Операционные усилители с выходом на N-канальный MOSFET

9

Мне нужно проанализировать схему, и у меня возникли проблемы с этой частью:

введите описание изображения здесь

Дело в том, что я совсем не понимаю полезности N-канального MOSFET на выходе операционного усилителя. Может ли кто-нибудь объяснить назначение этого компонента?

Потому что я думаю, что преобразование было бы сделано даже без этого транзистора.

operational-amplifier mosfet

— Дэмиен
источник

4

Эта схема преобразует напряжение в ток, как вы можете видеть в передаточной функции.

Транзистор не имеет значения при расчете выходного тока, который зависит только от входного напряжения и R1.

Из схемы вы можете найти, что:

В_{я N -} знак равно В_{S S} + я_{О U T} \cdot р_{1}

$V_{in-} = V_{SS} + I_{OUT} \cdot R_1$

Но если операционный усилитель находится в области с высоким коэффициентом усиления, у вас также будет это (в идеале):

В_{я N -} знак равно В_{я N +} знак равно В я N

$V_{in-} = V_{in+} = Vin$

Поэтому вы можете сравнить правильный член обоих уравнений и получить:

В я N знак равно В_{S S} + я_{О U T} \cdot р_{1}

$Vin = V_{SS} + I_{OUT} \cdot R_1$

я_{О U T} знак равно \frac{В я N}{р_{1}}

$I_{OUT} = \frac{Vin}{R_1}$

Транзистор предназначен для возбуждения выходного тока в зависимости от напряжения на затворе. Подумайте об этом так: операционный усилитель будет делать то, что нужно, чтобы его вход был равным, и это будет просто подавать напряжение, чтобы R1 * Iout было равно Vin. Соотношение между Iout и Vo (opamp) будет установлено транзистором.

Таким образом, транзистор будет выполнять реальное преобразование VI, создавая петлю обратной связи с операционным усилителем.

— клабаккио
источник

на самом деле все становится ясно, но допустим, вы делаете то же самое без транзистора. Только операционный усилитель с обратной связью по напряжению и резистор. Операционный усилитель попытался бы сделать свой вход равным, а затем он также установил бы ток через R1, поскольку Vin был бы равен R1 * Iout. И результат был бы такой же нет? Не знаю, если мой вопрос ясен

— Дэмиен

@damien в этом случае вы будете вынуждены иметь Vout = Vin, в то время как в этом случае Vout = Vin + Vds, и это Vds может варьироваться, так что вы можете иметь различные выходные напряжения с учетом тока.

— Клабаккио

Я согласен, что Vout = Vin, если нет транзистора, и Vout = Vin + Vds, если он здесь. Но я не вижу утилиту? Что вы имеете в виду, имея различные выходные напряжения с учетом тока? Извините, я просто хочу полностью понять это: s

— damien

@damien, вы используете эту схему, если хотите управлять током без повышения напряжения. В качестве примера можно привести светодиод: вы хотите управлять им с 10 мА, хотя вы точно не знаете, при каком напряжении он будет всасывать этот ток.

— Clabacchio

5

Транзистор - это сердце схемы, в сущности, это управляемый напряжением сток. К сожалению, это нелинейное устройство (характеристика напряжения к току не является прямой линией), поэтому операционный усилитель и резистор предназначены для линеаризации функции схемы в целом.

— Дэйв Твид
источник

4

Потому что я думаю, что преобразование было бы сделано даже без этого транзистора.

Операционный усилитель будет устанавливать напряжение на основе входных сигналов, а не тока - это выглядит как обычный операционный усилитель по виду условного обозначения, а не как операционный усилитель трансдуктивности (OTA), который будет устанавливать ток на основе входных сигналов.

Кроме того, величина тока, который может поглощать операционный усилитель или источник, обычно очень мала, поэтому даже OTA без внешнего «буфера», такого как схема MOSFET, будет иметь чрезвычайно ограниченный диапазон V-I.

Если это все еще не имеет смысла, пожалуйста, объясните, почему вы думаете, что преобразование будет сделано без транзистора.

Подумайте о схеме таким образом. Предположим, что ваш сигнал Vin равен нулю, выход операционного усилителя равен нулю, и поэтому сигнал на затворе MOSFET равен нулю, MOSFET не проводит, и впоследствии сигнал на инвертирующем входе MOSFET равен нулю ,

Предположим, что сигнал Vin идет до 1V. Теперь разница между входами операционного усилителя составляет 1 В. Выход операционного усилителя начнет вращаться в направлении положительной шины, поскольку неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий вход, и, поскольку МОП-транзистор выключен, операционный усилитель является разомкнутым и имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления. В конце концов, выходное напряжение операционного усилителя достигнет порогового значения затвора-истока МОП-транзистора, и оно начнет работать.

Одна из немногих вещей может произойти сейчас.

Если внешнее подключение к стоку MOSFET идет к источнику напряжения, MOSFET начнет управлять током, который проходит через него, как функция напряжения затвора. Ток через полевой МОП-транзистор создает падение напряжения на R1. Напряжение на R1 является обратной связью - мы больше не разомкнуты - так как напряжение R1 возвращается на неинвертирующий вход. Система достигнет равновесия, когда будет сформировано достаточное выходное напряжение операционного усилителя для управления MOSFET, чтобы позволить точно достаточному току течь через R1 для создания идентичного падения напряжения на Vin, и будет поддерживать равновесие, регулируя выход операционного усилителя как Vin (или динамический MOSFET). сопротивление) меняется.

Если внешнее соединение не подключено к источнику напряжения, через R1 ток не будет течь, операционный усилитель останется разомкнутым, а выходное напряжение операционного усилителя достигнет максимально возможного положительного значения. МОП-транзистор будет включен, но ничего не делать.

Преимущество этого подхода заключается в том, что небольшой, относительно «слабый» операционный усилитель (с точки зрения возможностей накопителя) может использоваться для управления десятками, сотнями и даже тысячами ампер - это всего лишь вопрос размера MOSFET и управления питанием. способность сенсорного резистора.

— Адам Лоуренс
источник

0

Это (как объясняется в подписи) преобразователь напряжения в ток. Напряжение в верхней части R1 равно (ток исток-сток через Q4) / 100. Операционный усилитель будет работать в режиме «повторителя напряжения», увеличивая свою мощность, пока не достигнет равновесия с двумя входными клеммами, равными.

Таким образом, эффект представляет собой переменный ток потребления . Это не зависит от напряжения, при котором течет этот ток (от чего-то справа от этой диаграммы). Учитывая, что операционные усилители являются устройствами, основанными на напряжении, довольно сложно получить тот же эффект только с резисторной сетью на выходе.

Такая компоновка также позволяет использовать больший MOSFET и более слабый усилитель, чем пытаться сделать это все в одном.

— pjc50
источник

Извините, но я не понял, что вы имели в виду, говоря о MOSFET? Разве это не Вин, который установит ток через R1?

— Дэмиен

Вин устанавливает его косвенно , но ток через R1 с точки зрения анализа закона Кирхгофа зависит от MOSFET и не показанного источника тока справа.

— pjc50

0

Анализ этой топологии, включая проблемы стабильности, очень хорошо освещен в этой статье TI. Стабильность операционного усилителя, часть 5 из 15

Может быть полезно прочитать предыдущие части, чтобы полностью понять. Но они также доступны в Интернете.

РЕДАКТИРОВАТЬ: извините, это BJT в моем документе. Но в любом случае, это хороший документ ...

— Blup1980
источник