Choix comparateur ou driver de MOSFET

[naru2to]

Bonjour,

Voici ma problématique :

J'ai besoin de générer deux signaux carrés de fréquence fixe 500 kHz (rapport cyclique de 50% +/- 2%) d'amplitude pouvant varier entre 12Vp-p et 32Vp-p(max) pour débiter sur une charge "ouverte" (deux petites électrodes de cuivre déposées sur de la céramique).

Pour mes premiers tests, j'ai utilisé une alimentation de laboratoire réglée sur 32V. Les signaux carrés TTL sont générés par un STM32 et convertis en signaux 32Vp-p par un comparateur et un condensateur de couplage AC.
J'ai fait des essais sur plaque de proto avec les comparateurs TL331 et TLV1701. Ces deux comparateurs sont en collecteur/drain ouvert et j'ai utilisé une résistance de pullup comprise entre 4,7k et 10k.

Le premier problème que je rencontre est que le temps de montée des comparateurs est vraiment long (150 à 250 ns) et n'est pas identique au front descendant, ce qui fait que les signaux AC ne sont pas centrés en 0, mais j'ai par exemple -17V/+15V. Le deuxième problème que je rencontre, c'est que je ne sais pas si mon signal est perturbé ou non par la sonde d'oscilloscope (1Mohm).

Ne trouvant pas de comparateur pouvant tenir 32V en sortie push-pull, je voulais savoir si un driver de grille de transistor MOSFET de ce type là pouvait faire le job?

Merci
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[Antoane]

Bonjour,

J'imagine qu'il est nécessaire que l'une des électrodes soit à la masse ?
Parce qu'envoyer 0/16 V déphasés de pi simplifierait grandement le montage

Une autre solution peut être d'utiliser un transfo de rapport 1:2, attaqué en 0/16 V.
J'ai regardé rapidement sans trouver de composant répondant à ton cahier des charges mais il est peut-être possible de trouver quelque chose du côté des drivers de ligne.
Le driver que tu proposes peut convenir comme amplificateur de courant mais son gain en tension est négatif : il faut lui fournir du 0/32 V pour qu'il sorte ~0.4/31.6 V
Sinon en discrets (un exemple en PJ)...

> Le premier problème que je rencontre est que le temps de montée des comparateurs est vraiment long (150 à 250 ns) et n'est pas identique au front descendant,
C'est normal : à la monté, il y a une capacité parasite à charger avec une résistance égale à la pull-up alors qu'à la descente, le comparateur court-circuite cette capacité.

> les signaux AC ne sont pas centrés en 0, mais j'ai par exemple -17V/+15V.
Si tu veux que la tension moyenne aux bornes de la cellule soit nulle, il faut le forcer, par exemple en mettant une résistance en parallèle. Le RC formé entre cette résistance et la capacité série (évidement bien plus grande que la capa de la cellule) formera alors un beau passe-haut.

> c'est que je ne sais pas si mon signal est perturbé ou non par la sonde d'oscilloscope (1Mohm).
Il faudrait une sonde 1:10 de 10 MOhm, présentant :
- une bien meilleure bande passante (limitée à qq MHz en l'état).
- et surtout : une capacité parasite réduite (~10 pF contre les 100 pF/m du câble coax qui relie ta platine à l'oscillo) ;

> J'ai besoin de générer deux signaux carrés de fréquence fixe 500 kHz (rapport cyclique de 50% +/- 2%) d'amplitude pouvant varier entre 12Vp-p et 32Vp-p(max) pour débiter sur une charge "ouverte" (deux petites électrodes de cuivre déposées sur de la céramique).
Par curiosité : c'est pourquoi ?

[Antoane]

Re.
En drivers intégrés, il y a quelques composants montant à 32 V, par exemple chez TI : http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc27532-q1.pdf

[bobflux]

Quelles sont les caractéristiques de la charge ? C'est un piézo ? Quelle est sa capacité ?

La capacité permet de calculer la dissipation dans le driver, qui peut être importante à 500kHz.

Quel est le temps de montée désiré en ns ?

> d'amplitude pouvant varier entre 12Vp-p et 32Vp-p(max)

Quelle vitesse de variation ? Lente, genre tourner un bouton, ou bien variable d'une impulsion à la suivante ?

Inutile de se fatiguer à choisir un composant avant d'avoir ces infos.

[A voir en vidéo sur Futura]

[naru2to]

Bonjour,


C'est pour un mélangeur microfluidique par application d'un champ tournant.

Quelles sont les caractéristiques de la charge ? C'est un piézo ? Quelle est sa capacité ?

Non pas de piezo, juste des électrodes de cuivre déposées sur un substrat céramique. Je n'ai pas les dimensions précises des électrodes et ne connaît pas le type de liquides utilisés, mais les électrodes font à vue d’œil 5mm de long, environ 0,1mm de large et sont espacées de 0,1mm, je ne sais pas quelle est l'épaisseur de cuivre déposée, certainement moins de 50µm. Le substrat doit faire dans les 0,5mm d'épaisseur.

J'imagine qu'il est nécessaire que l'une des électrodes soit à la masse

Non pas d'électrode à la masse sur le dispositif microfluidique et aucun contact avec le liquide, c'est juste la variation de champ électrique entre les électrodes qui crée un déplacement.
L'ancien dispositif avait 4 électrodes, le nouveau pourrait en avoir jusqu'à 16.

Quel est le temps de montée désiré en ns ?

L'idéal serait inférieur à 5%, donc moins de 100ns @500kHz, à savoir que le temps de montée ne changeait pas (ou très peu) avec une amplitude de 12V ou 32V.

Quelle vitesse de variation ? Lente, genre tourner un bouton, ou bien variable d'une impulsion à la suivante

Pas de variation pendant l'utilisation, on garde l'aspect réglable pour éventuellement définir différents profils, mais on pourrait très bien envisager de garder une amplitude fixe sur tout le "cycle de vie".

Le but est de remplacer le DDS, le modulateur et l'amplificateur (modulation analogique) par un système intégré, moins encombrant et plus flexible, avec la possibilité d'y apporter des modifications par la suite. De plus remplacer les signaux analogiques modulés en amplitude par des des signaux logiques d'amplitude fixe et de phase variable permettrait d'utiliser un simple microcontrôleur, sans avoir à passer par des DACs et amplificateurs (qui commencent à être complexes quand on dépasse les 1M sample/s sur plusieurs voies).

Il s'agit d'un proto de test, c'est pour ça que le "cahier des charges" est assez large et reprend des points du premier dispositif : 32V(max) c'est la limite de l'alimentation de labo. Le champ commençait à avoir un effet à partir de 15Vp-p mais le point de fonctionnement se situait autour de 20Vp-p. Comme on ne sait pas si le point de fonctionnement du nouveau dispositif aura la même valeur, il faut qu'on puisse se balader sur une plage assez large (12V à 32V). La fréquence 500kHz est basée sur l'architecture du premier dispositif, d'après les simulations on sera dans le même ordre de grandeur, espérons qu'il n'y ait pas trop de différences entre le modèle théorique et le dispositif réel.

Le choix de deux sorties nous paraissait suffisant pour le test, et permettait une mise en œuvre assez simple sur plaque de prototypage. Une fois qu'on aura déterminer que le choix des composants est bon, on pourra agrandir la maquette de test à 4 sorties pour un dernier essai avant le passage à la conception du système final.

Il faudrait une sonde 1:10 de 10 MOhm, présentant :
- une bien meilleure bande passante (limitée à qq MHz en l'état).
- et surtout : une capacité parasite réduite (~10 pF contre les 100 pF/m du câble coax qui relie ta platine à l'oscillo)

Du coup ça c'est bon, j'ai dit une connerie, c'est les entrées de l'oscillo qui sont en 1MOhm 17pF (oscillo 10Gsample/s). Les sondes sont bien 10:1 10MOhm 9,5pF 500 MHz.

Le driver que tu proposes peut convenir comme amplificateur de courant mais son gain en tension est négatif : il faut lui fournir du 0/32 V pour qu'il sorte ~0.4/31.6 V

Sur une plage de 32V (que l'on définit comme notre maximum) je ne pense pas que les 0,4V soient très critiques

En drivers intégrés, il y a quelques composants montant à 32 V, par exemple chez TI

Ouep va falloir que je teste celui-ci

[bobflux]

Bien. La capacité de tes électrodes a l’air négligeable par rapport à celle du câble. Donc je compte à la louche une charge de C=200pF, pour 2m de coax. Ce serait possible d’utiliser des paires torsadées aussi. Il faudra terminer le câble à son impédance caractéristique pour éviter les réflections de signal.

Calcul de la dissipation dans le driver*:

À chaque commutation on charge ou décharge la capacité C, ce qui dissipe 1/2 CV² joules.

P = F * CV² = 0.1W

La majeure partie de cette puissance sera dissipée dans la résistance de 50 ohms côté driver. Donc on voit qu’on n’a pas de problème de dissipation ici.

Le UCC27532 posté par Antoane a l’air parfait.

[naru2to]

Merci pour vos réponses, je vais en commander 5 pour faire les essais assez rapidement

[Antoane]

Bonjour,

J'ai peut-être mal compris, mais :
- en ne terminant que côté charge, il faut un driver capable de sortir un paquet de courant (300 mA de moyenne pour 50 Ohm sous 30 V) ;
- en terminant côté driver et côté charge, il faut un driver capable de sortir un paquet de courant (150 mA de moyenne pour 2*50 Ohm sous 30 V) et en plus il faut compter l'atténuation par 2.

[Antoane]

Bonsoir,

Ixys fait également des drivers très costauds, voir par exemple : http://www.ixysic.com/home/pdfs.nsf/www/IXD_630.pdf/$file/IXD_630.pdf
http://www.ixyspower.com/store/Family.aspx?i=61

[naru2to]

Bien. La capacité de tes électrodes a l’air négligeable par rapport à celle du câble. Donc je compte à la louche une charge de C=200pF, pour 2m de coax. Ce serait possible d’utiliser des paires torsadées aussi. Il faudra terminer le câble à son impédance caractéristique pour éviter les réflections de signal.

En fait il n'y a pas de câbles, le dispositif est prévu pour s'adapter sur un connecteur avec un pas standard de 1,27mm monté sur le PCB. J'ai juste fait des mesures à l'oscillo avec des sondes, mais la longueur des pistes sera négligeable, je pense aussi que les plaques de proto "breadboard" ont des inductances et capacités parasites qui ne seront pas présentes sur le PCB final.

J'ai peut-être mal compris, mais :
- en ne terminant que côté charge, il faut un driver capable de sortir un paquet de courant (300 mA de moyenne pour 50 Ohm sous 30 V) ;
- en terminant côté driver et côté charge, il faut un driver capable de sortir un paquet de courant (150 mA de moyenne pour 2*50 Ohm sous 30 V) et en plus il faut compter l'atténuation par 2.

J'ai fait un essai avec le UCC27531 (pas de 27532 dispo chez Farnell mais ils sont de la même famille) et je vois nettement la différence par rapport aux comparateurs. Je n'ai pas encore ajouté le passe-haut pour couper le DC, mais j'ai déjà un beau carré avec des fronts montants et descendants bien raides (environ 10 ns) que ce soit en circuit ouvert ou sur une charge de 1 kOhm. Dans les deux cas il y a quelques oscillations que je pourrai amortir avec un snubber avant de passer en AC

[bobflux]

Bien !

Si la ligne de transmission est courte ce n'en est que mieux.

> Dans les deux cas il y a quelques oscillations que je pourrai amortir avec un snubber avant de passer en AC

Cela peut provenir de :

- Une oscillation effectivement, donc LC avec L inductance de la trace et C la capacité au bout, à amortir avec une résistance de source

- Une réflection du signal au bout de la ligne de transmission, dans ce cas il faut penser à terminer à la source avec l'impédance caractéristique (bon, en gros, essaie plusieurs résistances de 10-100 ohms au pif), et choisis la valeur qui donne le signal le plus propre à la destination (pas à la source ! ce qui t'intéresse c'est le signal sur tes électrodes au bout de la ligne)

- Ou bien une résonance au niveau du découplage du driver, cela va se voir si ça résonne après le front montant, mais pas après le front descendant. Quand la sortie du driver passe à "1" ce qu'il fait c'est juste connecter la sortie à l'alim, donc il faut que la tension d'alim soit stable, et surtout qu'elle n'oscille pas après que le driver lui tire un pic de courant. Donc, il faut UN SEUL condensateur céramique de découplage, de la valeur maximum qui rentre en 0805 X7R 50V, et surtout pas deux condensateurs (genre 100nF // 1µF) qui vont former une résonance avec un Q assez élevé. Ce condensateur doit être relié à l'alim avec une résistance d'amortissement pour éviter de résonner avec les autres condos de découplage de la carte, valeur à calculer pour un amortissement optimum, sinon tu mets 1 ohm. À vérifier à l'oscillo avec la sonde sur la pin VCC du driver.

[Antoane]

Bonjour,

> Cela peut provenir de : [...]
Et/ou d'une mesure sub-optimale, en particulier due à une inductance de sonde trop élevée. Il faut utiliser une sonde x10 dont la masse est prise au plus près du point de mesure et en limitant la surface de la boucle de masse (par exemple en enroulant le fil de masse autour du corps de la sonde, en utilisant un petit contact de masse de type ressors ou, mieux, un support de sonde coaxial ad hoc).

[bobflux]

Oui, l'utilisation du petit clip-ressort de masse livré avec la sonde est indispensable ! On oublie le fil-croco...