Zwiększenie zakresu napięcia zgodności dla zmiennego, dwu-ćwiartkowego obwodu pin-driver prądu stałego

Poniższe informacje dotyczą pracy hobbystycznej i nie mam żadnych zamiarów komercyjnych. Tylko garstka (dwie?) Zostanie zbudowana. (Używam ich do testowania części i generowania krzywej, chociaż przy zgodności z wyższym napięciem mogę znaleźć jeszcze więcej zastosowań niż wcześniej.)

Mam następujący obwód sterownika pinów, który zapewnia do $\pm 50\:\textrm{V}$ zgodności wyjściowego przy zapewnieniu $\pm 10\:\textrm{mA}$ do obciążenia podłączonego między wyjściem sterownika pin a masą. (Większe szyny plus i minus wynoszą około, z szynami opamp o.) $\pm 60\:\textrm{V}$ $\pm 15\:\textrm{V}$

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Prędkości przesyłu na wyjściu dla powyższego obwodu wynoszą zwykle nie więcej niż lub . ( dane wejściowe z szybkością rzędu nie szybciej niż , od szczytu do szczytu i często wolniej niż to.) $20\:\frac{\textrm{A}}{\textrm{s}}$ $100\:\frac{\textrm{mV}}{\mu\textrm{s}}$ $1\:\textrm{ms}$

Chciałbym rozszerzyć napięcia zgodności do i zmniejszyć obecne możliwości napędu do gdzieś z do być może . (Szybkość zmiany napięcia następnie wzrasta do $\pm 800\:\textrm{V}$ $\pm 500\:\mu\textrm{A}$ $\pm 1\:\textrm{mA}$ może to również stanowić problem). $1.6\:\frac{\textrm{V}}{\mu\textrm{s}}$

Uzyskanie sparowanych szyn zasilających wysokiego napięcia nie jest problemem. Ale byłem w stanie podnieść do jako części na tych samych kostkach (BCM846S itp.) Chciałbym zachować dopasowanie (a może nawet .) Ale teraz wzrosła „dużo”, a sama topologia nie jedzie do pracy, ponieważ nie sądzę, istnieją dobranych par BJTs z tego typu . W rzeczywistości nie jestem pewien żadnego dyskretnego PNP BJT, który zbliżyłby się do tego, co chciałbym zobaczyć. (Być może NPN. Ale PNP?) $\pm 850\:\textrm{V}$ $Q_1$ $Q_4$ $V_{BE}$ $\beta$ $V_{CEO}$ $V_{CEO}$

Mogę sobie wyobrazić ustawienie kolejnej pary szyn napięciowych (blisko szyn wysokiego napięcia, ale może bliżej ziemi) i przy użyciu kaskadowej konstrukcji (przy użyciu czterech kolejnych BJT), aby chronić pary lusterek o wysokiej i niskiej stronie. To dodatkowe źródło zasilania nie musiałoby obsługiwać więcej niż $40\:\textrm{V}$ lub inne, więc zbudowanie nowych szyn zasilających wysokiego napięcia może nie być takie trudne. Ale jeśli są inne / lepsze przemyślenia na temat topologii, chciałbym je usłyszeć. $10\:\mu\textrm{A}$

Oto co mam na myśli:

schematyczny

^{zasymuluj ten obwód}

Czy jest jakiś problem, o którym zapomniałem tutaj myśleć, czy mogę to zrobić lepiej? Czy ktoś ma jakieś sugestie dotyczące jakiegokolwiek procesu ze strony FAB dla dyskretnych BJT, które mogę rozważyć tutaj dla cascodes?

Wiem też, że napotkam również zupełnie inne problemy związane z prześwitami i pełzaniem, z którymi nie musiałem się tu wcześniej zmierzyć. To jednak inny temat, który omówię osobno i później. W tej chwili skupiam się na tym, jak uzyskać znacznie wyższą zgodność napięcia, którą chciałbym osiągnąć.

Dla jasności, jeśli nie jest to oczywiste, obwód jest źródłem prądu kontrolowanego napięciem stałym (VCCS), które albo tonie, albo źródło prądu w uziemionym obciążeniu. (Jednym z zastosowań było śledzenie krzywej półprzewodników.) Napięcie wejściowe pozyskałby $-10\:\textrm{V}$ do uziemionego obciążenia. Napięcie wejściowe $500\:\mu\textrm{A}$ zatonę $+10\:\textrm{V}$ od uziemionego obciążenia. Trójkąt napięciowy, płynnie oscylujący między $500\:\mu\textrm{A}$ i $-10\:\textrm{V}$ wygenerowałoby falę prądu trójkąta w ładunek oscylujący płynnie od $+10\:\textrm{V}$ do $+500\:\mu\textrm{A}$ (niezależnie od tego, czy to obciążenie było diodą czy rezystorem). Zgodność z napięciem powinna wspierać wykonanie wszystkich powyższych czynności z $-500\:\mu\textrm{A}$ Rezystor jako obciążenie. Czasami będzie obsługiwany za pomocą piły zębatej lub fali trójkątnej jako wejścia. Mogę również obsługiwać go między $1.5\:\textrm{M}\Omega$ i $-1\:\textrm{V}$ na wejściu sterującym (lub nawet pomiędzy $+1\:\textrm{V}$ i $-100\:\textrm{mV}$ na wejściu.) Zachowanie musi być monotoniczne. Maksymalna częstotliwość, której używam, to $+100\:\textrm{mV}$ , ale mogę poświęcić współczynnik 10 w tym punkcie, jeśli to konieczne. $1\:\textrm{kHz}$

Powyższe obwody są również przydatne do innych celów. Jeśli usunę (zamieniając go na ) i użyj odwracającego wejścia opampa jako węzła, w którym mogę zatonąć lub źródło prądu, a jeśli także wtedy umieszczę znany rezystor precyzyjny z wyjścia do ziemi, to napięcie bipolarne na wyjściu będzie zależeć od prąd bipolarny do ziemi. $0\:\Omega$ $R_8$

To właściwie dość wszechstronny moduł.

bjt high-voltage current-source

— jonk
źródło

Co powinien zrobić wzmacniacz operacyjny?

— Daniel

Czy ma to wyłączyć stopień przeciwnej biegunowości z szynami zasilającymi?

— Daniel

@Daniel Opamp albo tonie, albo pobiera prąd do obciążenia dołączonego do wyjścia. Czyniąc to, musi albo pobierać, albo pobierać prąd z szyn zasilających. Moja odpowiedź tutaj pokazuje kolejne takie „szalone” zastosowanie pomysłu: electronics.stackexchange.com/questions/256955/…

— jonk

@Daniel Jeśli nadal nie jest jasne, pamiętaj, że opamp albo inaczej pociąga za sobą

Q_{1} + Q_{3}

$Q_1+Q_3$

Q_{2} + Q_{4}

$Q_2+Q_4$

R_{7}

$R_7$

R_{8}

$R_8$

Q_{5}

$Q_5$

Q_{8}

$Q_8$

— jonk

fajnie ... odzwierciedlasz prąd po stronie wejściowej, a opamp dostosowuje to, wyciągając prąd z szyny pośredniej na górze lub na dole w razie potrzeby ... tranzystory wyjściowe (jak również te na po stronie wejściowej) działają jak rezystory o wysokiej wartości ... 800 V / 500uA = ~ 1,6 M omów. Nie mam do tego odpowiedniego tła, ale uderzyłoby mnie to jako element, który stałby się (trochę) ekstremalny. Jeśli twoje obciążenie wynosi 1,5 M, to chyba wszystko w porządku? tranzystory o wysokiej impedancji zamieniają prądy błądzące, jeśli zostały wyciągnięte, w całkiem duże napięcia? czy to ma znaczenie?

— użytkownik

Odpowiedzi:

Ponieważ nie ma odpowiedzi na pytania:

Jak wrażliwa jest twoja aplikacja na tętnienia (~ amplituda, już wspomniałeś o przepustowości)?

Stopniowo mam wrażenie, że może powinieneś mieć tranzystor przełączający sterowany PWM z wysokiej strony do innego tranzystora przełączającego sterowany PWM do niskiej strony, dodać rezystor czujnikowy prądu w zakresie 3 kΩ w węźle między tymi dwoma, a następnie niski -pass filter i od tego wypędź swój DUT.

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Teraz będziesz kontrolować te przełączniki w oparciu o pozycję impulsu, kiedy prąd w Rmeas przekroczy pełny 1mA (jak zaobserwowano w D2). Kalibracja może (ok, będzie) konieczna, ale zakładając, że przy częstotliwości przełączania może być może 50 kHz jest całkowicie wystarczająca dla tej aplikacji (i to już nie jest takie łatwe, biorąc pod uwagę, że musisz napędzać bramy lub podstawy wysokiego - i przełącznik niskiej częstotliwości w tym tempie), nowoczesne MCU będą w stanie sprostać zadaniu. Jestem pewien, że byłbyś w stanie wymyślić analogiczny projekt, który mógłby być sprytniejszy niż moje proponowane oprogramowanie (choć robienie tego w oprogramowaniu, pomimo problemów z kwantyzacją, z pewnością ułatwi włączenie danych kalibracyjnych).

Dałem prostownikowi * gwiazdkę, ponieważ tak naprawdę nie polecam, abyś użył tutaj prostownika mostkowego z diodą PN - to nie zadziała, ponieważ prądy diod prawdopodobnie będą większe niż prądy pomiarowe. Rozwiązaniem może być precyzyjny prostownik oparty na opampach na zasilaniu pływającym (i może być zbudowany, ekonomicznie, kosztem pięknego designu, z baterią ...). W każdym razie cały prostownik - transoptor - obwód Zenera jest tak naprawdę tylko 1-bitowym napięciem ADC ignorującym znaki; komparator okienkowy, a nawet właściwy amperomierz z np. cyfrowym łączem optycznym do kontrolnego MCU, prawdopodobnie lepiej by to zrobił.

Oczywiście, jednostopniowy RC (1,6 kΩ ł 100nF) LPF jest tutaj tylko szybkim i brudnym podejściem; jednak wykazuje tłumienie wielkości -36dB przy mojej częstotliwości przełączania 50 kHz (i przypuszczam, że to ci wystarczy), opierając się na wartości kondensatora, która jest nadal dostępna jako kondensator błonowy dla> 1kV z tolerancją 5%.

Moją motywacją do tego jest to, że prawdopodobnie łatwiej jest zająć się przełączaniem tranzystorów w odpowiednio precyzyjnym czasie niż kontrolować tranzystory w wystarczająco liniowy sposób przy odpowiednich napięciach.

— Marcus Müller
źródło

To jest behawioralne. Mój obwód jest aktualny. Przekształcenie obwodu z koncepcji w rzeczywistość ... to inna sprawa. Nie wspominając o tym, że używam mojego obwodu do przesuwania liniowego, a ta koncepcja zamiast tego kazałaby mi obrócić PWM. Dzięki możliwości wzbudzenia 1600 V w ciągu jednej milisekundy mogę sobie tylko wyobrazić wymaganą częstotliwość jako „wysoką”, aby uzyskać to, czego chcę. Chciałbym wiedzieć, co sobie wyobrażasz jako te przełączniki ... jeśli mosfety, widzę, jak ogromne napięcie bramki przesuwa się przez duże pojemności z dużą prędkością i to przeraża pustkę poza mną.

— jonk

I rozważ, że ładunki mogą być dowolnymi dziwacznymi urządzeniami, które chcę zamiatać. Oznacza to, że duże kondensatory (stałe prądy lub zmienne, podczas monitorowania napięcia) lub cewki indukcyjne (zaczynające się od zera i narastające z określoną szybkością, podczas monitorowania napięcia). Mogę również użyć mojego obwodu przeciwnie, zwarcie R8, jak wspomniano, i użycie tego węzła jako punkt uziemienia, do którego pobierany jest prąd, a wyjście odpowiada odpowiednio obciążeniem, które tam umieszczam. To zaskakująco wszechstronny obwód. To, co sugerujesz, wydaje się znacznie bardziej ograniczone i mniej wszechstronne. Zakładając, że mógłbym wypracować szczegóły tego, jak to zrobić.

— jonk

Dwie rzeczy: 1. Tak, to jest bardzo abstrakcyjne. Jeśli kiedykolwiek był racjonalny nieco samooceny we mnie, mówi mi, że nie powinno być z jednej proponowanie rzeczywisty układ analogowy do ciebie wszystkich ludzi - nie jest to łatwe 40 dBexperience że masz nade mną. Następnie: 2. Ta częstotliwość przełączania i nachylenie prądu są ograniczone. Właśnie tam mam trochę pewności co do tego, co wiem - jeśli sygnał wyjściowy jest ograniczony pasmem, szybkość, z którą musimy generować bieżące próbki, jest ograniczona. Nyquist jest twoim przyjacielem! Pytanie o to, ile zakresu dynamicznego potrzebujesz, ustala dolną granicę dla ...

— Marcus Müller,

... jak drobno trzeba podzielić okres próbny na „sloty” PWM. I to w ujęciu czasowym jest tylko częstotliwość, z którą jednostka PWM musiałaby pracować, a tranzystor musiałby się przełączać w skrajnym przypadku. Zgadzam się, że prędkość przełączania kilku MHz dla MOSFET-a przy tych napięciach dren-źródło nie zadziała. Jednak górny zakres kHz z CMOS brzmi realnie

— Marcus Müller

Mam na myśli ptaka, że tak powiem. Jestem prawie pewien, że drobna modyfikacja kodu będzie działała na moje potrzeby - ale oczywiście martwię się, że mogłem przegapić jakiś ważny szczegół. Działa jak ujście prądu na wejściu, wytwarzając napięcie na wyjściu; lub jako napięcie na wejściu sterujące prądem na wyjściu. Lub dowolna kombinacja. Mogę dodać znany rezystor na wejściu, czy nie. Mogę dodać znany rezystor na wyjściu, czy nie. Więc I -> I, I -> V, V -> I lub V -> V. Używam go jako obwodu sterownika pin, który mogę również połączyć, aby stworzyć poważny sterownik pinów.

— jonk

Twój obwód wygląda dobrze. BJT pnp HV będzie trudny do znalezienia. Używam typów 600 V do innych zadań, są tanie, łatwe do znalezienia i niezawodne. Możesz je połączyć szeregowo. Podłączyłem do 4 z nich szeregowo bez żadnych problemy. W przeciwnym razie możesz przejść do projektu całkowicie NPN, jak coś opartego na SRPP. Użyłem tanich mosfetów kanałowych 800 VN 2 serie na nogę mostka, aby uzyskać do +/- 500 VDC przy 1 Ma.

— Autystyczny
źródło