電界を切り替えるための高速整定時間付きMOSFETスイッチ

用途： 24cmの銅線でBNCコネクタに接続された真空チャンバー内に銅メッシュ（10cm x 10cmの正方形）があります。ゴールはすぐに〜0 Vに8 Vから（接地を基準）メッシュ電圧を切り替えることです。（これにより、原子物理実験の制御メカニズムであるチャンバー内の電界が切り替わります。） 切り替えが開始してから約500 ns後に、信号が10 mV未満（〜<0.1％）に落ち着くことが重要です。 メッシュは浮いています。チャンバー内で終端されていません。

問題： 反転した方形パルスの下部に「こぶ」があります。平らにする必要があります。

回路：簡単なMOSFETスイッチング回路に落ち着きました：

説明： MOSFET（ZVN2110A-ND、Nチャネルエンハンスメントモード）は、15 Vの正パルスを出力するIRS2117PBF-NDドライバによって駆動されます。このトリガーパルスのベースラインは、小さな抵抗によってV_LOに接続されているV_Sにフロートします。メッシュはポイントBに接続されています。出力ローパスフィルターは問題を修正する試みでした。すべての抵抗値は実験的に（つまり、最初にポテンショメータを使用して）決定されました。その結果は、銅張基板上で「デッドバグ」スタイルを使用してハードワイヤードされました。

プローブの詳細： メッシュをシミュレートするために、銅張りのperfボードに24 cmワイヤーをはんだ付けし、回路出力（ポイントB）に接続しました。私はTektronixプローブ（500 MHz、8.0 pF、10 Mオーム、10倍）を使用してパフォーマンスボード上の信号をTektronixスコープ（TDS3012 100 MHzデジタルスコープ）にプローブしました。

観察： 十分に速く切り替わります（ただし、フィルターを削除することでスピードアップできます）。リンギングの振幅と持続時間は許容範囲ですが、（本質的な）マイクロ秒のタイムスケールでは、大きな「こぶ」と垂下/垂下があります。 20 mV（画像では赤い線でラベル付けされています）。これは許容できないほど大きく、切り替えの瞬間から切り替え後約10マイクロ秒まで行われる実験を行うことができません。

アプリケーションの詳細： 実験では、原子共鳴を調整するために電界を使用します。原子に適用された電界をスキャンすることで、これらの共鳴の「スペクトル」を記録して、それらの位置と形状を示すことができます。これらの共振の幅と間隔は、1〜10 mV / cm（非常に小さい）のオーダーです。電界をかけるには、メッシュを2つの平らな銅片の間に1 cm離して配置します。銅メッシュピース間の電界は、メッシュピース間の電位差です（1 Vの差は1 V / cmの電界に相当し、1から1に変換されます）。スペクトルの収集では、対応する電圧に切り替えて検出前に数マイクロ秒待機することにより、電界値をサンプリングします。 サンプリング期間中に共振のサイズ（<10 mV）を超える電圧（および電界）がドリフトすると、解像度が低下し、スペクトル画像がぼやけて認識できなくなります。

追加の考え： 私はMOSFETが加熱し、それによってそのオン抵抗（通常〜4オーム）が変化する可能性を検討しました。これをテストするために、私は2つのことを試しました：（1）2つのMOSFETを並列に配置すること、および（2）ZVN2110Aをはるかに低いオン抵抗（100 mOhm）のIRF1010EZ MOSFETに置き換えること。どちらも役に立たなかったため、「こぶ」はまだ20 mVであり、数マイクロ秒続きます。（コメントで提案されているように）プルアップ抵抗を増やすことも役立つと思われるので、これを試します。

更新1： プルアップ抵抗を470オームから10キロオームに増やしてみました。出力への影響はありませんでした。最初のリンギング後も20 mVの「こぶ」があります。

更新2： 「モックアップ」ワイヤ+メッシュを回路から切断し、ポイントBを直接プローブしても、測定信号には影響しません。

更新3： 以下は、上の回路図の対応するポイントのトレースです。

ゲートパルスにも「こぶ」が出ているように見えます。FETのすぐ近くのポイント「D」は、メッシュをプローブすることと何の違いもありません。

更新4： （1）プルアップ抵抗を1kOhmに増やし、（2）フィルタリング1000pF抵抗を削除し、（3）メッシュを切断し、（4）2つの「ジャム缶」470uF電解コンデンサをレールに追加し、 （5）パルス発生器をより高速なものに交換（Agilent 33250A）。新しい回路図とトレース：

FETドライバーのトリガーパルスが高速であっても、問題は残ります。「ジャム缶」のキャップは、いくつかの高周波振動を除去するように見えますが、「こぶ」は残ります。

こぶの特徴的な周波数を見ると、それは100 KHzのオーダーです。その範囲で支配的な極を持つその回路で唯一のものは電源です。下のレールを見て、こぶと相関があるかどうかを確認します。

こぶは、あなたが言うように、メッシュの静電容量と24 cmケーブルのインダクタンス/インピーダンスによって引き起こされると思います。試してみるべきことがいくつかあります。

1. 24 cmケーブルの長さを短くしてください。これにより、ケーブルのインダクタンス/インピーダンスが減少し、メッシュの放電が速くなります。

2. 24 cmケーブルを太くします。＃1と同じ概念。

3. チャンバー内のグリッドのすぐ隣にMOSFETを移動します。＃1と同じ概念ですが、極端に捉えています。

4. メッシュ放電電流を流すワイヤーは、できるだけ短く、太くする必要があります。これには、アース線も含まれます。

これらの一部は、おそらくほとんどの場合、「科学的操作」中に実行するのは実際的ではありませんが、こぶがどこから来ているのかを絞り込むのを助けるためにとにかく行う価値があります。

電圧が（a）グリッド上で（b）ポイント "b"に接続された抵抗で（c）FETのドレインで最後に、そして（d）で何が行われていたかを知ることは有益かもしれません。 FETのゲート。それは配線のインダクタンス/キャパシタンスかもしれませんが、それは私たちが期待するもの以外の何かをしているFETかもしれません。

電圧も電流も極端ではないので、IRS2117から直接グリッドを駆動できるかどうか疑問に思います。ゲートドライバはFETのゲートの容量性負荷を駆動するように設計されており、これが元の問題の性質であると思われます。

最後に、極端にする必要がある場合は、負の電源があり、出力がゼロになるまで実際に出力を負に駆動する（これによりグリッドから電流が引き出される）ある種の制御ループ方式が必要になる場合があります...次に、この動作を得るために適切なドライブを適用するように、この駆動回路を制御するために出力からフィードバックラインを入力します。

編集：V LOに気づきました。それは何電圧ですか？私の答えのほとんどはちょうど消えたと思います...

まず、回路のポイントBで対象の信号を測定していると仮定します。

第2に、回路で処理する必要があるRC時定数を計算したと仮定します。私の見積もりは（真空システムの外部の短い直接リードの場合）：C〜100pF、R〜600オーム、したがってt〜0.1usecです。信号の0.1％に到達するには、約7時定数または約0.7usecが必要です。

前述のように、回路の問題は、MOSFETの出力容量が25pF、入力容量が75pF、伝達容量が8pFであることです。また、除去する必要のあるゲート電荷は1n Coloumbです。

お気づきのように、信号発生器の出力は、ドライバを介して入力に転送され、次にMOSFETの出力に転送されます。また、ほとんどのパルスジェネレータは、定格の立ち下がり時間で真のゼロボルトに到達しません。時間は通常、90％から10％の時間として指定されます。

より良い解決策は、CD4010UBゲートを使用してドライバーとMOSFETの両方を置き換えることです。シグナルジェネレーターをゲート入力に接続し、ゲート出力をポイントBに接続されている600オームの抵抗に接続します。残念ながら、'10はおそらくもう使用できません。 -検索で見つかりませんでした。

「次善の」部分は、CD4009UB六角インバーター（Digikey p / n 292-2030-J-ND $ 0.55から入手可能）です。

「トリック」とは、部品にゲートの入力セクションと出力セクションに個別の電源接続があることです。入力接続（Vdd）は、出力に必要な最高電圧に設定し、出力接続（Vcc）は0〜Vddに設定する必要があります。

データシートにもかかわらず、私はこの構成を-0.3VからVddのVccで問題なく使用しました。

600オームの抵抗を調整して、ゲートの内部抵抗（約200オーム）を補正する必要があります。そうしないと、6つのゲート入力とその出力をすべて並列にすることができます。他の5つのゲートを並列化しない場合は、それらの入力をVddに接続する必要があります。フローティングさせないでください。

スコープの過負荷回復を測定している可能性が高いです。以下のスコープのスクリーンショットを検討してください。

青いトレースで測定された電圧は存在しません。ご覧のように、ディスプレイの左側でトレースが画面外に出て、スコープのアナログフロントエンド内の高速オペアンプをクリップしました。これにより、入力ステージでの差動加熱、バイアスポイントの混乱など、あらゆる種類の厄介さが発生します。その結果、オペアンプが落ち着くまでに数十ミリ秒が必要です...数百MHzの帯域幅を持つチップでは驚くべきことです。ね？

このジムウィリアムズのドキュメントでボーナスコンテンツ（ピンクの背景）を読んでください。

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

これが犯人だと言っているのではありませんが、それはありそうです。µsの場合でも、トレースがクリップすると、スコープは信頼できません。非常に短い時間（1nsなど）でも、クリッピングまたはクリッピングに近い線形回路は、すべてが確実に冷却され、すべての積分コンデンサに蓄積されたすべての電荷が公称値に戻るまで、精度やセトリングが信頼できない値など...

ちなみにこれには、スルーレート制限に入るオペアンプも含まれます。回復時間は、データシートに記載されている整定時間であり、スルー振幅が同じで振幅が制限されたパルスを処理した後よりも、スルー後の方がはるかに長くなります。データシートに指定された整定時間は通常、オペアンプがクリップしなかったことを意味することに注意してください！

整定時間を測定するには、特別な測定が必要になります。おそらく、アナログスイッチがスコープの範囲内に入った後、電圧が数十ナノ秒だけ測定されるようにするためです...

また、フィードバックネットワークのダイオードを制限するために、高精度のオペアンプ（迅速かつ正確な整定時間用に指定されており、測定しようとしているものよりもはるかに高速）を使用することもできます。オペアンプを混乱させるスパイクがなくなるまで、MOSFETのスイッチングを遅くします。

同じ理由で、パルスジェネレーターの出力パルスの平坦度をスコープで測定することはできません。

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

楽しんで！ジムウィリアムズのアプリノートを持ち込む必要がある場合、問題が発生していることがわかります。これらは非常にデリケートな問題です...