具有快速稳定时间的MOSFET开关,用于开关电场


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应用: 我在真空室内有一个铜网(10cm x 10cm正方形),该铜网通过24厘米长的铜线连接到BNC连接器。的目标是从8 V 0 V快速切换目电压(相对于地)到〜。(这将切换腔室中的电场,这是我们原子物理实验的控制机制。) 至关重要的是,在切换开始后约500 ns,信号稳定至<10 mV(〜<0.1%)。 网格是浮动的;它没有在腔室中终止。

问题: 我的倒方波底部有一个“驼峰”。我需要弄平它。

电路:我已经确定了一个简单的MOSFET开关电路:

电路原理图

说明: MOSFET(ZVN2110A-ND,N通道增强模式)由IRS2117PBF-ND驱动器驱动,该驱动器输出15 V正脉冲。该触发脉冲的基线浮在V_S上,该V_S通过一个小电阻器连接到V_LO。网格连接到点B。输出低通滤波器是解决该问题的尝试。所有电阻值均通过实验确定(即最初使用电位计确定)。结果是在覆铜板上使用“死虫”样式进行硬接线。

硬线死虫 在此处输入图片说明

探针详细信息: 为了模拟网格,我将24厘米长的导线焊接到一块覆铜的穿孔板上,并将其连接到电路输出(点B)。我使用Tektronix探头(500 MHz,8.0 pF,10MOhm,10x)将性能板上的信号探查到Tektronix示波器(TDS3012 100 MHz数字示波器)中。

观察结果: 它的切换速度足够快(尽管我可以通过移除滤波器来加快速度),振铃幅度和持续时间是可以忍受的,但是在(基本)微秒时间尺度上,会有很大的“驼峰”和下垂/下垂20 mV(在图像中用红线标记)。这太大了,无法进行我们的实验,该实验是从切换开始到切换后大约10微秒的时间。

范围跟踪1范围跟踪2

应用细节: 我们在实验中使用电场来调整原子共振。扫描施加到原子上的电场可以让我们记录这些共振的“频谱”,从而显示其位置和形状。这些共振的宽度和间隔约为1-10 mV / cm(非常小!)。要施加电场,我们将原子放置在两个扁平的铜网片之间,相隔1厘米。铜网片之间的电场只是网片之间的电位差(1 V差等于1 V / cm电场,以1对1转换)。在收集频谱时,我们通过切换到相应的电压并在检测之前等待几微秒来采样一个电场值。 如果在采样期间电压(以及由此产生的电场)的漂移大于共振的大小(<10 mV),则分辨率会下降到光谱图像变得模糊不清的程度。

其他想法: 我考虑了MOSFET发热的可能性,从而改变了它的导通电阻(通常〜4欧姆)。为了对此进行测试,我尝试了两件事:(1)并联放置两个MOSFET,(2)用具有低得多的导通电阻(100 mOhm)的IRF1010EZ MOSFET代替ZVN2110A。两种情况均无济于事,“驼峰”仍然是20 mV,仍然持续几微秒。在我看来,增加上拉电阻(如注释中所建议)也可能会有所帮助,因此我将尝试这样做。

更新1: 我尝试将上拉电阻从470欧姆增加到10 kOhms。对输出没有影响;初始振铃后,它仍然具有20 mV的“驼峰”。

更新2: 从电路上断开“模拟”电线+网格的连接,并直接探测B点对测量的信号没有影响。

更新3: 下面是上面示意图中相应点的迹线:

在此处输入图片说明在此处输入图片说明

好像“驼峰”也出现在栅极脉冲上。FET附近的点“ D”看起来与探测网格没有什么不同。

更新4: 我(1)将上拉电阻器增加到1kOhm,(2)移除了滤波1000pF电阻器,(3)断开了网格,(4)在导轨上添加了两个“堵塞罐” 470uF电解电容器,并且(5)用更快的脉冲发生器(安捷伦33250A)代替了脉冲发生器。新的原理图和迹线:

在此处输入图片说明 在此处输入图片说明在此处输入图片说明

即使FET驱动器具有更快的触发脉冲,问题仍然存在。“堵塞罐”盖似乎确实过滤掉了一些高频振荡,但“驼峰”仍然存在。


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在这种情况下不确定下垂是什么意思。我建议张贴一张带有清晰标记的“下降”部分的图片。另外,请解释为什么这种下垂会使电路不合适。主动式高/低驱动器可能会有所帮助。
罗素·麦克马洪

我只能建议您的上拉电阻非常低。我认为该网格的阻抗很高(没有故意与任何物体相连),因此更高的上拉电阻(如10 kOhms)应足以使其处于高压状态。像罗素一样,我不知道您所说的“下降”是什么意思,因为通常的定义似乎都不适用。显示作用域跟踪并确切解释您不满意的内容。
奥林·拉斯洛普

我改写了这篇文章,将重点放在“定居时间”上,而不是“下降”上。“图像”下的链接提供了突出显示问题的作用域跟踪。(注意:在我的声誉为10之前,我不能发布图片或超过2个链接。)我将尝试使用10kOhm的上拉电阻并发布结果。
Higgy 2012年

支持您的问题应该可以解决信誉问题:)您的网格有多大?我假设8v是从一个网格到另一个网格测得的。毕竟,电压必须参考某物。我正在寻找可以保持电压的电容。输出上有1000pf。有极板的电容。FET有放大的(米勒)电容。但这都不是很令人信服的。此外,结合引线的电感,可能会发生RF谐振(振铃),但似乎建立得足够快。
gbarry

@gbarry:对于此讨论,请参考接地的8V接地。网格约为 10厘米x 10平方厘米,由非常细的铜线组成(约95%的光学透明性),由钢框架支撑在侧面,并与腔室电气隔离。相同的网格与之平行且相隔1厘米;它已接地。将网格连接到“外部世界”(即BNC穿通线)的24厘米长的电线没有屏蔽,并且其中可能有一些回路。
higgy 2012年

Answers:


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如果看一下驼峰的特征频率,它约为100赫兹(KHz)。在该范围内具有主导极点的电路中,唯一的东西就是电源。查看下部导轨,看它是否与驼峰相关。


下部导轨由HP E3620A(25V,1A,双输出)供电。MOSFET驱动器的+ 15V上轨由该电源的另一输出供电。MOSFET的漏极侧由MPJA 9312-PS(120V,1A)供电。乍一看,我唯一能找到与HP电源对应的时间/频率的是“负载瞬态响应”,它应该小于50微秒。听起来慢。这可能是问题吗?
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是的,这基本上是我指出的。您的轨道在弹跳。电源中的控制回路往往是较低的频率。->解决方案?在上面放一些果酱罐盖以提供电荷存储。
占位符

如果您可以在较低的轨道上行驶,那么吉伯里(Gbarry)关于直接驾驶的评论是一个很好的评论。
占位符

如果事实证明安捷伦脉冲发生器不是问题所在(请参阅@gbarry的评论),而我尝试这样做,应如何将电容接线到电路中?从V_LO电源到地面有上限吗?(如果很复杂,您可以链接到图形吗?)另外,您可以建议一个上限值吗(0.1uF可以吗?),这是什么意思呢?
Higgy 2012年

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果酱罐”->即非常大,井的大小...果酱罐(不要问我为什么使用该术语,果酱不再用罐头出售了。)实际上,您很幸运,响应速度很慢,因此即使是电解(Al)也可以工作,只需将其跨接在电源的+和-端子上以稍后进行测试和检测错误,请注意极性。 –太高了,获得100的uF尺寸。如果将探头放在较低的导轨上,则即使在连接盖帽之前也可以立即验证此假设
占位符

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我敢打赌,您所说的驼峰是由网格的电容和24 cm电缆的电感/阻抗引起的。这里有一些尝试:

  1. 减少24厘米电缆的长度。这将减少电缆的电感/阻抗,并允许更快地释放网孔。

  2. 使24厘米电缆更粗。与#1相同。

  3. 将MOSFET移到腔室内靠近栅极的位置。与#1相同,但极端。

  4. 承载网状放电电流的任何电线必须尽可能短且粗。这包括任何接地线。

其中一些,也许是大多数,在“科学操作”中将是不切实际的,但无论如何,它们还是值得做的,只是有助于缩小这种驼峰的来源。


如您所料,所有这些建议都会很困难。他们需要打开反应室,这将使我们的实验延迟大约一个月(要达到超高真空,需要几个泵阶段并进行烘烤)。我仍然可以通过使用“模拟”线+铜穿孔板来测试您的理论,看看是否可以使用较短/较粗的线等来减小驼峰
。– higgy

更新:OP中的痕迹来自于探测通过24厘米长的电线连接到“ B点”的铜箔穿孔板,以模仿电线+网格。我只是断开了连接并直接探查“ B点”。不幸的是,信号没有改变。“驼峰”仍然存在并且大小相同。
Higgy 2012年

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了解电压的作用可能是有启发性的(a)在电网上,(b)在连接到点“ b”的电阻上,(c)在FET的漏极,最后,(d)在FET的栅极。可能是布线中的电感/电容,但可能是FET所做的事情超出了我们的预期。

我想知道您是否可以直接从IRS2117驱动电网,因为您的电压和电流都不是极端的。栅极驱动器旨在驱动FET栅极的电容负载,这似乎是原始问题的本质。

最后,如果必须采取极端措施,则可能需要某种控制回路方案,其中电源为负,实际上将输出驱动为负,直到其达到零(这会电网中拉出电流)...然后带来一个反馈线从输出端进入,以控制该驱动电路,以便它仅应用正确的驱动器即可获得此行为。

编辑:我刚刚注意到V LO。那是什么电压 我想我的大部分回答都消失了...


我已经对电路上的大多数点进行了跟踪,但是我必须等到以后再发布它们。有趣的是,“驼峰”出现在栅极脉冲以及驱动器的输入触发脉冲上。因此,也许我的Agilent 33220A就是问题所在,并且只是在电路中传播。对于本讨论,V_LO可以视为0V。请参阅对@rawbrawb的有关电源的评论。最终,我们想从0-7V扫描V_LO以记录原子光谱。
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首先,我假设您正在测量电路中B点的感兴趣信号。

其次,我假设您已经计算出电路必须处理的RC时间常数-我的估计是(对于真空系统外的短直接引线):C〜100pF,R〜600欧姆,因此t〜0.1usec。要达到信号的0.1%,需要约7个时间常数或约0.7usec。

给定的电路问题是,MOSFET的输出电容为25pF,输入电容为75pF,传输电容为8pF。同样,必须去除的栅极电荷为1n Coloumb。

正如您已经注意到的,信号发生器的输出正通过驱动器传输到输入,然后再传输到MOSFET的输出。同样,大多数脉冲发生器的额定下降时间没有达到真正的零伏-通常将时间指定为90%到10%的时间。

更好的解决方案是使用CD4010UB栅极来代替驱动器和MOSFET-将信号发生器连接到栅极输入,并将栅极输出连接到连接到B点的600欧姆电阻。不幸的是,'10可能不再适用-搜索找不到我。

“第二好”部分是CD4009UB六角逆变器(可从Digikey部件号292-2030-J-ND 0.55美元购买)。

“诀窍”是该器件的门输入和输出部分具有独立的电源连接。输入连接(Vdd)应设置为输出所需的最高电压,输出连接(Vcc)的范围应设置为0至Vdd。

尽管有数据手册,但我已将此配置与Vcc从-0.3V到Vdd一起使用时没有问题。

您将必须调整600欧姆电阻来补偿栅极的内部电阻-〜200欧姆-否则您可以并联所有六个栅极输入及其输出。如果您不与其他五个门并联,则应将其输入连接至Vdd-不要让它们悬空。


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您很有可能正在测量示波器的过载恢复。请看下面的示波器屏幕截图:

范围过载恢复 蓝色痕迹测得的电压不存在。如您所见,在显示屏的左侧,迹线移出了屏幕,并在示波器模拟前端内剪切了高速运算放大器。这会导致各种各样的麻烦,例如输入级中的差分加热,偏置点变位等。因此,运算放大器需要数十毫秒的时间来稳定……对于具有数百MHz带宽的芯片而言,令人惊讶的是不是吗

阅读此Jim Williams文档中的奖励内容(粉红色背景):

http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an10f.pdf

我并不是说这是罪魁祸首,但有可能。当跟踪剪辑时,即使持续一微秒,范围也不应被信任。直到我们绝对确定一切都已冷却,每个积分电容器中的所有存储电荷已恢复到标称值后,任何即使在极短的时间(如1ns)内都会发生削波或接近削波的线性电路,都无法信赖其精度或稳定度。值等...

顺便说一下,这包括一个进入摆率限制的运算放大器。恢复时间是数据表中提到的建立时间,并且在压摆之后比在处理相同幅度的压摆限制脉冲之后要长得多。请注意,数据表中指定的建立时间通常意味着运算放大器DID NOT剪辑!

为了测量稳定时间,您需要采取特殊措施,最有可能是模拟开关在被测范围内之后才让被测电压经过几十纳秒...

您还可以在反馈网络中使用优质的精密运算放大器(指定用于快速准确的建立时间,比您要测量的速度快得多)和限制二极管。减慢MOSFET的开关速度,直到没有尖峰使运算放大器感到不安。

出于同样的原因,无法使用示波器来测量脉冲发生器输出脉冲的平坦度。

http://cds.linear.com/docs/zh-CN/application-note/an79.pdf

玩得开心!当需要携带Jim Williams应用笔记时,您就知道自己有麻烦了!这些是非常棘手的问题...

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