增加可变二象限恒流引脚驱动器电路的顺从电压范围

以下是业余爱好者的工作，我完全没有商业意图。只会构建少数几个（两个？）。（我将它们用于零件测试和曲线生成，尽管在更高的电压合规性下，我可能会发现比以前更多的用途。）

我有以下引脚驱动器电路，该电路可提供高达输出顺从电压，同时提供 $\pm 50\:\textrm{V}$ 连接到引脚驱动器输出和地之间的负载。（较大的正负轨道约为 $\pm 10\:\textrm{mA}$ ，运放轨为 $\pm 60\:\textrm{V}$ 。 $\pm 15\:\textrm{V}$

原理图

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

上述电路的输出摆率通常不超过或 $20\:\frac{\textrm{A}}{\textrm{s}}$ 。（我以不超过速率驱动输入 $100\:\frac{\textrm{mV}}{\mu\textrm{s}}$ ，峰到峰，并且通常比这慢。） $1\:\textrm{ms}$

我想将顺从电压扩展到，并将电流驱动能力降低至 $\pm 800\:\textrm{V}$ 或许 $\pm 500\:\mu\textrm{A}$ 。（然后，电压压摆率增加到 $\pm 1\:\textrm{mA}$ ，这可能是一个问题了。） $1.6\:\frac{\textrm{V}}{\mu\textrm{s}}$

获得的配对高压电源轨不是问题。但是我能够将到作为同一骰子的一部分（BCM846S等）拾取，我想保持（甚至）的匹配。但是现在又涨了“很多”和相同的拓扑结构是行不通的，因为我不认为有任何配对用的那种双极结型晶体管。实际上，我不确定是否有任何离散的PNP BJT接近我想要看到的。（也许是NPN。但是PNP？） $\pm 850\:\textrm{V}$ $Q_1$ $Q_4$ $V_{BE}$ $\beta$ $V_{CEO}$ $V_{CEO}$

我可以想象设置另外一对电压轨（靠近高压轨，但也许是靠近地面），并采用级联设计（又使用四个BJT），以保护高端和低端匹配镜对。所增加的电压供应不需要处理超过 $40\:\textrm{V}$ 或其附近，因此它可能不是所有难以构建新的高电压电源导轨的进行。但是，如果对拓扑有其他/更好的想法，我想听听他们的看法。 $10\:\mu\textrm{A}$

这就是我的意思：

原理图

^{模拟该电路}

我有没有想过这里的问题，还是可以做得更好？有没有人建议任何FAB对离散BJT进行任何处理，我可能会在这里考虑其共源共栅？

我也知道，我还将面临与间隙和爬电有关的完全不同的问题，而我以前不必在这里面对过。但是，这是一个不同的主题，我将在以后单独讨论。现在，我专注于如何获得想要达到的更高的电压合规性。

$-10\:\textrm{V}$ $500\:\mu\textrm{A}$ $+10\:\textrm{V}$ $500\:\mu\textrm{A}$ $-10\:\textrm{V}$ $+10\:\textrm{V}$ $+500\:\mu\textrm{A}$ $-500\:\mu\textrm{A}$ $1.5\:\textrm{M}\Omega$ $-1\:\textrm{V}$ $+1\:\textrm{V}$ $-100\:\textrm{mV}$ $+100\:\textrm{mV}$ $1\:\textrm{kHz}$

$0\:\Omega$ $R_8$

它实际上是一个相当通用的模块。

bjt high-voltage current-source

— nk
source

运算放大器应该做什么？

— 丹尼尔（Daniel）

是否应该关闭电源导轨的相反极性级？

— 丹尼尔（Daniel）

@Daniel运算放大器向连接到输出的负载吸收电流或提供电流。为此，它必须从电源轨提供电流或吸收电流。在这里，我的答案给出了这个概念的另一个这样的“疯狂”的应用：electronics.stackexchange.com/questions/256955/...

— jonk

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}

$Q_8$

— 2015年

很酷...您正在镜像输入侧的电流，而运算放大器通过根据需要从顶侧或底侧的中间轨中拉出电流来调整电流，从而实现了输出晶体管（以及输入端）的功能类似于高阻值电阻... 800V / 500uA =〜1.6M ohm。我没有合适的背景知识，但是这会使我感到震惊，因为这是一个（一点点）极端的因素。如果您的负载为1.5M，那我想您还好吗？高阻抗晶体管会将杂散电流（如果有的话）拉成相当大的电压？这有关系吗？

— 用户

Answers:

由于没有涌入的答案：

您的应用程序对波动有多敏感（〜振幅，您已经提到带宽）？

我逐渐得到一种感觉，您可能应该只需要一个PWM控制的开关晶体管从高端到另一个PWM控制的开关晶体管到低端，在这两者之间的节点处添加一个3kΩ范围的电流检测电阻， -通滤波器，并从中驱动DUT。

原理图

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

现在，您将基于流过Rmeas的电流超过完整的1mA时的脉冲位置（由D2观察到）来控制这些开关。校准（可能会）是必要的，但是假设以50 kHz的开关频率完全可以满足该应用的要求（考虑到需要驱动高电平的栅极或基极，这还不那么容易） -和低端开关的速率），现代MCU将可以完成任务。我敢肯定，您将能够提出一种比我建议的软件更聪明的模拟设计（尽管在软件中进行设计，尽管存在量化问题，但肯定会易于整合校准数据）。

我给整流器*加上了星号，是因为它并不是真的建议您在此处使用PN二极管桥式整流器，因为它的二极管电流可能会大于测量电流，所以这将无法工作。浮动电源上基于运算放大器的精密整流器可能是此处的解决方案（可以以节省成本的成本建造，以美观的设计为代价，并配有电池...）。无论如何，整个整流器-光耦合器-齐纳电路实际上只是一个1位无符号电压ADC。一个窗口比较器，甚至是一个适当的电流表IC，例如与控制MCU的数字光链路，可能会做得更好。

显然，这里的单级RC（1.6kΩł100nF）LPF只是一种快速的处理方法。但是，它在我的50 kHz开关频率下确实表现出-36dB的幅度衰减（我的猜测是，这对您来说已经足够了），同时依赖于仍可作为> 1kV且具有5％容差的薄膜电容器的电容器值。

我这样做的动机是，以足够精细的定时方式寻址开关晶体管可能比以当前电压以足够线性的方式控制晶体管要容易得多。

— 马库斯·穆勒（MarcusMüller）
source

这是行为。我的电路是实际的。将您的电路从概念变成现实...是另一回事。更不用说我将我的电路用于线性扫描，而这个概念反而会让我转换PWM。具有在一毫秒内转换1600 V电压的能力，我只能将所需的频率想象为“高”，以得到所需的频率。我想知道您对这些开关的想象...如果是MOSFET，我会看到巨大的栅极电压会在较大的电容上高速摆动，这让我感到空白。

— jonk

并且考虑到负载可能是我想要扫描的任何奇异设备。这意味着需要大电容（在监视电压时为固定电流或可变电流）或电感器（在监视电压时从零开始并以特定速率斜升，同时监视电压。）此外，我可以反过来使用我的电路，如上所述短路R8并使用该节点作为吸收电流的接地点，输出在负载I的情况下相应地响应。这是一个出奇的通用电路。您建议的内容似乎更加有限，通用性更差。假设我可以计算出实际执行的细节。

— jonk

两件事：1.是的，这是非常抽象的。如果曾经有过自我评估的合理位在我身上，它告诉我，我不应该是一个提议实际模拟电路你们所有的人-有一个简单的40 dBexperience你有我。然后：2.限制开关频率和电流斜率。实际上，这是我对所知道的内容充满信心的地方-如果输出信号受频带限制，则生成当前样本所需的速率将受到限制。奈奎斯特（Nyquist）是你的朋友！您需要多少动态范围的问题然后为...设置了下限

— MarcusMüller17年

...您需要多么精细地将采样周期划分为pwm“时隙”。这就是在极端情况下pwm单元需要运行而晶体管需要切换的频率。现在，我同意，在这些漏极-源极电压下，MOSFET的几个MHz开关速度将无法解决。然而，上kHz的范围内与CMOS确实可行的声音

— 马库斯缪勒

可以这么说，我手里有一只鸟。我非常确定，对级联进行较小的修改就可以满足我的需要-但是，我当然担心自己可能错过了一些重要的细节。它在输入端充当电流吸收器，在输出端产生电压。或作为输入电压控制输出电流。或任何组合。我可以在输入端添加一个已知的电阻，也可以不添加。我可以在输出端添加一个已知的电阻，也可以不添加。因此，我-> I，I-> V，V-> I或V->V。我将其用作引脚驱动器电路，也可以将其组合成一个认真的引脚驱动器。

— jonk

您的电路看起来不错。HVpnp BJT很难找到。我将600V类型用于其他工作，它们便宜且容易找到且可靠。您可以将它们串联。我最多可以串联4个这样的产品问题。否则，您可以像使用基于SRPP的设备一样进行全NPN设计。我已经使用便宜的800 VN通道mosfets每个桥臂2个系列，以在1 Ma时达到+/- 500 VDC。

— 自闭症
source