增加可变二象限恒流引脚驱动器电路的顺从电压范围

电器工程 bjt 高压 电流源
2022-01-17 15:19:54

以下是业余爱好者的工作,我完全没有商业意图。只有少数(两个?)将被建造。(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。)

我有以下引脚驱动电路,它提供高达 \$\pm 50\:\textrm{V}\$ 输出顺从电压,同时为负载提供 \$\pm 10\:\textrm{mA}\$连接在引脚驱动器输出和地之间。(较大的正负轨大约为 \$\pm 60\:\textrm{V}\$,运算放大器轨在 \$\pm 15\:\textrm{V}\$。)

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

上述电路的输出压摆率一般不超过 \$20\:\frac{\textrm{A}}{\textrm{s}}\$ 或 \$100\:\frac{\textrm{mV}} {\mu\textrm{s}}\$。(我以不快于 \$1\:\textrm{ms}\$ 的速率驱动输入,峰值到峰值,并且通常比这慢。)

我想将合规电压扩展到 \$\pm 800\:\textrm{V}\$ 并将电流驱动能力降低到从 \$\pm 500\:\mu\textrm{A}\$ 到也许\$\pm 1\:\textrm{mA}\$。(然后电压转换率增加到 \$1.6\:\frac{\textrm{V}}{\mu\textrm{s}}\$,这也可能是一个问题。)

获得 \$\pm 850\:\textrm{V}\$ 的配对高压电源轨不是问题。但是我能够通过 \$Q_4\$ 拾取 \$Q_1\$ 作为同一个骰子(BCM846S 等)上的部分。我想保持 \$V_{BE}\$ 的匹配(也许甚至 \$\beta\$。)但是现在 \$V_{CEO}\$ 已经“上升了很多”,并且相同的拓扑结构不起作用,因为我认为没有任何匹配的对具有那种 \$V_{CEO}\$ 的 BJT。事实上,我不确定是否有任何离散的 PNP BJT 接近我希望看到的。(也许是 NPN。但是 PNP?)

我可以想象设置另一对电压轨(靠近高压轨,但可能 \$40\:\textrm{V}\$ 更接近地面)并使用级联设计(使用另外四个 BJT)以保护高端和低端匹配镜对。增加的电压供应不需要处理超过 \$10\:\mu\textrm{A}\$ 左右,因此用新的高压电源轨构建可能并不难。但是,如果对拓扑有其他/更好的想法,我想听听。

这就是我的意思:

示意图

模拟这个电路

有没有我在这里想念的问题,还是我可以做得更好?有没有人对任何 FAB 对离散 BJT 的任何流程提出建议,我可能会考虑这里的级联?

我也知道我还将面临与电气间隙和爬电距离相关的完全不同的问题,这是我以前不必面对的。不过,这是一个不同的主题,我将在稍后单独讨论。现在,我专注于如何获得我想要实现的显着更高的电压合规性。


只是为了清楚起见,如果不是很明显,该电路是一个直流电压控制电流源 (VCCS),它可以将电流吸收或提供到接地负载中。(一种用途是半导体曲线跟踪。)\$-10\:\textrm{V}\$ 的输入电压将向接地负载提供 \$500\:\mu\textrm{A}\$。\$+10\:\textrm{V}\$ 的输入电压将从接地负载吸收 \$500\:\mu\textrm{A}\$。在 \$-10\:\textrm{V}\$ 和 \$+10\:\textrm{V}\$ 之间平稳振荡的电压三角波会在从 \$+ 平稳振荡的负载中生成电流三角波500\:\mu\textrm{A}\$ 到 \$-500\:\mu\textrm{A}\$(无论该负载是二极管还是电阻器。)并且电压合规性应该支持执行所有上面有一个 \$1.5\:\textrm{M}\Omega\$ 电阻器作为负载。不定期的,它将以锯齿波或三角波作为其输入进行操作。我也可以在控制输入的 \$-1\:\textrm{V}\$ 和 \$+1\:\textrm{V}\$ 之间操作它(甚至在 \$-100\:\ textrm{mV}\$ 和 \$+100\:\textrm{mV}\$ 在输入端。)行为必须始终是单调的。我使用的最大频率约为 \$1\:\textrm{kHz}\$,但如有必要,我可以在该点上牺牲 10 倍。


上述电路也适用于另一个目的。如果我删除(通过用 \$0\:\Omega\$ 替换它)\$R_8\$ 并使用运算放大器的反相输入作为我可以吸收或提供电流的节点,如果我还放置一个已知的从输出到地的精密电阻器,那么输出端的双极电压将取决于对地的双极电流。

它实际上是一个相当通用的模块。

2个回答

你的电路看起来不错。HV pnp BJT 很难找到。我将 600V 类型用于其他工作,它们便宜、容易找到且可靠。你可以将它们串联起来。我已经将其中的 4 个串联起来,没有任何问题。否则,您可以采用全 NPN 设计,例如基于 SRPP 的设计。我使用便宜的 800 VN 通道 mosfets 2 系列每个桥臂在 1 Ma 时达到 +/- 500 VDC。

由于没有涌入的答案:

您的应用程序对纹波有多敏感(〜幅度,您已经提到了带宽)?

我逐渐感觉到您可能应该将一个 PWM 控制的开关晶体管从高端连接到另一个 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 范围内的电流检测电阻,然后是一个低-通过过滤器,并从中驱动您的 DUT。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

现在,您将根据 Rmeas 上的电流超过 1mA(如 D2 观察到的)时的脉冲位置来控制这些开关。校准可能(好的,将)是必要的,但假设 50 kHz 的开关速率对于此应用完全足够(考虑到您需要驱动高电平的栅极或基极,这已经不是那么容易了) - 和低侧开关以这种速度),现代 MCU 将能够胜任这项任务。我相信你能想出一个可能比我提出的软件更聪明的模拟设计(尽管在软件中进行,尽管存在量化问题,但肯定会使合并校准数据变得容易)。

我给 Rectifier* 打了一个星号,因为这并不是我真的建议您在这里使用 PN 二极管桥式整流器——这不起作用,因为二极管电流可能大于测量电流。浮动电源上的基于运算放大器的精密整流器可能是这里的解决方案(并且可以以具有成本效益的方式构建,但以美观的设计为代价,带有电池......)。无论如何,整个整流器-光耦-齐纳电路实际上只是一个1位符号忽略电压ADC;一个窗口比较器,甚至一个适当的电流表 IC,例如与控制 MCU 的数字光学链路,可能会做得更好。

显然,单级 RC (1.6kΩ ł 100nF) LPF 在这里只是一种快速的'n'dirty 方法。但是,它在我的 50 kHz 开关频率下确实表现出 -36dB 幅度衰减(我猜这对你来说已经足够了),同时依赖于一个电容器值,该电容器值仍然可用作 >1kV 的薄膜电容器,容差为 5%。

我这样做的动机是,以足够精细的定时方式处理开关晶体管可能比在手头电压下以足够线性的方式控制晶体管更容易。