Aumento de la velocidad del amplificador Bootstrapped

Estoy tratando de implementar el diseño descrito aquí para crear un circuito amplificador que amplifique una señal de 10MHz, 24Vpp a 120Vpp. Estoy usando el amplificador operacional THS3062 , y originalmente estaba buscando usar los transistores 2SC4883A y 2SC1859A . Estoy simulando mi circuito en LTSpice usando modelos de circuito para todas las partes, y descubrí que funcionó hasta aproximadamente ~ 50 kHz. Intenté reemplazarlos con el CZT5551 y el CZT5401 , y descubrí que funcionaba hasta ~300kHz.

Creo que los transistores no son lo suficientemente rápidos y, dado que tengo un suministro dividido de voltaje más alto, mis transistores deberían tener un Vce máximo alto y una velocidad alta. ¿Es posible encontrar un transistor de baja ganancia, alta velocidad y alto voltaje que permita que este circuito funcione a velocidades más altas? Alternativamente, ¿alguien podría recomendar una modificación al circuito para que funcione más rápido, o posiblemente un circuito alternativo?

Aquí está mi esquema de especias:

Ese artículo de arranque dice mucho sobre el arranque, excepto la velocidad. Es una técnica inteligente, pero hay una razón por la que está poco documentada. 10MHz a 120V es difícil. Sería mejor diseñar un controlador de potencia de transistores más convencional, entonces todas las cosas críticas están al alcance de su mano y no a pocas constantes de tiempo de distancia.
Afortunadamente, no necesito mucha salida de corriente del amplificador, solo voltajes más altos. Nunca diseñé un amplificador a nivel de transistor, aparte de los circuitos básicos que se enseñan en la electrónica de pregrado. ¿Puede recomendar una topología simple que logre lo que estoy buscando?
A 10MHz con oscilación de 120v, necesita mucha corriente del amplificador para cargar su capacitancia de salida, incluida la capacitancia entre electrodos de sus dispositivos de salida. Comience con un par de transistores de base común (para reducir Miller) en contrafase y haga que se muevan primero. Luego construya controladores de cascode debajo de ellos y vuelva a trabajar.
Todo esto es nuevo para mí. ¿Alguna recomendación sobre dónde puedo encontrar algunos ejemplos similares?
El diseño del amplificador de 10MHz es difícil, estás empujando a los parásitos de los dispositivos todo el tiempo, por lo que será un juego de pelota completamente nuevo para ti. Comience con esto para una discusión sobre la etapa de cascode, y luego presione google una vez que tenga el vocabulario. Estaba sugiriendo comenzar con el par pushpull de salida, ya que esa es la parte más difícil, necesita transistores rápidos de alto voltaje, lo cual es difícil. Haz que funcionen en simulación para entregarles tu swing con el impulso ideal. Luego vuelve a trabajar para hacer el resto del amplificador.
Aunque podría pensar que una baja impedancia de salida es útil, paradójicamente, cuando necesita conducir una carga capaitiva (que es cualquier carga a alta frecuencia), entonces una unidad de corriente funciona mejor. Esto significa que tomas el toro de la estabilidad por los cuernos, aceptas un cambio de fase de 90 en la etapa de salida y haces que el resto del amplificador entregue un cambio de menos de 45 grados, lo que requiere componentes rápidos, pero con pequeños cambios de voltaje es manejable. El diseño HF+HV es una de las artes negras que no se enseña bien en esta era digital. Bob Pease (google) podría tener algo que aportar en general.
Sin duda, un enfoque interesante: desafortunadamente, el dispositivo que estoy manejando es un dispositivo electro-óptico que opera en términos del voltaje aplicado a través de sus terminales. No estoy seguro de cómo conduciría eso con corriente, especialmente porque las cargas capacitivas bloquean la corriente continua
¿Conoces la impedancia de tu carga? Podrías medirlo con un analizador de red. Es fundamental saberlo. Si es capacitivo, la idea de Neil será una excelente opción... bueno, probablemente la única opción ;)
Conozco la impedancia de la carga: dado que los transistores son inherentemente amplificadores de corriente, ¿sería un sistema push-pull y cascode inherentemente un amplificador de corriente?
¿Cuál es entonces la impedancia de la carga? tienes un modelo? Efectivamente, si es capacitivo, y dependiendo de su valor, puede ser preferible el drive de corriente, en este caso la capacitancia de carga es el tope de compensación del amperaje, así funcionan los reguladores de voltaje LDO.
No está conduciendo corriente a su carga electro-óptica, está conduciendo corriente a todas las capacitancias parásitas y del dispositivo con las que está atascado colgando de su carga, debido al hecho de que el circuito está construido a partir de cables con parásita a tierra. , y dispositivos con uniones que tienen capacitancia, el dispositivo de retroalimentación que usa para cerrar el circuito para controlar el voltaje de salida. Su dispositivo EO también tendrá una capacitancia de entrada específica.
Sí, el modelo de carga debe incluir cable y parásitos...
Se agregó una respuesta para ser más claro sobre lo que estoy hablando. Podría agregar más detalles al diagrama si está interesado.

Respuestas (3)

A 10 MHz y a 120 V, la forma en que empuja la corriente en toda la capacitancia de su carga y toda la capacitancia perdida que acecha es fundamental. Vamos a adivinar algunas cifras. Si logra alcanzar una carga total de 100pF en su nodo de salida (su carga de EO, pero incluidos los cables, enchufes, dispositivos de salida) y desea girar sinusoidalmente a 120vpp a 10MHz, necesitará 60*100p*10M* 2pi = 340mA, más si quieres acercarte a algo que se parezca más a una onda cuadrada. Como su dispositivo EO es de 10 pF, debería poder mantenerse dentro de los 100 pF, si tiene cuidado.

Deberá usar controladores de corriente que sean dóciles y predecibles, y luego cerrar un circuito de retroalimentación rápido alrededor de ellos para controlar el voltaje de salida.

Como está atascado con una capacitancia de salida mínima que creará un cambio de fase, el mejor plan es incorporar ese cambio de fase directamente en su esquema de estabilidad. Esto es lo que hacen los LDO, aunque es un régimen de voltaje diferente, es el mismo problema de estabilidad.

La parte más difícil son los dispositivos de salida, ya que los transistores de alto voltaje tienden a ser lentos. Las oscilaciones más pequeñas dentro del amplificador son más fáciles de manejar.

Aquí hay un boceto de cómo podría funcionar la salida. Si bien podría usar bipolares o FET para los dispositivos Q1 y Q5 de base común (puerta) de alto voltaje, probablemente sea mejor que los bipolares tengan una SOA nominal de CC y una capacitancia de terminal de salida más baja. Solo necesita unos pocos voltios de polarización en Q2 y Q6, establecidos por los voltajes de polarización de cascode.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Elija R3/4 para dar la ganancia deseada en CC, elija C1/C3 para mantener esa división de voltaje correctamente a alta frecuencia. Es posible que desee colocar una pequeña resistencia en serie con C3 para dar un adelanto de fase. Juegue con los componentes con SPICE, use una entrada de onda cuadrada e intente obtener una pequeña cantidad de sobreimpulso en las transiciones. Según el amplificador que elija, es posible que necesite componentes de plomo de fase adicionales. Busque en Google cómo los LDO hacen este tipo de cosas. Los amplificadores y transistores más rápidos facilitarán la estabilidad.

¿Significa esto que también puedo usar transistores de menor voltaje ya que hay múltiples apilados de esa manera?
Q2/Q6 pueden ser de baja tensión, operarlos con unos pocos voltios Vce. Q1/Q5 verán el voltaje de salida completo, por lo que deben ser tipos de alto voltaje. Si tuviéramos alguna información sobre la carga (hmm...) también podría usar controladores CRT aunque están obsoletos...
Acabo de recibir el modelo del dispositivo: son estos , y en correspondencia con la compañía dijeron que la capacitancia es ~ 10pF.
... por lo que debería poder mantener la carga total por debajo de 100pF, con cuidado
Entonces, si se trata de una etapa de salida, con el mecanismo de retroalimentación marcado en el diagrama, ¿dónde estaría la entrada real en un circuito como este? Además, menciona sesgar Q2 y Q6, pero en el diagrama, Q1 y Q5 se notan como sesgados. ¿Puedes describir un poco los diferentes sesgos?
El voltaje de polarización a Q1 sería de unos pocos voltios por encima del suelo. El voltaje del emisor Q1 es 0.7v por debajo de eso, lo que 'pone algunos voltios de polarización' en Q2. Agregaré un poco más al diagrama para mostrar la entrada. Pero tenga en cuenta que no estoy diseñando este amplificador, lo está haciendo usted, por lo que no agregaré nada al diagrama que deba dedicar mucho tiempo al diseño.
Totalmente válido, su ayuda es muy apreciada! ¿Este amplificador se considera una combinación de push-pull (debido a la configuración de los transistores NPN y PNP) y cascode (ya que hay dos transistores de cada tipo) o es algo completamente diferente?
es un cascode push-pull, porque eso es lo que contiene. El amplificador básico que tengo es de clase A, lo que significa una gran cantidad de disipación del dispositivo de salida, querrías tipos de disipadores de calor TO220, no los transistores CZ... que has mencionado en el OP. Para una disipación más baja, tendría que descubrir cómo hacer que sea de clase AB o B. Carga más baja + capacitancia parásita = unidad de corriente más baja necesaria para obtener la velocidad de respuesta = disipación más baja del dispositivo de salida.
+/-60V @ 10MHz en, digamos, 50pF será un pico de 180mA, lo que da como resultado una disipación bastante alta que obstaculizará la selección de transistores realmente rápidos... por lo que será vital minimizar la capacitancia de salida, usar cables muy cortos o sin cables ... también cualquier inductancia entre el amplificador y la carga modificará la respuesta de frecuencia, por supuesto. ¿Tiene la intención de utilizar un cable? ¿Es su señal capaz de pasar por un transformador, por cierto?

Si la frecuencia es FIJA, entonces usar resonancia es la forma estándar de generar altos voltajes a altas frecuencias, porque las capacitancias parásitas se vuelven parte de la solución.

Desafortunadamente, la frecuencia no es fija, puede llegar a los 10 MHz.

Echemos un vistazo a las entradas del opamp. Si la salida es de +60 V, los suministros del opamp serán de aproximadamente +62 para el riel positivo y +30 V para el riel negativo. Esto excede levemente la calificación máxima, pero no es el problema principal...

El problema aquí es que la señal de entrada que es de 12 V en este momento está fuera del rango de suministro del opamp, por lo tanto, ¡fuera del rango de modo común de entrada del opamp!

El mismo problema para la señal de retroalimentación en la entrada negativa, por cierto.

Por lo tanto, el opamp no funcionará. Podría funcionar en simulación si el modelo opamp es demasiado simple, lo que lo engaña.

El artículo que citó usó una ganancia baja y suministros más bajos, lo que aseguró que la señal se mantuviera dentro del rango adecuado para que funcionara la etapa de entrada del opamp ...

Por lo tanto, no puede hacer un amplificador de arranque con un amplificador operacional de +/- 15V para amplificar de 12V a 60V. Necesitará rodar el suyo... La complejidad dependerá mucho de la corriente de salida requerida, el tipo de carga y el ancho de banda requerido (si la señal de 10 MHz es una onda cuadrada, necesita mucho más que el ancho de banda de 10 MHz).

Creo que el objetivo de la resistencia de retroalimentación (R8 en el esquema) es resolver este problema. Como se describe en el artículo, "Si necesita una mayor ganancia de una sola etapa que la ganancia que puede lograr con el circuito de la Figura 1, entonces puede encontrar útil el circuito de la Figura 6. En esta configuración, VCM permanece dentro del amplificador operacional. rango de modo común de entrada, mientras que el VIN es mucho más bajo en magnitud (Figura 7)." La única diferencia entre el circuito de la Figura 1 y el de la Figura 6 es la inclusión de esa resistencia.
Hm, interesante, me había perdido los comentarios positivos. Necesitaría simularlo. Además, THS3062 es una retroalimentación actual que será incompatible con los valores de resistencia elegidos...
Aumento de la velocidad del amplificador Bootstrapped
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