eine Last von 370 pF am Ausgang, und dies ist sehr wahrscheinlich eine Quelle der Instabilität. Mit einer nominellen Einschwingzeit von 400 ns, insbesondere bei einer spezifizierten Last von 500 pF, ist der LM8261 eine viel bessere Wahl. Seien Sie jedoch vorsichtig - die größere Bandbreite des LM8261 lässt die Möglichkeit einer anderen Schwingungsquelle zu, seien Sie also vorbereitet. Das Layout Ihrer Platine sieht eng genug aus, dass dies kein Problem sein sollte, aber Sie wissen nie.

Viertens, wenn Sie wirklich hoffen, eine 50-Volt-Versorgung auf 5 Ampere zu laden, müssen Sie sich damit abfinden, 250 Watt zu verbrauchen. 30 Watt sind nur Wunschdenken. Dies erfordert mit ziemlicher Sicherheit mehrere FETs und einen viel größeren Kühlkörper, wahrscheinlich mit Zwangsluftkühlung.

Nur ein Vorschlag ... Ich suchte nach einem LM8261-Ersatz im SOT23-5-Gehäuse, um MOSFETS wie IXTN90N25L (23nF Ciss) im linearen Modus anzusteuern. Habe den LM7321 mit noch höherem Nennausgangsstrom und ähnlicher Bandbreite wie LM8261 gefunden. Natürlich können Sie durch Entfernen der SOT23-5-Beschränkung andere Operationsverstärker mit höherem Ausgangsstrom finden, verwenden Sie einfach die Auswahl von ti.com.

Emitterfolger sind berüchtigt für Schwingungen bei kapazitiven Kabellasten. Eine kleine Serie R kann es stabil machen.

Ich würde damit beginnen, einen Kondensator über den Rückkopplungswiderstand R10 zu kleben. Fügen Sie dann einen Widerstandsteiler für den Mosfet hinzu, um den Mosfet vorzuspannen, wenn er in seinem linearen (Trioden-) Bereich beginnt.

Die Begründung, die ich dafür habe, ist: extrem viele Operationsverstärker oszillieren ohne einen Kondensator zur Begrenzung der Bandbreite in der Rückkopplungsschleife. Ich persönlich halte es oft für obligatorisch.

Wenn der Mosfet in seinem linearen Bereich startet, hat der Operationsverstärker die Möglichkeit eines guten Startpunkts, an dem er langsam auf Änderungen reagieren kann, anstatt plötzlich eine Schwellenspannung zu erreichen. Machen Sie einfach den Widerstand groß.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}