Spezialfrage 2: Hochfrequenz-Stromquelle für hohe Ströme

Hallo allerseits und willkommen zu Teil 2 der Serie "Spezialfragen an die Elektronik-Geeks"

Ich habe eine - wie ich finde - interessante und fordernde Aufgabenstellung hier, bin auf der Suche nach Input (welcher Art auch immer) und hoffe, dass ihr mir helfen könnt.

Ich möchte eine spannungs- oder auch stromgesteuerte Stromquelle bauen, die sinusförmige Ströme mit 2A Amplitude und 1MHz an kapazitiven Lasten (bis rund 40nF) ausgeben kann. Am Ausgang der Quelle werden etwa 10V Spitzenspannung zu erwarten sein und die Einschaltzeiten werden sehr kurz sein (Stromimpulse, etwa fünf Perioden). Die Quelle sollte mit max. 48V Versorgungsspannung (besser weniger) auskommen und halbwegs kompakt realisierbar sein. Wichtig hierbei ist eine möglichst niedrige THD am Stromausgang, auch bei hohen Frequenzen. Dabei wäre ein möglichst großer Frequenzbereich (mindestens aber 100kHz-1MHz) und ein ebenso großer Strombereich (mehrere 10mA bis max. 2A) wünschenswert.

Prinzipiell angedacht hätte ich eine herkömmliche Stromquelle mit Leistungs-OPV (invertierender Verstärker mit der Last im Rückkopplungszweig - mit der kapazitiven Last quasi ein Integrierer), wobei ich mir nicht sicher bin, ob es Bauteile gibt, die noch ordentlich 2A bei 1MHz liefern können.

Eine weitere Möglichkeit wäre eine Push-Pull-Architektur mit 2 Power-MOSFETs und 2 oder 3 OPVs, wobei je ein OPV einen MOSFET so ansteuert, dass sich an einem Widerstand zwischen Versorgungsspannung und MOSFET die Eingangspannung des OPVs einstellt - damit wäre auch der Strom gegeben.
Leider müssen bei dieser Idee die Eingangsspannungen wegen der Arbeitspunkteinstellung der FETs relativ klein gehalten werden, so dass die Referenzwiderstände ebenfalls sehr klein werden, was zu Layoutproblemen führt und nebenbei die Quelle auch nur sehr kleine Lastwiderstände treiben lässt.

Eine weitere Idee ist eine ähnliche, diskret aufgebaute Push-Pull-Architektur mit 2 Stromspiegeln, 2 Konstantstromquellen und 2 spannungsgesteuerten Stromquellen, die gegengleich angesteuert werden und so über die Stromspiegel einen Teil des Stromes der Konstantstromquellen wegnehmen bzw. anheben, so dass sich die Differenz dann an der Last einstellen muss (im Endeffekt praktisch die Ausgangsstufe eines VC/Transkonduktanz-OPV).

Bevor ich mich jetzt wieder ans Berechnen, Simulieren und Bauteilesuchen mache, wollte ich nachfragen, ob jemand eine andere/bessere Idee hat, wie man so eine Quelle realisieren könnte.
Ich wäre für alle Literaturtipps, Konzepte, Bauteiltipps, Schaltungsteile, Schaltungen, Anzweiflungen der Zurechnungsfähigkeit, kleinen Tipps und Co. sehr dankbar!


P.S.: Sollten die (vagen) Beschreibungen der Schaltungskonzepte unklar sein, poste ich gerne noch (Prinzip-)Schaltungen um das Ganze klarer zu machen. Mit dem zweiten Konzept bin ich schon sehr weit gekommen, hab das aber wegen einem Rechenfehler von 300-400mA auf eben knapp 2A anpassen müssen (tja, zwischen f und omega ist leider ein 2pi ) und stoße jetzt auf die oben genannten Probleme.

Die Ausgangstreiber dürfen gerne auch bipolar sein, und auch gerne einem komplett anderen Konzept folgen. Die Idee hinter den MOSFETs war die bessere Steuerbarkeit durch den rDS und die höhere Ausgansimpedanz der Quelle (bei Push-Pull-Layout).

Notfalls - aber nur wenn es wirklich nicht anders geht - wäre auch Netzspannung möglich. Nachdem da aber auch noch ein µC inkl. DAC dazu kommen soll und das Ganze möglichst klein werden soll - deswegen möchte ich wenn möglich nicht unbedingt mit Netzspannung in das Kisterl rein. Um die Kühlung mach ich mir bei Impulsen in der Größenordnung von ein paar µs keine Sorgen, so lange der Strom zur Arbeitspunkteinstellung klein gehalten werden kann (was ich hoffe).


Selber ätzen möchte ich nicht. Ein allererster "Prototyp" soll auf Lochraster/fliegend hingepfuscht werden (ohne Erwartungen ans Hochfrequenzverhalten bzw. die THD). Wenn sich diese Schaltung bewährt folgt ein (oder mehrere ) echter Prototyp und später ein paar erste Exemplare (~10-20 Stk.) auf einem Print - den wollen wir zwar selbst designen, aber sicher ordentlich fertigen lassen.

Auf Grund fehlender Rückmeldungen:
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa548.pdf
Ist ein High Power OPV, der prinzipell als Ausgangstreiber verwendet werden kann, aber die Ansteuerung und die Spannungsversorgung sind extrem.
Ich habe vom dem Teil fertige Produkte benutzt, aber eben alleine die Spannungsversorgung ist gross und unter 5kg wird es nicht laufen.

Bei diesem OPV schaffst du es aber nicht 1MHz ohne Problem zu generieren.

Grundsätzlich kannst du das ganze natürlich als Endstufe nehmen und nur durch eine Paar Farad-Kondensatoren absichern, dann kannst die Spannungsversorgung kleiner halten.

Grundsätzlich ist aber die Rückführung und das schnelle Ein- und Ausschalten eine spezielle Herausforderung, die schnell die Grenzen des möglichen erreicht.

Die Durchführbarkeit ist sicher gegeben, aber die Kosten sind sicher weit entfernt von günstig.

Sorry für den Doppelpost, aber:
Kurz nach dem Schreiben des vorigen Posts ist mir noch etwas an unserem Konzept aufgefallen (das eigentliche Projekt soll ein verteiltes Messsystem werden), was so große Ströme vielleicht vollkommen überflüssig macht.

Ich werde den Thread vorläufig mal auf Solved setzen und melde mich wieder, falls wir doch solche großen Ströme benötigen


Vielen Dank nochmal Castlestabler für deine Mühe und Zeit!