¿Cómo minimizar los efectos capacitivos en la conmutación de señales con MOSFETS?

Estoy diseñando un circuito en el que necesito medir el punto medio de un divisor de voltaje con una onda cuadrada de 1 kHz, donde la salida se amortigua con un amplificador operacional. La resistencia superior es una resistencia fija, la inferior es un sensor. El circuito simplificado se ve así:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Así que todo esto funciona bien, y es muy sencillo.

Sin embargo, necesito medir una amplia gama de resistencias, por lo que para mayor precisión, quiero cambiar una resistencia fija diferente como resistencia de "accionamiento" cuando sea necesario. Decidí usar MOSFETS para esto. El circuito ahora se ve así:

esquemático

simular este circuito

Lo cual no es demasiado difícil de entender. Si se necesita la resistencia de 1k, M2 se enciende, los demás se apagan, y así sucesivamente.

Los problemas ocurrieron al usar la resistencia de 100k. La salida de mi amplificador operacional tenía una curva, en lugar de una buena onda cuadrada, como sucedió con todos los demás rangos. Era casi como si se tratara de una capacitancia perdida, así que investigué un poco y finalmente me di cuenta de que se debía a la capacitancia de los MOSFET y al estar en paralelo, el problema obviamente era peor.

Los MOSFETS que se utilizan son el IRLML6402 que tiene una capacitancia de entrada de 633pF por FET. Con 4 de ellos, eso es un poco más de 2nF, lo que tenía sentido cuando analicé la curva un poco más de cerca, así que asumo que es la capacitancia de entrada aquí. Alguien por favor corrijame si me equivoco.

Entonces, he estado buscando FETS con una capacitancia de entrada mucho más baja para probar, pero pasarán unos días antes de que lleguen (¡bien por la escasez de componentes!), así que mientras tanto, ¿hay algo que pueda probar? Ni siquiera estoy 100% seguro de que esto solucione el problema, ya que no he podido probar ningún otro componente, ¿alguien puede ver algún problema con este enfoque? Cualquier ayuda o ayuda es apreciada.

1) Tenga en cuenta que esto solo puede funcionar correctamente si se asegura de que el Vgs del MOSFET que está habilitado sea lo suficientemente alto. 2) La mayoría de los MOSFET discretos son para cambiar cargas de baja impedancia donde alguna capacitancia no es un problema, por lo que creo que será difícil encontrar un MOSFET con un Cg lo suficientemente bajo. 3) Buscaría interruptores analógicos como en el antiguo HEF4066 para reemplazar los MOSFET. Sí, el HEF4066 también usa MOSFET, pero estos serán mucho más pequeños (y, por lo tanto, tendrán un Cg más pequeño) que cualquier MOSFET discreto.
Puede probar esto: coloque una resistencia de alto valor (1 Mohm) en serie con la puerta de cada MOSFET, luego habrá 1 M en serie con las capacitancias, por lo que su influencia será mucho menor. Los MOSFET aún deben permanecer encendidos a pesar de la resistencia (para CC, Vgs sigue siendo el mismo). De lo contrario, intentaría agregar un capacitor (10 nF) entre la puerta y la fuente de cada MOSFET para mantener el MOSFET encendido.
@Bimpelrekkie Gracias por los consejos. En cuanto al punto 1, eso está solucionado. El punto 3 es interesante. Principalmente opté por MOSFETS debido al costo, mi asignación presupuestaria para esto no es muy grande, pero podría hacerlo si funciona. Agregar una resistencia de alto valor en serie con la puerta es algo que no he probado, así que lo intentaré. ¡Gracias por tus sugerencias!
¿Por qué una onda cuadrada en lugar de una referencia de CC?
En lugar del antiguo HEF4066 que mencioné, una alternativa más moderna es: 74HC4016 pero hay muchos más si buscas en Farnell, etc.
@stretch porque eso es lo que requiere la aplicación
@Bimpelrekkie He estado echando un vistazo a Farnell y Digikey y he visto 1 o 2 que podrían encajar en el presupuesto. ¡Por supuesto, tienen un tiempo de entrega de algunas semanas!
Un potenciómetro digital cuádruple (moderadamente caro) / interruptor analógico (bastante barato, por ejemplo, de Maxim) tendrá una capacitancia considerablemente menor.
@DamienD He estado buscando interruptores analógicos cuádruples en Digikey y Farnell, he encontrado un par dentro del presupuesto, pero, por supuesto, ¡todo en los plazos de entrega! Digipot está fuera de presupuesto
@MCG más barato de Maxim en stock @ digikey parece ser el max4522
@DamienD Demasiado caro. Necesitaría algo por menos de £ 0,60 en más de 1000 cantidades. He identificado algunos dispositivos. Habrá que ver cómo se comportan una vez que lleguen
A menos que amplíe el alcance de su pregunta, no puedo ayudarlo a definir todos los problemas debido a suposiciones no especificadas. Ni siquiera considere las partes o el diseño hasta que sepa y sea claro al proporcionar todos los supuestos. Por lo que sabemos, está tratando de hacer una curita de último minuto antes del lanzamiento. Me tomó mucho tiempo aprender esto. No cometas el mismo error ;)
@ TonyStewartEE75 No estoy seguro de qué más información se necesita para comprender el problema. Todavía faltan muchos meses para su lanzamiento. Estoy muy temprano en este proyecto, así que no tengo prisa inmediata.
OK: Propósito: Problema que se está resolviendo. Experiencia relevante . Presupuesto. Solución preferida. Especificaciones detalladas que pueden causar errores inesperados. Usted sabe que hay métodos para medir la resistencia como un método DMM CC y un método de tiempo de subida de impulsos y contenido armónico o f de barrido. ¿La resistencia del sensor también tiene inductancia o capacitancia en alguna parte? (30pf/m 100uH/m ejemplo)
The Coss *RdsOn =k así que elija sabiamente. También podría definir un método de servo en el que AGC es el voltaje de una fuente de corriente de pulso y la ganancia Vctl = logarítmica de algunos OTA le da R.
Además, quien votó negativamente, dé la explicación y qué estaba mal con la pregunta.
MCG algunas... personas, son solo... es mejor dejarlas así. No preguntes, solo te arrastra a su mundo, donde el solitario Dungeon Master espera eones a los viajeros descuidados. Honestamente, no actives la trampa. Es sólo un clic en Internet. No, no tengo idea de quién, o al menos de qué individuo, ¡pero los conozco!
@Greenaum, la única razón por la que pregunto es si hay una razón válida, la pregunta se puede editar o aclarar o agregar un punto

Respuestas (2)

Es posible que tenga problemas para usar los MOSFET como interruptores en esa configuración, porque todos actúan como seguidores de la fuente . Esto significa que el potencial de la fuente sigue a la puerta (con un desplazamiento igual a V GRAMO S ( T H ) ≈ 2V), y el MOSFET es, por lo tanto, un búfer de ganancia unitaria en lugar de un interruptor de encendido y apagado.

El estado de encendido/apagado de un MOSFET depende completamente de la diferencia de voltaje entre su fuente y la puerta. Tal como lo tiene, con los MOSFET en el lado de la señal del divisor, los potenciales de puerta garantizados para encender o apagar completamente el MOSFET variarán con la señal de entrada. El potencial de la puerta tendrá que estar más allá de cualquiera de los extremos de la excursión de la señal de entrada, y tendrá que construir un hardware de control de puerta muy especial.

La capacitancia de la puerta de un MOSFET no es el problema que cree que es. Ciertamente puede hacer que la velocidad de encendido/apagado sufra, pero no puede determinar en ningún grado qué tan "encendido" o "apagado" está el MOSFET. Creo que en esta aplicación deberías preocuparte más por la resistencia "activada" R D S ( O norte ) del MOSFET.

El siguiente circuito es un pequeño ajuste suyo, con los transistores y las resistencias intercambiados. Ahora las fuentes están conectadas a la señal de entrada, lo que evita que los transistores funcionen como seguidores de la fuente, pero no resuelve el problema de la amplitud de la señal de control de puerta. Se debe garantizar que los potenciales de la puerta digital sean más altos que la señal de entrada más alta que espera, o V GRAMO S ( T H ) menos que el potencial de entrada más bajo que espera:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Dado que probablemente desee poder usar señales lógicas estándar de 3,3 V o 5 V en las puertas, para encender o apagar los MOSFET, necesita que la fuente del MOSFET esté conectada a un potencial en el que se garantice que esos niveles lógicos produzcan estados de V GRAMO S << V GRAMO S ( T H ) y o V GRAMO S >> V GRAMO S ( T H ) . Eso generalmente significa conectar un MOSFET de canal N con su fuente conectada a tierra (0V), una configuración llamada fuente común .

El siguiente circuito garantizará que los MOSFET se activen o desactiven sin ambigüedades cuando las puertas se presenten con potenciales de nivel lógico estándar. Se comportarán como interruptores, abiertos o cerrados, según sus necesidades. Sin embargo, esa simplicidad tiene un costo: son dispositivos de canal N, fuente común, y su sensor debe estar en el lado alto:

esquemático

simular este circuito

Ya había probado el sensor del lado alto anteriormente en este proyecto. No puedo recordar exactamente por qué, pero opté por el lado bajo por una razón. Tendría que intentar encontrarlo en mis notas en alguna parte, pero probablemente no volveré a esa configuración, aunque agradezco la sugerencia. Y la capacitancia es el problema, ya que los MOSFET todavía se encienden o apagan por completo, es porque la velocidad está sufriendo y la señal no alcanza el nivel que se supone que debe alcanzar antes de volver a bajar. Después del pulso alto, espero aproximadamente 250 µS antes de tomar la lectura. (alrededor de la mitad de la parte alta de 1kHz...
ola cuadrada. Debido a esta capacitancia, el nivel sigue subiendo cuando tomo la medida y el resultado es incorrecto. Intentaré la sugerencia de mover la resistencia al otro lado del FET, veré si eso hace la diferencia, tendré que ver qué tan fácil es piratear esta PCB, o tendré que esperar hasta que pueda hacerlo. ¡uno nuevo! Agradezco la respuesta, y el tiempo tomado para escribirla
¿No necesitas tierra en tu esquema?
@MCG No puedo imaginar cómo la capacitancia de la puerta es un problema. Incluso si las señales de su controlador de compuerta tuvieran una impedancia de fuente de 10kΩ, la compuerta (con 2nF) aún alcanzaría el potencial requerido dentro de los 50 µs, mucho antes de que tome la lectura. Creo que está viendo que se manifiesta algún otro problema, es decir, a menos que la fuente del potencial de la puerta sea de muy alta impedancia, como más de 10kΩ, lo que nunca es bueno en ningún diseño. En lugar de mejores MOSFET, use un mejor controlador de puerta.
@vicatcu Ups! ¡Gracias!
@SimonFitch Tampoco lo pensé originalmente, pero una vez que eliminé los FET, el problema desaparece. Esto fue después de eliminar casi todo lo demás. Poniendo todo de nuevo en el circuito, con la excepción de los FETS, todavía funciona. Ponlos de nuevo, me sale el problema de nuevo. Era mi única teoría de lo que podría ser. Con cada FET agregado, el problema empeora, por lo que no puedo pensar en otra cosa que pueda ser
Si tiene esa resistencia de 100k en el circuito y hay una capacitancia de 2nF allí, entonces la constante de tiempo RC es 200µS.
@MCG correcto, pensé que estabas hablando de capacitancia de entrada. Lo siento.

Los interruptores analógicos CMOS son la opción típica con varios RdsOn. Cuanto menor sea la calificación máxima de Vdd, generalmente menor será el RdsOn de 1k a 10 ohmios. Los 74HC pueden ser adecuados https://www.mouser.com/c/semiconductors/switch-ics/analog-switch-ics/?q=4066&sort=pricing

Detalles

Dependiendo de la inmunidad al ruido para la C perdida, es posible que prefiera conectar las entradas comunes a una fuente de baja impedancia en lugar de la entrada de alta impedancia de un amplificador operacional CMOS, cargado por sensor.

Piense en el CMRR del ruido del cable y la impedancia de equilibrio como una entrada diferencial. Esto se vuelve más desafiante con un cable de sensor largo.

He estado mirando algunos de estos. No estoy demasiado preocupado por el RdsOn, ya que puedo calibrar esta parte. ¿Y qué sugieres como fuente de baja impedancia? Teniendo en cuenta que este resultado eventualmente tendrá que ser leído por un AtoD, por lo tanto, el almacenamiento en búfer con un amplificador operacional primero en mi esquema original
El sensor en sí no es el problema, debe tenerse en cuenta que este problema ocurre incluso cuando el sensor está en circuito abierto, y solo en el rango de 100k
Si desea una precisión del 1%, las tolerancias de la relación R son importantes. Pero si desea una precisión de 10 bits, entonces todo tiene que ser mejor que una proporción del 0,1%.
La precisión no es mi enfoque en este momento. Puedo calibrar las cosas. Lo que más me preocupa es obtener una onda cuadrada limpia del amplificador operacional
Debe agregar C parásito a cada nodo y determinar los tiempos de respuesta de RC para varios R para determinar la mejor configuración. Ganancia variable, atenuador o ganancia unitaria-pasiva R
Simplificar sus respuestas sería más útil. Suponiendo que mi problema es la capacitancia de entrada del FET, la respuesta RC es demasiado lenta cuando se usa la resistencia de 100k. Eso lo sé, y ese es el problema. Estoy pidiendo una solución, en lugar de más definiciones del problema. Su respuesta abordó esto, así que le agradezco por eso.
Agregar más detalles me permitiría concentrarme en el problema real del enlace de extremo a extremo y el ruido y BW necesarios para capturar la respuesta deseada. Pero parece simple hasta ahora en teoría, pero en la práctica depende de las especificaciones y el diseño.
¡Ojalá todo funcionara como en teoría!
¿Cuál es su especificación de tiempo de subida? En la práctica, el diseño es tan bueno como las especificaciones que cumple y teniendo en cuenta todas las influencias parásitas y de ruido en la simulación. Cuando el real coincida con el modelo utilizado, estará listo para comenzar.
Tomo la lectura aproximadamente 250 µs después del flanco ascendente, por lo que idealmente me gustaría un máximo de 100 µs, para permitir que se estabilice
Tal vez pueda usar un amplificador operacional CMOS GBW mayor o una muestra a 450 us o rastrear y mantener a 499 us
Si desea medir la resistencia, ¿por qué no manejarlo con una fuente de corriente de 1 kHz a través del sensor y luego V = IRsense?
Agregar más componentes electrónicos para diseñar un circuito de fuente de corriente probablemente me exceda del presupuesto. He estado bastante limitado en esto y con los precios de todo subiendo, ¡lo hizo un poco más desafiante! E incluso a 499µs actualmente no está alcanzando VCC. Espero que tal vez tener FET con una capacitancia parásita mucho más baja funcione
no adivine, defina todas sus especificaciones, incluido el presupuesto y el volumen. un amplificador operacional Quad CMOS puede hacer búfer, fuente de corriente, medir la resistencia en f por $ 0.50
mouser.com/ProductDetail/Texas-Instruments/… 5 MHz $0,20 amplificador operacional cuádruple
¿Cómo minimizar los efectos capacitivos en la conmutación de señales con MOSFETS?
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