MOSFET-Schalter mit schneller Einschwingzeit zum Schalten des E-Feldes

Anwendung: Ich habe ein Kupfernetz (10 cm x 10 cm im Quadrat) in einer Vakuumkammer, die über einen 24 cm langen Kupferdraht mit einem BNC-Anschluss verbunden ist. Das Ziel ist es, die Maschenspannung (bezogen auf Masse) von 8 V bis ~ 0 V schnell zu wechseln. (Dadurch wird das elektrische Feld in der Kammer umgeschaltet, was ein Kontrollmechanismus für unsere atomphysikalischen Experimente ist.) Es ist wichtig, dass sich das Signal ungefähr 500 ns nach Beginn des Umschaltens auf <10 mV (~ <0,1%) einstellt. Das Netz schwebt; es ist nicht in der Kammer abgeschlossen.

Problem: Am unteren Rand meines invertierten Rechteckimpulses befindet sich ein "Buckel". Ich muss es platt machen.

Schaltung: Ich habe mich für eine einfache MOSFET-Schaltschaltung entschieden:

Beschreibung: Der MOSFET ( ZVN2110A-ND , N-Kanal-Verbesserungsmodus ) wird von einem IRS2117PBF-ND- Treiber angesteuert , der einen positiven 15-V-Impuls ausgibt. Die Basislinie dieses Triggerimpulses schwebt auf V_S, das durch einen kleinen Widerstand mit V_LO verbunden ist. Das Netz ist mit Punkt B verbunden. Der Ausgangs-Tiefpassfilter war ein Versuch, das Problem zu beheben. Alle Widerstandswerte wurden experimentell bestimmt (dh zunächst mit Potentiometern). Das Ergebnis wurde mit einem "Dead-Bug" -Stil auf einer kupferkaschierten Platte fest verdrahtet.

Sondendetails: Um das Netz zu simulieren, habe ich einen 24-cm-Draht an ein Stück kupferkaschierte Perf-Platine gelötet und an den Schaltkreisausgang (Punkt B) angeschlossen. Ich habe das Signal auf der Perf-Platine mit einer Tektronix-Sonde ( 500 MHz, 8,0 pF, 10 MOhm, 10x ) in ein Tektronix- Oszilloskop ( TDS3012 100 MHz Digital Scope ) untersucht.

Beobachtungen: Es schaltet schnell genug um (obwohl ich es durch Entfernen des Filters beschleunigen könnte), die Klingelamplitude und -dauer sind tolerierbar, aber auf der ( wesentlichen ) Mikrosekunden-Zeitskala gibt es einen großen "Buckel" und einen Abfall / Durchhang von 20 mV (im Bild durch rote Linie gekennzeichnet). Dies ist inakzeptabel groß und macht es unmöglich, unsere Experimente durchzuführen, die vom Moment des Umschaltens bis etwa 10 Mikrosekunden nach dem Umschalten stattfinden.

Anwendungsdetails: In unseren Experimenten verwenden wir elektrische Felder, um Atomresonanzen abzustimmen. Durch Abtasten des an die Atome angelegten elektrischen Feldes können wir ein "Spektrum" dieser Resonanzen aufzeichnen, das ihre Position und Form zeigt. Die Breiten und Abstände dieser Resonanzen liegen in der Größenordnung von 1-10 mV / cm (sehr klein!). Um das elektrische Feld anzulegen, platzieren wir die Atome zwischen zwei flachen Kupfergitterstücken, die 1 cm voneinander entfernt sind. Das E-Feld zwischen den Kupfernetzstücken ist nur die Potentialdifferenz zwischen den Maschenstücken (1 V Differenz entspricht 1 V / cm E-Feld, eine 1: 1-Umwandlung). Beim Sammeln eines Spektrums wird ein E-Feld-Wert abgetastet, indem auf die entsprechende Spannung umgeschaltet und einige Mikrosekunden vor der Erkennung gewartet wird. Wenn die Spannung (und damit das E-Feld) während der Abtastperiode mehr als die Größe der Resonanzen (<10 mV) driftet, wird die Auflösung bis zu dem Punkt verschlechtert, an dem unser Spektrumsbild bis zur Unkenntlichkeit unscharf wird.

Zusätzliche Gedanken: Ich habe die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass sich der MOSFET aufheizt und dadurch seinen Einschaltwiderstand ändert (normalerweise ~ 4 Ohm). Um dies zu testen, habe ich zwei Dinge versucht: (1) Parallelschalten von zwei MOSFETs und (2) Ersetzen des ZVN2110A durch einen IRF1010EZ-MOSFET mit einem viel geringeren Einschaltwiderstand (100 mOhm). Beides hat nicht geholfen, der "Buckel" beträgt immer noch 20 mV und dauert immer noch einige Mikrosekunden. Es scheint mir, dass das Erhöhen des Pull-up-Widerstands (wie in den Kommentaren vorgeschlagen) ebenfalls helfen könnte, also werde ich dies versuchen.

Update 1: Ich habe versucht, den Pull-up-Widerstand von 470 Ohm auf 10 kOhm zu erhöhen. Es gab keine Auswirkung auf die Ausgabe; Nach dem ersten Klingeln hat es immer noch den 20 mV "Buckel".

Update 2: Das Trennen des "Mock-up" -Drahtes + Netzes von der Schaltung und das direkte Prüfen von Punkt B hat keine Auswirkung auf das gemessene Signal.

Update 3: Nachfolgend finden Sie Spuren für die entsprechenden Punkte im obigen Schema:

Es sieht so aus, als ob der "Buckel" auch auf dem Gate-Impuls erscheint. Der Punkt "D" direkt neben dem FET sieht nicht anders aus als das Abtasten des Netzes.

Update 4: Ich habe (1) den Pull-up-Widerstand auf 1 kOhm erhöht, (2) den Filterwiderstand von 1000 pF entfernt, (3) das Netz getrennt, (4) zwei "Staudosen" -Elektrolytkondensatoren mit 470 uF zu den Schienen hinzugefügt und (5) ersetzte den Impulsgenerator durch einen schnelleren (Agilent 33250A). Neuer Schaltplan und Spuren:

Selbst bei einem schnelleren Triggerimpuls für den FET-Treiber bleibt das Problem bestehen. Die "Jam Can" -Kappen scheinen einige hochfrequente Schwingungen herauszufiltern, aber der "Buckel" bleibt bestehen.

Wenn Sie sich die charakteristische Frequenz des Buckels ansehen, liegt sie in der Größenordnung von 100 kHz. Das einzige, was in dieser Schaltung einen dominanten Pol in diesem Bereich hat, sind die Stromversorgungen. Schauen Sie sich die untere Schiene an und prüfen Sie, ob sie mit dem Buckel korreliert.

Ich würde wetten, dass der Buckel, wie Sie ihn nennen, durch die Kapazität des Netzes und die Induktivität / Impedanz des 24-cm-Kabels verursacht wird. Hier sind einige Dinge zu versuchen:

1. Reduzieren Sie die Länge des 24-cm-Kabels. Dies verringert die Induktivität / Impedanz des Kabels und ermöglicht ein schnelleres Entladen des Netzes.

2. Machen Sie das 24 cm lange Kabel dicker. Gleiches Konzept wie # 1.

3. Bewegen Sie den MOSFET direkt neben das Gitter in der Kammer. Gleiches Konzept wie # 1, aber extrem.

4. Jeder Draht, der den Maschenentladungsstrom führt, muss so kurz und dick wie möglich sein. Dies schließt alle Erdungskabel ein.

Einige davon, vielleicht die meisten, werden während "wissenschaftlicher Operationen" unpraktisch sein, aber sie sind es trotzdem wert, nur um einzugrenzen, woher dieser Buckel kommt.

Es kann lehrreich sein zu wissen, was die Spannung (a) im Netz, (b) am Widerstand, der mit Punkt "b" verbunden ist, (c) direkt am Drain des FET und schließlich (d) bei das Gate des FET. Es kann sich um Induktivität / Kapazität in der Verkabelung handeln, aber es kann sich auch um den FET handeln, der etwas anderes tut als erwartet.

Ich frage mich, ob Sie das Netz direkt vom IRS2117 aus betreiben könnten, da weder Ihre Spannung noch Ihr Strom extrem sind. Ein Gate-Treiber ist so ausgelegt, dass er die kapazitive Last des FET-Gates ansteuert, und dies scheint die Natur des ursprünglichen Problems zu sein.

Wenn Sie extrem werden müssen, kann eine Art Regelkreisschema erforderlich sein, bei dem Sie eine negative Versorgung haben und den Ausgang tatsächlich negativ treiben, bis er Null erreicht (dies zieht Strom ab den Netzen) ... dann bringen Sie a Rückkopplungsleitung vom Ausgang zur Steuerung dieser Ansteuerschaltung, sodass genau der richtige Antrieb angewendet wird, um dieses Verhalten zu erzielen.

Edit : Ich habe gerade V LO bemerkt. Welche Spannung ist das? Ich denke, der größte Teil meiner Antwort ist einfach weggegangen ...

Zunächst gehe ich davon aus, dass Sie das interessierende Signal an Punkt B in Ihrer Schaltung messen.

Zweitens gehe ich davon aus, dass Sie die RC-Zeitkonstante berechnet haben, mit der sich Ihre Schaltung befassen muss - meine Schätzungen lauten (für kurze direkte Leitungen außerhalb des Vakuumsystems): C ~ 100 pF, R ~ 600 Ohm, daher t ~ 0,1 usec. Um 0,1% des Signals zu erreichen, sind ~ 7 Zeitkonstanten oder ~ 0,7 usec erforderlich.

Ein gegebenes Problem mit der Schaltung besteht darin, dass die Ausgangskapazität des MOSFET 25 pF beträgt, die Eingangskapazität 75 pF beträgt und die Übertragungskapazität 8 pF beträgt. Außerdem beträgt die Gate-Ladung, die entfernt werden muss, 1n Coloumb.

Wie Sie bemerkt haben, wird der Signalgeneratorausgang über den Treiber zum Eingang und dann zum Ausgang des MOSFET übertragen. Außerdem erreichen die meisten Impulsgeneratoren in ihren Nennabfallzeiten keine echte Null Volt - die Zeit wird normalerweise als 90% bis 10% angegeben.

Eine bessere Lösung besteht darin, ein CD4010UB-Gate zu verwenden, um sowohl den Treiber als auch den MOSFET zu ersetzen. Verbinden Sie den Signalgenerator mit dem Gate-Eingang und den Gate-Ausgang mit dem an Punkt B angeschlossenen 600-Ohm-Widerstand. Leider ist das '10 wahrscheinlich nicht mehr verfügbar - Ich konnte keinen mit einer Suche finden.

Der zweitbeste Teil wäre der Hex-Wechselrichter CD4009UB (erhältlich von Digikey unter der Nummer 292-2030-J-ND $ 0,55).

Der "Trick" besteht darin, dass das Teil separate Stromversorgungsanschlüsse für den Eingangs- und den Ausgangsabschnitt der Gates hat. Der Eingangsanschluss (Vdd) sollte auf die höchste Spannung eingestellt werden, die Sie am Ausgang benötigen, und der Ausgangsanschluss (Vcc) sollte von 0 auf Vdd eingestellt sein.

Trotz des Datenblattes habe ich diese Konfiguration mit Vcc von -0,3 V bis Vdd problemlos verwendet.

Sie müssen den 600-Ohm-Widerstand einstellen, um den Innenwiderstand des Gates zu kompensieren - ~ 200 Ohm - oder Sie können alle sechs Gate-Eingänge und ihre Ausgänge parallel schalten. Wenn Sie die anderen fünf Gates nicht parallel schalten, sollten Sie ihre Eingänge mit Vdd verbinden - lassen Sie sie nicht schweben.

Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Sie die Wiederherstellung der Überlastung Ihres Oszilloskops messen. Betrachten Sie den Screenshot unten:

Die durch die blaue Kurve gemessene Spannung existiert nicht . Wie Sie sehen können, wurde die Spur auf der linken Seite des Displays vom Bildschirm entfernt und der Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker im analogen Frontend des Oszilloskops abgeschnitten. Dies verursacht alle Arten von Unangenehmkeiten, wie z. B. differentielle Erwärmung in der Eingangsstufe, Störung der Vorspannungspunkte usw. Infolgedessen benötigt der Operationsverstärker mehrere zehn Millisekunden, um sich niederzulassen ... erstaunlich für einen Chip mit einer Bandbreite von Hunderten von MHz nicht wahr?

Lesen Sie das Bonusmaterial (rosa Hintergrund) in diesem Jim Williams-Dokument:

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

Ich sage nicht, dass dies der Schuldige ist, aber es ist wahrscheinlich. Wenn der Trace auch für ein µs abgeschnitten wird, sollte dem Bereich nicht vertraut werden. Jeder linearen Schaltung, die selbst für eine extrem kurze Zeit (wie 1 ns) abschneidet oder sich dem Abschneiden nähert, kann nicht auf Präzision oder Abrechnung vertraut werden, bis wir absolut sicher sind, dass sich alles abgekühlt hat und jede in jedem Integrationskondensator gespeicherte Ladung wieder auf den Nennwert zurückgekehrt ist Wert, etc ...

Dazu gehört übrigens ein Opamp, der die Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt. Die Erholungszeit ist die im Datenblatt angegebene Einschwingzeit und nach dem Schwenken viel länger als nach der Verarbeitung eines schwenkbegrenzten Impulses gleicher Amplitude. Bitte beachten Sie, dass die im Datenblatt angegebene Einschwingzeit normalerweise impliziert, dass der Opamp NICHT abgeschnitten wurde!

Um Ihre Einschwingzeit zu messen, benötigen Sie spezielle Maßnahmen, höchstwahrscheinlich einen analogen Schalter, mit dem die Spannung nur einige zehn Nanosekunden lang gemessen werden kann, nachdem sie sich innerhalb des Bereichs des Oszilloskops befindet ...

Sie können auch einen Präzisions-Operationsverstärker (spezifiziert für eine schnelle und genaue Einschwingzeit, viel schneller als das, was Sie messen möchten) und Begrenzungsdioden im Rückkopplungsnetzwerk verwenden. Verlangsamen Sie die MOSFET-Umschaltung, bis keine Spitzen mehr den Operationsverstärker stören.

Aus dem gleichen Grund kann die Ebenheit Ihres Impulsgenerator-Ausgangsimpulses nicht mit dem Oszilloskop gemessen werden.

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

Habe Spaß! Wenn Jim Williams App-Notizen eingefügt werden müssen, wissen Sie, dass Sie in Schwierigkeiten sind! Dies sind sehr heikle Themen ...