Augmentation de la plage de tension de conformité pour un circuit d'attaque de broches à courant constant à deux quadrants variables

Ce qui suit est pour le travail d'amateur et je n'ai aucune intention commerciale du tout. Seule une poignée (deux?) Sera construite. (Je les utilise pour les tests de pièces et la génération de courbes, bien qu'avec les conformités de tension plus élevées, je puisse trouver encore plus d'utilisations qu'auparavant.)

J'ai le circuit de commande de broches suivant, qui fournit jusqu'à $\pm 50\:\textrm{V}$ conformité de sortie tout en fournissant $\pm 10\:\textrm{mA}$ à une charge connectée entre la sortie du pilote de broche et la masse. (Les rails plus et plus gros sont d'environ $\pm 60\:\textrm{V}$ , avec les rails opamp à $\pm 15\:\textrm{V}$ )

schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Les vitesses de balayage en sortie pour le circuit ci-dessus ne dépassent généralement pas ou $20\:\frac{\textrm{A}}{\textrm{s}}$ . (Je pilote l'entrée à des taux de l'ordre de pas plus rapides que $100\:\frac{\textrm{mV}}{\mu\textrm{s}}$ , crête à crête, et souvent plus lent que cela.) $1\:\textrm{ms}$

Je souhaite étendre les tensions de conformité à et réduire la capacité actuelle du variateur à quelque part de $\pm 800\:\textrm{V}$ à peut-être $\pm 500\:\mu\textrm{A}$ . (Le taux de balayage de tension augmente ensuite à $\pm 1\:\textrm{mA}$ et cela peut aussi être un problème.) $1.6\:\frac{\textrm{V}}{\mu\textrm{s}}$

Obtention des rails d'alimentation haute tension appariés de n'est pas le problème. Mais j'ai pu ramasser à tant que pièces sur les mêmes dés (BCM846S, etc.) Je voudrais garder la correspondance de (et peut-être même .) Mais maintenant, le a augmenté « beaucoup » et la même topologie ne va pas au travail, car je ne pense pas qu'il y aitpaires assorties de QUELQUE BJT avec ce genre de . En fait, je ne suis pas sûr d'un PNP BJT discret qui se rapproche de ce que j'aimerais voir. (NPN, peut-être. Mais PNP?) $\pm 850\:\textrm{V}$ $Q_1$ $Q_4$ $V_{BE}$ $\beta$ $V_{CEO}$ $V_{CEO}$

Je peux imaginer mettre en place une autre paire de rails de tension (près des rails haute tension, mais peut-être plus près du sol) et en utilisant une conception cascodée (en utilisant quatre BJT supplémentaires) afin de protéger les paires de miroirs appariés côté haut et bas. Cette alimentation en tension supplémentaire n'aurait pas besoin de gérer plus de $40\:\textrm{V}$ ou environ, il n'est donc pas si difficile de construire à partir des nouveaux rails d'alimentation haute tension. Mais s'il y a d'autres / meilleures pensées sur la topologie, j'aimerais les entendre. $10\:\mu\textrm{A}$

Voici ce que je veux dire:

schématique

^{simuler ce circuit}

Y a-t-il un problème auquel j'ai oublié de penser ici, ou puis-je faire mieux? Quelqu'un at-il une suggestion d'un processus par n'importe quel FAB pour les BJT discrets que je pourrais considérer pour les cascodes ici?

Je sais aussi que je serai également confronté à des problèmes entièrement différents liés aux dégagements et aux lignes de fuite, que je n'avais pas à affronter ici auparavant. C'est un sujet différent cependant, que j'aborderai séparément et plus tard. En ce moment, je me concentre sur la façon d'obtenir les conformités de tension significativement plus élevées que j'aimerais atteindre.

Pour plus de clarté, au cas où cela ne serait pas évident, le circuit est une source de courant contrôlée par tension continue (VCCS) qui coule ou fournit du courant dans une charge mise à la terre. (Une utilisation a été pour le traçage de courbes semi-conductrices.) Une tension d'entrée de fournirait $-10\:\textrm{V}$ dans la charge mise à la terre. Une tension d'entrée de $500\:\mu\textrm{A}$ coulerait $+10\:\textrm{V}$ de la charge mise à la terre. Onde triangulaire de tension, oscillant en douceur entre $500\:\mu\textrm{A}$ et $-10\:\textrm{V}$ générerait une onde triangulaire actuelle en une charge oscillant en douceur à partir de $+10\:\textrm{V}$ à $+500\:\mu\textrm{A}$ (que cette charge soit une diode ou une résistance.) Et la conformité de la tension devrait permettre de faire tout ce qui précède avec un $-500\:\mu\textrm{A}$ Résistance comme charge. À l'occasion, il sera utilisé avec une onde en dents de scie ou en triangle comme entrée. Je peux également le faire fonctionner avec $1.5\:\textrm{M}\Omega$ et $-1\:\textrm{V}$ à l'entrée de commande (ou même entre $+1\:\textrm{V}$ et $-100\:\textrm{mV}$ à l'entrée.) Le comportement doit être monotone tout au long. La fréquence maximale que j'utilise est d'environ $+100\:\textrm{mV}$ , mais je peux sacrifier un facteur 10 sur ce point si nécessaire. $1\:\textrm{kHz}$

Les circuits ci-dessus sont également bons pour un autre but. Si je supprime (en le remplaçant par ) et utiliser l'entrée inverseuse de l'ampli-op comme nœud dans lequel je peux m'enfoncer ou fournir du courant, et si je place également une résistance de précision connue de la sortie à la masse, la tension bipolaire à la sortie dépendra de le courant bipolaire à la terre. $0\:\Omega$ $R_8$

C'est en fait un module assez polyvalent.

bjt high-voltage current-source jonk
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Qu'est-ce que l'ampli op est censé faire?

Daniel

Est-il censé désactiver l'étage de polarité opposé avec les rails d'alimentation ??

Daniel

@Daniel L'ampamp op ou bien coule ou fournit du courant dans la charge attachée à la sortie. Ce faisant, il doit soit fournir, soit absorber le courant des rails d'alimentation. Ma réponse ici montre une autre telle application "folle" de l'idée: 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}

$Q_8$

jonk

cool ... vous reflétez le courant du côté entrée, et l'ampli-op ajuste cela en tirant le courant hors du rail intermédiaire sur le dessus ou le dessous selon les besoins ... les transistors de sortie (ainsi que ceux sur côté entrée) fonctionnent comme des résistances de haute valeur ... 800V / 500uA = ~ 1.6M ohm. Je n'ai pas le bon arrière-plan pour cela, mais cela me semblerait être un élément qui devient (un tout petit peu) extrême. Si votre charge est de 1,5 m, je suppose que vous êtes d'accord? les transistors à haute impédance transforment les courants parasites, le cas échéant, en de très grandes tensions? est-ce important?

utilisateur

Réponses:

Puisqu'il n'y a pas de réponse rapide:

Quelle est la sensibilité de votre application à l'ondulation (~ amplitude, vous avez déjà mentionné la bande passante)?

J'ai progressivement l'impression que vous devriez peut-être simplement avoir un transistor de commutation contrôlé par PWM du côté haut à un autre transistor de commutation contrôlé par PWM du côté bas, ajouter une résistance de détection de courant dans la plage de 3 kΩ au nœud entre ces deux, suivie d'un faible -pass filtre, et conduisez votre DUT à partir de cela.

schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Maintenant, vous contrôlez ces commutateurs en fonction de la position de l'impulsion lorsque le courant aux bornes de Rmeas traverse le 1 mA complet (comme observé par D2). Un étalonnage pourrait (ok, sera) nécessaire, mais en supposant qu'à une fréquence de commutation de peut-être 50 kHz est totalement suffisant pour cette application (et ce n'est déjà pas si facile, étant donné que vous devez conduire les portes ou les bases du haut - et commutateur bas côté à ce rythme), les MCU modernes seront à la hauteur. Je suis sûr que vous seriez en mesure de proposer une conception analogique qui pourrait être plus intelligente que celle proposée par le logiciel (bien que le faire dans le logiciel, malgré des problèmes de quantification, facilitera certainement l'intégration des données d'étalonnage).

J'ai donné un astérisque au Rectifier * car ce n'est pas vraiment comme si je vous recommandais d'utiliser un pont redresseur à diode PN ici - cela ne fonctionnera pas, car les courants de diode seront probablement plus grands que les courants de mesure. Un redresseur de précision basé sur opamp sur une alimentation flottante pourrait être la solution ici (et pourrait être construit, de manière rentable, au détriment d'une belle conception, avec une batterie ...). Dans tous les cas, l'ensemble du redresseur - optocoupleur - du circuit Zener n'est en réalité qu'un ADC de tension sans signe de 1 bit; un comparateur de fenêtre, ou même un circuit intégré d'ampèremètre approprié avec, par exemple, une liaison optique numérique vers le MCU de commande ferait probablement mieux.

De toute évidence, le LPF RC à une seule étape (1,6 kΩ ³ 100 nF) n'est qu'une approche rapide. cependant, il présente une atténuation de -36 dB à ma fréquence de commutation de 50 kHz (et je suppose que cela vous suffit) tout en s'appuyant sur une valeur de condensateur qui est toujours disponible en tant que condensateur à film pour> 1 kV avec une tolérance de 5%.

Ma motivation pour cela est qu'il est probablement plus facile d'aborder les transistors de commutation d'une manière suffisamment minutieuse que de contrôler les transistors de manière suffisamment linéaire aux tensions à la main.

Marcus Müller
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C'est comportemental. Mon circuit est réel. Transformer votre circuit d'un concept en réalité ... est une chose différente. Sans oublier que j'utilise mon circuit pour des balayages linéaires et que ce concept me ferait plutôt pivoter PWM. Avec la possibilité de faire pivoter 1600 V en une milliseconde, je ne peux qu'imaginer la fréquence requise comme "élevée" afin d'obtenir ce que je veux. Je voudrais savoir ce que vous imaginez que ces commutateurs ... si MOSFETs, je vois d' énormes fluctuations de tension de porte à travers de grandes capacités à grande vitesse et qui fait peur le blanc de moi.

jonk

Et considérez que les charges peuvent être n'importe quel appareil bizarre que je veux balayer. Cela signifie de gros condensateurs (courants fixes ou variables, tout en surveillant la tension) ou des inducteurs (commençant à zéro et augmentant à un taux spécifique, tout en surveillant la tension.) De plus, je peux utiliser mon circuit en sens inverse, court-circuiter R8 comme mentionné et utiliser ce nœud comme point de masse pour absorber le courant, la sortie réagissant en conséquence avec une charge que j'y place. C'est un circuit étonnamment polyvalent. Ce que vous proposez semble beaucoup plus limité et moins polyvalent. En supposant que je pourrais travailler sur les détails de le faire.

jonk

Deux choses: 1. Oui, c'est très abstrait. Si jamais il y avait un peu rationnel de l' auto-évaluation en moi, il me dit que je ne devrais pas être celui qui propose des circuits analogiques réel pour vous de toutes les personnes - il y a un 40 dBexperience facile que vous avez sur moi. Ensuite: 2. Cette fréquence de commutation et la pente actuelle sont limitées. C'est en fait là que j'ai un peu confiance en ce que je sais - si le signal de sortie est limité en bande, la vitesse à laquelle nous devons générer des échantillons actuels est limitée. Nyquist est votre ami! La question de la plage dynamique dont vous avez besoin définit alors une limite inférieure pour ...

Marcus Müller

... à quel point vous avez besoin de diviser la période d'échantillonnage en "slots" pwm. Et qu'en terme, c'est juste la fréquence à laquelle une unité pwm devrait fonctionner et un transistor devrait commuter dans le cas extrême. Maintenant, je suis d'accord, une vitesse de commutation de quelques MHz pour un MOSFET à ces tensions drain-source ne fonctionnera pas. Cependant, la plage de kHz supérieure avec CMOS semble réalisable

Marcus Müller

J'ai un oiseau dans la main, pour ainsi dire. Je suis presque sûr que la modification mineure de cascode fonctionnera pour mes besoins - mais bien sûr, je crains d'avoir raté certains détails importants. Il fonctionne comme un puits de courant à l'entrée, produisant une tension à la sortie; ou comme une tension à l'entrée contrôlant un courant à la sortie. Ou n'importe quel combo. Je peux ajouter ou non une résistance connue à l'entrée. Je peux ajouter ou non une résistance connue à la sortie. Donc, je -> I, I -> V, V -> I ou V -> V. Je l'utilise comme circuit de commande de broches que je peux également combiner pour créer un pilote de broches sérieux.

jonk

Votre circuit a l'air bien .Les BJT pnp HV seront difficiles à trouver. J'utilise des types 600 V pour d'autres travaux, ils sont bon marché et faciles à trouver et fiables. Vous pouvez les connecter en série. J'en ai connecté jusqu'à 4 en série sans aucun Sinon, vous pouvez opter pour une conception entièrement NPN comme quelque chose basé sur un SRPP. J'ai utilisé des mosfets à canal 800 VN pas chers 2 séries par jambe de pont pour obtenir jusqu'à +/- 500 VDC à 1 Ma.

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