Diseño de una etapa de controlador MOSFET *lineal*

De hecho, este es un problema interesante, debido a la variación de la capacitancia de carga efectiva con la resistencia de carga debida al Sr. Miller, y su necesidad de no compensarla en exceso.

Sospecho que un controlador de salida BJT push-pull sesgado funcionaría bien, tal vez 4 BJT pequeños (2 conectados como diodos) un par de resistencias de polarización más tal vez un par de ohmios cada uno de degeneración del emisor.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Si estuviera haciendo esto, estaría tentado de lanzarle un amplificador más robusto, pero bastante económico, como un LM8261 .

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Bien, la historia corta es: ¡agregar un búfer discreto funcionó! Dicho esto, no creo que diseñe mi circuito de esta manera, sino que seguiré la recomendación de @Spehro y @WhatRoughBeast y simplemente usaré un amplificador operacional con mayor capacidad de salida de corriente, básicamente con la etapa de búfer construida correctamente. en el amplificador operacional.

Aquí está el circuito que usé. Bastante similar al que proporcionó @Spehro, pero en realidad exactamente el de la hoja de datos LH0002 que recomendó @gsills. Básicamente, usó exactamente las mismas partes (valor de resistencia de polarización de 5k en lugar de 1k) solo algunas conexiones diferentes, y ... la hoja de datos decía que el circuito tenía una ganancia de corriente de 40,000 ; bueno, mi codicia de ganancia se hizo cargo por completo y decidí optar por la versión de dos etapas:

Simuló muy bien, así que lo construí en un veroboard de 5 x 7 bits y lo instalé como una placa secundaria en mi prototipo:

¡Y voilá! bastante cerca de 1 µs de aumento (1,120 µs) y sólido como una roca sin sobreimpulso desde un poco más de 0 V hasta 30 V y pasos de corriente de 100 mA a 2,5 A.

La caída es un poco más larga a 1,42 µs:

Ahora bien, esto fue en realidad una sorpresa agradable, porque el circuito no era particularmente estable por sí solo cuando lo probé en el banco antes de instalarlo. ¿Quién diría que un circuito amortiguador como este podría oscilar por sí solo? Bueno, aparentemente todos menos yo, lo descubrí una vez que lo busqué :) Y frecuencias muy altas también, como 25MHz. Todavía no entiendo completamente por qué es así, pero aparentemente un seguidor de emisor está muy cerca de un oscilador Colpitts, este circuito es un paquete cuádruple de seguidores de emisor, y solo los bits incorrectos de reactancia parásita pueden hacer que la cosa cante. Espero que mis cables de prueba fueran todos los parásitos que necesitaba. Además, se usa algo de resistencia de entrada para calmarlo (al "estropear" el$Q$del circuito del tanque, creo), así que tal vez el$R_o$del amplificador operacional también ayuda con la solución.

Así que esta fue definitivamente una rica experiencia de aprendizaje. Finalmente pude entender realmente los amplificadores BJT push-pull y ahora estoy muy satisfecho con el rendimiento del circuito. Creo que puedo obtener menos de 1 µs ajustando la ganancia para obtener un poco más de ancho de banda, tal vez una ganancia de 3 en lugar de 4.

Dicho esto, no creo que agregar una etapa de controlador discreto al circuito de "producción" sea la mejor opción, por lo que pedí una placa de evaluación y se recomendaron muestras del LM8261 @Spehro. Definitivamente es un amplificador operacional impresionante. No sabía que existía un amplificador operacional que pudiera impulsar una "capacitancia ilimitada". La hoja de datos muestra un circuito que maneja 47nF, que es más de lo que necesitaré.

Así que veremos cómo va eso una vez que lleguen las piezas :)

Si bien en general estoy de acuerdo con Spehro, hay algunas cosas a las que creo que deberías prestar atención.

Primero, DEBE agregar algo de desacoplamiento a su línea eléctrica. Una batería de 9 voltios no va a tener el rendimiento que necesitas. Pruebe con 10 uF, tantalio, lo más cerca posible del amplificador. De la imagen, parece que puede haber un electrolítico que cumpla esta función, pero no lo muestra en su esquema. Aún mejor, obtenga un suministro de 12 voltios (preferiblemente lineal) y renuncie por completo a las baterías. (Todavía necesitarás desacoplar, pero al menos no tienes que preocuparte de que la batería se esté agotando).

En segundo lugar, intente conectar la tierra de su alcance al lado conectado a tierra de las resistencias de potencia, en lugar del cable de entrada. Esto no debería hacer una gran diferencia, pero es una buena idea de todos modos.

En tercer lugar, Spehro está siendo demasiado amable: su amplificador operacional no hará lo que quiere. En primer lugar, su tiempo de sedimentación figura entre 1,1 usec y 0,1 %, y eso sin etapas exteriores. En segundo lugar, su puerta proporciona una carga de 370 pF en la salida, y es muy probable que esto sea una fuente de inestabilidad. Con un tiempo de asentamiento nominal de 400 nseg, particularmente con una carga especificada de 500 pF, el LM8261 es una opción mucho mejor. Sin embargo, una advertencia: el ancho de banda más amplio del LM8261 permitirá la posibilidad de alguna otra fuente de oscilación, así que prepárese. El diseño de su PCB se ve lo suficientemente ajustado como para que esto no sea un problema, pero nunca se sabe.

En cuarto lugar, si realmente espera cargar un suministro de 50 voltios a 5 amperios, debe resignarse a disipar 250 vatios. 30 vatios es solo una ilusión. Es casi seguro que esto requerirá múltiples FET y un disipador de calor mucho más grande, probablemente con enfriamiento por aire forzado.

Solo una sugerencia... Estaba buscando un reemplazo LM8261, en paquete SOT23-5, para controlar MOSFET como IXTN90N25L (23nF Ciss) en modo lineal. Encontré el LM7321 con una clasificación de corriente de salida aún más alta y un ancho de banda similar al LM8261. Por supuesto, al eliminar la restricción SOT23-5, puede encontrar otros amplificadores operacionales de corriente de salida más alta, solo use la selección de ti.com.

Los seguidores de emisores son conocidos por la oscilación con cargas de cable capacitivas. Una pequeña serie R puede hacerlo estable.

Comenzaría colocando un capacitor sobre la resistencia de retroalimentación R10. Luego, agregue un divisor de resistencia para el mosfet, con el fin de polarizar el mosfet cuando comience en su región lineal (triodo).

El razonamiento que tengo para esto es: muchos amplificadores operacionales oscilan sin un condensador para limitar el ancho de banda en el circuito de retroalimentación. Personalmente, lo considero obligatorio la mayoría de las veces.

Si el mosfet comienza en su región lineal, el opamp tiene la posibilidad de un buen punto de partida, donde puede reaccionar lentamente a los cambios en lugar de alcanzar repentinamente un voltaje de umbral. Solo haz que la resistencia sea grande.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}