Überschwingen MOSFET

[Brüno (dominic_m833)]

Moinmoin,

nachdem ich die Stromquelle im Anhang (current source 1) erfolgreich und 
ohne messbaren Überschwinger beim Abschalten in Betrieb nehmen konnte, 
bin ich nun auf der Suche nach Alternativen für  M2, wegen z.B. 
eventueller Lieferschwierigkeiten.

Ich hatte naiverweise angenommen, dass ich einfach MOSFETs einsetzen 
könnte die über ähnlichen On-Widerstand, ähnliche Threshold-Spannung und 
ähnliche Kapazitäten verfügen, und das müsste einigermaßen passen. Wie 
man aber in den anderen beispielhaften Simulationen sieht, ist das nicht 
der Fall. Ich finde in der Liste von LTspice keinen einzigen MOSFET, mit 
dem ich einen so geringen Überschinger hinbekomme wie mit dem aus 
"current source 1".

Nach welchem Parameter suche ich? Wie finde ich mögliche Alternativen am 
besten?

Danke und beste Grüße

Dominic

[Jens G. (jensig)]

Brüno schrieb:
> Nach welchem Parameter suche ich? Wie finde ich mögliche Alternativen am
> besten?

Dieser Überschwinger kommt mit Sicherheit über die Cdg des Mosfet. Also 
Mosfet mit möglichst kleiner Cdg suchen, oder noch besser gleich einen 
"normalen" npn-Transistor mit niedriger Uce_sat nehmen.

[Brüno (dominic_m833)]

Jens G. schrieb:
> Cdg des Mosfet

Das war auch meine Vermutung, aber der RK7002BM aus current source 3 hat 
bei allen Kapazitäten weniger als der RUC002N05 aus current source 1.

Jens G. schrieb:
> oder noch besser gleich einen
> "normalen" npn-Transistor mit niedriger Uce_sat nehmen

Die MOSFETs ergeben im ausgeschaltenen Zustand eine Spannung von rund 
4mV über R5. Mir ist kein NPN mit nur ansatzweise so niedriger 
Sättigungsspannung bekannt.

[Jens G. (jensig)]

Brüno schrieb:
> Die MOSFETs ergeben im ausgeschaltenen Zustand eine Spannung von rund
> 4mV über R5. Mir ist kein NPN mit nur ansatzweise so niedriger
> Sättigungsspannung bekannt.

Kann man mit BJT ebenfalls:
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A100/FMMT617-625.pdf

typ. 2..3mV bei 1mA lt. bei ordentlicher Übersteuerung ...

[Brüno (dominic_m833)]

Faszinierend! Wie verhält es sich mit der Turn-Off-Zeit bei niedrigerem 
Strom Ic<10mA und "ordentlicher Übersteuerung" ala Ic/Ib=10? Die ist 
laut Dabla mit 160ns ziemlich lang, aber auch bei 3A und Ic/Ib=60 
angegeben.

[Jens G. (jensig)]

Brüno schrieb:
> Faszinierend! Wie verhält es sich mit der Turn-Off-Zeit bei
> niedrigerem
> Strom Ic<10mA und "ordentlicher Übersteuerung" ala Ic/Ib=10? Die ist
> laut Dabla mit 160ns ziemlich lang, aber auch bei 3A und Ic/Ib=60
> angegeben.

Ja, aber bei 10V Vce (da steht zwar Vcc, aber die meinen wohl Vce). Also 
nix Übersteuerung. Bei saftiger Übersteuerung wird t_off wohl eher 
richtung µs gehen. Aber von Schnelligkeit war ja in Deinem Ausgangspost 
keine Rede ;-)

[Brüno (dominic_m833)]

Naja, da sieht man ja schon die angestrebten 2us Pulsdauer. Aber du hast 
natürlich Recht, hätte ich dabei schreiben können/sollen. Vielen Dank 
also nochmal für den Tipp, aber wenn so langsam ist NPN definitiv raus.

[Jens G. (jensig)]

Warum nicht den M2 gegen ein leicht neg. Potential schalten lassen? Dann 
erübrigt sich die Suche nach T mit besonders kleinem Uce_sat oder Rdson, 
und kann sich auf besonders kleinen Ccb bzw. Cdg konzentrieren.
Dazu braucht man eigentlich noch nicht mal wirklich eine neg. 
Betriebsspannung, sondern man hebt das Massepotential der relevanten 
Teile einfach an, indem man eine gemeinsame Diode in deren Masseleitung 
einschleift. Also R1, R5, C2, der Kram um U2 (auser U2 selbst). Die 
Diode muß dann natürlich den LED-Strom aushalten.
M2 und die Teile davor bleiben mit der Masse direkt verbunden.
Einziger kleiner Nachteil wäre, daß auch das kleinstmögliche 
Drainpotential des M1 mit angehoben wird, sollte bei 12V aber wohl keine 
größere Rolle spielen.

[Brüno (dominic_m833)]

An und für sich eine gute Idee, allerdings geht der OPV dann im 
Auszustand an die untere Rail, wovon er sich beim Einschalten erstmal 
wieder erholen muss. Auch das ist ziemlich langsam, siehe Anhang.

[Jens G. (jensig)]

Wozu muß denn die LED überhaupt so hoch getaktet werden, und wieso ist 
der kleine Überschwinger überhaupt ein Problem?

[Brüno (dominic_m833)]

Die LED ist nur ein Dummy für die Simulation, in der Realität werden das 
Diodenlaser und gepulste Tests. Die Pulse müssen hierfür entsprechend 
kurz, wohldefiniert und möglichst ohne Überschwinger sein.

[Jens G. (jensig)]

Ach ja, Du kannst bei der ursprünglichen Variante auch einfach einen R 
parallel zur LED schalten, und so ein bißchen Strom vom Konstantstrom 
abknappsen. Dann kommt der LED-Strom auch sicher auf 0 runter, obwohl 
durch M1 noch etwas fließt.

[Foobar (asdfasd)]

Hmmm... sicher, dass der Spike nicht einfach eine Überkompensation von 
U2 ist?

[Jörg B. (joergb2)]

Ich verstehe jetzt nicht, was die ganze komplizierte Schaltung vor U1 
eigentlich soll. Und ich verstehe auch nicht, wie man im Zeitbereich <<1 
µs LTSpice-Simulationen ernst nehmen kann. Wenn es noch schneller werden 
soll:
-Ein schnellerer OPV sollte sein, also vielleicht AD8031 oder AD8065, 
oder vielleicht sogar noch schneller.
-C1 weglassen
-R2 vielleicht auf 33 Ohm verkleinern.
-Vor den nichtinvertierenden Eingang von U1 noch einen Tiefpass, den man 
so abstimmt, das es keine Überschwinger gibt.
-Und aufbauen, nicht nur simulieren. Wie das Signal dann aussieht hängt 
übrigens auch davon ab, welche Mühe man sich beim Leiterplattenlayout 
gegeben hat, und das kann man nicht simulieren.

[Brüno (dominic_m833)]

Foobar schrieb:
> Hmmm... sicher, dass der Spike nicht einfach eine Überkompensation
> von
> U2 ist?

U2 liefert nur die Referenzspannung für den Strom. So entsprechend 0-10V 
bei V1 0-2.5A durch den Laser.

Jörg B. schrieb:
> Ich verstehe jetzt nicht, was die ganze komplizierte Schaltung vor U1
> eigentlich soll.

Das um U2 siehe oben, Q1 ist der Open-Collector-Ausgang des Triggers.

Jörg B. schrieb:
> Und ich verstehe auch nicht, wie man im Zeitbereich <<1
> µs LTSpice-Simulationen ernst nehmen kann.

Wo genau ist das Problem? Natürlich warten im realen Leben diverse 
Parasiten an jeder Ecke, aber wenn die Simulation bereits ein Problem 
zeigt, muss man an den Aufbau erst garnicht denken.

Jörg B. schrieb:
> -Ein schnellerer OPV sollte sein, also vielleicht AD8031 oder AD8065,
> oder vielleicht sogar noch schneller.

AD8034 scheint ganz gut zu gehen, damit ist die Schaltung stabiler gegen 
Serieninduktivität am Laser.

Jörg B. schrieb:
> -C1 weglassen

Ganz schlechte Idee, schwingt wie nichts gutes.

Jörg B. schrieb:
> -R2 vielleicht auf 33 Ohm verkleinern.

Verlängert die Anstiegszeit auf Nennstrom und vergrößert den 
Überschwinger beim Abschalten, siehe Anhang Grün.

Jörg B. schrieb:
> -Vor den nichtinvertierenden Eingang von U1 noch einen Tiefpass, den man
> so abstimmt, das es keine Überschwinger gibt.

Dafür ist C2 da. Ein Tiefpass höherer Ordnung hat eine zu hohe 
Gruppenlaufzeit

Jörg B. schrieb:
> -Und aufbauen, nicht nur simulieren.

Siehe ersten Beitrag, ich habe mir beim Layout ziemlich viel Mühe 
gegeben und die Schaltung tut in der realen Welt bereits ihren Dienst.

Mir geht es hier nur darum, den Effekt und die Ursache des 
Überschwingers zu verstehen. Übrigens, eine BAS16J mit deutlich weniger 
Sperrschichtkapazität wie die 1N4148 brachte eine kleine Verbesserung.

[Foobar (asdfasd)]

>> Hmmm... sicher, dass der Spike nicht einfach eine Überkompensation
>> von U2 ist?
>
> U2 liefert nur die Referenzspannung für den Strom. So entsprechend 0-10V
> bei V1 0-2.5A durch den Laser.

Schon klar.  Ist hier aber eine Regelschleife, die auf den höheren Strom 
beim Abschalten reagiert.  Mal direkt durch eine Spannungsquelle 
ersetzt?  Sind die Spikes dann immer noch da?

[Thorsten S. (thosch)]

Ich würde für einen Laser einen anderen Ansatz wählen.
Nicht versuchen, eine Konstantstromquelle zu modulieren, sondern die 
Konstantstromquelle Dauerstrom liefern lassen und zur Modulatiom die 
Laserdiode mit einem schnellen Transistor überbrücken, um sie 
abzuschalten.

Um den Stromverbrauch zu verringern, kann man die Stromquelle zeitlich 
vorverlegt vor einem Puls hochfahren und danach verzögert wieder 
abschalten. Alle Überschwinger der Stromquelle nimmt dann der 
Modulationstransistor auf.

[Jörg B. (joergb2)]

Brüno schrieb:
> Jörg B. schrieb:
>> -Vor den nichtinvertierenden Eingang von U1 noch einen Tiefpass, den man
>> so abstimmt, das es keine Überschwinger gibt.
>
> Dafür ist C2 da. Ein Tiefpass höherer Ordnung hat eine zu hohe
> Gruppenlaufzeit

Wenn M1 einschaltet, dann zerrt er direkt an C2, das ist kein Tiefpass. 
Da sollte noch ein Widerstand direkt vor C2, den man so abstimmt, das 
der Überschwinger weg ist. R4 und R5 kann man dann auch kleiner machen. 
Das Gedöns mit D1, D3, R18, R6 würde ich mir dagegen sparen.

[Brüno (dominic_m833)]

Foobar schrieb:
> Mal direkt durch eine Spannungsquelle
> ersetzt?  Sind die Spikes dann immer noch da?

Ja, das schaut exakt gleich aus.

Thorsten S. schrieb:
> Ich würde für einen Laser einen anderen Ansatz wählen.
> Nicht versuchen, eine Konstantstromquelle zu modulieren, sondern die
> Konstantstromquelle Dauerstrom liefern lassen und zur Modulatiom die
> Laserdiode mit einem schnellen Transistor überbrücken, um sie
> abzuschalten.

Der Tipp liest man immer wieder, eine fuktionierende Implementierung 
davon habe ich aber noch nie gesehen. Das liegt vermutlich daran, dass 
dann der Strom zwar idealerweise konstant bleibt, aber sich die 
Ausgangsspannung rapide ändert, was sich auf den Strom auswirkt. Ich 
lasse mich aber sehr gerne eines Besseren belehren.

Jörg B. schrieb:
> Da sollte noch ein Widerstand direkt vor C2, den man so abstimmt, das
> der Überschwinger weg ist.

Dann ist auch die Flankensteilheit weg.

Jörg B. schrieb:
> R4 und R5 kann man dann auch kleiner machen.

Nein, weil dann der endlich niedrige Rds_on von M2 dafür sorgt dass der 
Strom nicht mehr abschaltet.

Jörg B. schrieb:
> Das Gedöns mit D1, D3, R18, R6 würde ich mir dagegen sparen.

Wenn du eine bessere Idee hast, um den Triggereingang mit typischen 
Low-Pegeln im Bereich einiger hundert mV sicher auszulösen und 
gleichzeitig die max 8V Vgs von M2 bei 12V am Eingang nicht zu reißen, 
immer her damit.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Lass doch C2 nur Testweise mal ganz weg.

[Brüno (dominic_m833)]

Auch das habe ich bereits versucht, ohne C2 wird es schlimmer. Das ist 
auch zumindest meinem Verständis nach zu erwarten, denn für den 
Überschwinger an V(iset) beim Abschalten muss C2 erstmal umgeladen 
werden und die Ladung muss irgendwo her kommen. (current source 6)

3nF parallel zu R6 lösen übrigens das Problem des Überschwingers, 
verzögern aber auch das Abschalten um rund 700ns. (current source 7, 
AD8034.asc) Allzu elegant finde ich das nicht..

[Jens G. (jensig)]

Und wie wirkt sich nun mein letzter Vorschlag von gestern abend aus?
Beitrag "Re: Überschwingen MOSFET"

[Brüno (dominic_m833)]

Je nach Widerstandswert klaut er entweder signifikant Strom im 
Anzustand, oder er reduziert den Strom durch den Laser im Auszustand 
nicht nennenswert. Dazu ist das abhängig von der Forward-Spannung des 
Lasers,  die sich auch im Betrieb ändert. Das sind mir zu viele 
Unsicherheiten für zu wenig Benefit.

[Jens G. (jensig)]

Ja, Strom muß man sich schon klauen lassen, und zwar soviel, daß 
"Leerlaufstrom" mal R die Uf sicher unterschreitet.

[Brüno (dominic_m833)]

Was dann die Regelung des Stroms äußerst ungenau macht. Für einen 
Teststand ist das ungeeignet.

Wir kommen aber immer weiter von der Ausgangsfrage ab: Wie finde ich 
passende Ersatztypen für M2? 🤓

[Jörg B. (joergb2)]

Brüno schrieb:
> Jörg B. schrieb:
>> Da sollte noch ein Widerstand direkt vor C2, den man so abstimmt, das
>> der Überschwinger weg ist.
>
> Dann ist auch die Flankensteilheit weg.

Da muss man sehen, wo man den Kompromiss macht.

> Jörg B. schrieb:
>> R4 und R5 kann man dann auch kleiner machen.
>
> Nein, weil dann der endlich niedrige Rds_on von M2 dafür sorgt dass der
> Strom nicht mehr abschaltet.

Wenn man mit M2 nicht mehr ganz runterkommt, dann muss man auf den 
invertierenden Eingang von U2 auch noch Offset geben. Z.B. 15 kOhm gegen 
+15V geben an der Stelle 100 mV extra Offset.

> Jörg B. schrieb:
>> Das Gedöns mit D1, D3, R18, R6 würde ich mir dagegen sparen.
>
> Wenn du eine bessere Idee hast, um den Triggereingang mit typischen
> Low-Pegeln im Bereich einiger hundert mV sicher auszulösen und
> gleichzeitig die max 8V Vgs von M2 bei 12V am Eingang nicht zu reißen,
> immer her damit.

Für M2 würde ich einen 2N7002 nehmen. Gibt es überall, ist meist der 
billigste, kann 20V am Gate und schaltet auch erst bei etwas höherer 
Spannung ein. Ich würde nur R7 übrig lassen und den Kollektor von Q1 
direkt mit dem Gate von M2 verbinden.

[Brüno (dominic_m833)]

Jörg B. schrieb:
> Da muss man sehen, wo man den Kompromiss macht.

Wenn der Überschinger signifikant verringert werden soll, ist die 
Flankensteilheit so gering, dass ich mir den ganzen Aufwand sparen kann.

Jörg B. schrieb:
> Wenn man mit M2 nicht mehr ganz runterkommt, dann muss man auf den
> invertierenden Eingang von U2 auch noch Offset geben. Z.B. 15 kOhm gegen
> +15V geben an der Stelle 100 mV extra Offset.

Das etwa kann ich mir nicht leisten, weil wie gesagt, ist ein Teststand.

Jörg B. schrieb:
> Für M2 würde ich einen 2N7002 nehmen. Gibt es überall, ist meist der
> billigste, kann 20V am Gate und schaltet auch erst bei etwas höherer
> Spannung ein. Ich würde nur R7 übrig lassen und den Kollektor von Q1
> direkt mit dem Gate von M2 verbinden.

Das hatte ich natürlich als aller erstes probiert. Das Überschwingen ist 
zum davonlaufen, siehe Anhang.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Jetzt wurde ja schon fast alles durchprobiert, bis auf eine 
Größenänderung von R3. Aber eine nennenswerte Verbesserung wird das wohl 
auch nicht bringen :/

[Brüno (dominic_m833)]

Der Effekt von R3 ist spannend. Um so kleiner der Wert, um so steiler 
und tendenziell unstabiler die Einregelung - wie zu erwarten. Bei 20Ohm 
schwingt es ordentlich über (grün), bei 60Ohm ist das immer noch sehr 
steil aber ohne Überschwinger (blau) und bei 100Ohm relativ flach (rot). 
(current source 10)

Zoomt man nun aber auf das Ende, sieht man das mit kleinerem Wert auch 
der Überschinger kleiner wird, was zumindest nicht meiner Intuition 
entspricht. (current source 11)

[Brüno (dominic_m833)]

Geträu dem Motto "viel hilft viel" habe ich mich nun an den AD8066, 
einen etwas höheren Shunt-Widerstandswert und mehr Strom im Auszustand 
herangewagt.

Der Überschinger ist zwar immernoch da, und völlig egal was ich mache, 
er geht auch nicht weg, aber dafür ist die Regelung viel viel schneller, 
siehe Anhang.

Wenn nicht noch ein richtig schlauer Tipp kommt, wie ich Ersatztypen für 
M2 finde, werden wir uns davon [auch getreu dem Motto] ein paar Reels 
auf Halde legen - man gönnt sich ja sonst nichts.

Hat wer zufälligerweise gute Literatur  zur Auslegung von C1, R2 und R3 
zur Hand? Trial and Error ist zwar ganz nett, nervt auf Dauer aber schon 
recht arg..

[Henrik V. (henrik_v)]

Die Nachrichtentechniker Modulieren bei den SFP Modulen Laserdioden mit 
GHz Rechtecken ... Da mal reinlinsen?

Ok, ist meist weniger als 1A aber die Dinger sind echt flott

[Brüno (dominic_m833)]

Henrik V. schrieb:
> Die Nachrichtentechniker Modulieren bei den SFP Modulen
> Laserdioden mit
> GHz Rechtecken ... Da mal reinlinsen?
>
> Ok, ist meist weniger als 1A aber die Dinger sind echt flott

Dabei werden typischerweise Serienwiderstände oder FETs an 
Konstantspannung als Stromsteller genutzt. Da ist beides fern ab von 
einer sauberen, teststandwürdigen Stromregelung.

Siehe z.B. hier: https://www.ichaus.de/product/iC-HG30

[Jörg B. (joergb2)]

Brüno schrieb:
> Hat wer zufälligerweise gute Literatur  zur Auslegung von C1, R2 und R3
> zur Hand?

Das wäre Regelungstechnik. Die Theorie dazu (Proportional- Integral und 
Differentialregler ect. ist öde und bringt in der Praxis nicht viel. 
Hilfreicher sind so Faustregeln.
-In der gesamten Regelschleife darf es nur ein Zeitglied geben, was das 
Zeitverhalten bestimmt (am besten der Regler selbst), alles andere muss 
schnell dagegen sein. Notfalls muss man das bestimmende Zeitglied 
langsamer machen.
-Man dreht die Regelverstärkung hoch, bis es schwingt, und dann nimmt 
man die Regelverstärkung um Faktor 2 zurück.
-Mit C1 hat man eigentlich einen reinen Integralregler. Eine Idee wäre 
jetzt noch, C1 noch etwas größer zu machen, dafür aber einen Widerstand 
R in Reihe dazu zu schalten. Dann hätte man einen PI-Regler mit R/R3 als 
Regelverstärkung und kann erst mal noch mit R herumspielen.
-R2 und die Eingangskapazität von M1 bilden ein weiteres Zeitglied, das 
man vielleicht klein halten sollte. Also R2 so klein machen, das gerade 
so noch die Stabilität von U1 noch gewährleistet ist. 22 Ohm wäre da 
vielleicht ein Ansatz.
-Wenn ein schnellerer OPV signifikant was gebracht hat, könnte man es 
vielleicht auch noch schneller versuchen? AD8055? Je höher die 
OPV-Bandbreite, desto mehr muss man sich allerdings mit dem 
Platinenlayaut Mühe geben.