OP-Verstärker mit Ausgang am N-Kanal-MOSFET

9

Ich muss einen Schaltplan analysieren und habe Probleme mit diesem Teil:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Sache ist, ich bekomme überhaupt nicht die Nützlichkeit des N-Kanal-MOSFET am Ausgang des Operationsverstärkers. Könnte jemand den Zweck dieser Komponente erklären?

Weil ich denke, die Umwandlung würde auch ohne diesen Transistor erfolgen.

operational-amplifier mosfet

— damien
quelle

4

Diese Schaltung wandelt eine Spannung in einen Strom um, wie Sie in der Übertragungsfunktion sehen können.

Der Transistor ist für die Berechnung des Ausgangsstroms nicht relevant, der nur von der Eingangsspannung und R1 abhängt.

Auf der Rennstrecke finden Sie Folgendes:

{V.}_{ich n - -} = {V.}_{S. S.} + {ich}_{Ö U. T.} \cdot {R.}_{1}

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

Wenn sich der Opamp jedoch in der Region mit hoher Verstärkung befindet, haben Sie (idealerweise) auch Folgendes:

{V.}_{ich n - -} = {V.}_{ich n +} = V. ich n

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

Daher können Sie den richtigen Term beider Gleichungen vergleichen und erhalten:

V. ich n = {V.}_{S. S.} + {ich}_{Ö U. T.} \cdot {R.}_{1}

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

{ich}_{Ö U. T.} = \frac{V. ich n}{{R.}_{1}}

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

Der Transistor soll den Ausgangsstrom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung ansteuern. Stellen Sie sich das so vor: Der Opamp wird alles tun, um seinen Eingang gleich zu machen, und dies wird einfach eine Spannung liefern, so dass R1 * Iout gleich Vin ist. Die Beziehung zwischen Iout und Vo (Opamp) wird vom Transistor eingestellt.

Der Transistor führt also die echte VI-Umwandlung durch und erzeugt mit dem Operationsverstärker eine Rückkopplungsschleife.

— Clabacchio
quelle

Es beginnt tatsächlich klar zu werden, aber nehmen wir an, Sie machen dasselbe ohne den Transistor. Nur der Operationsverstärker in Spannungsfolger-Rückkopplung und der Widerstand. Der Operationsverstärker würde versuchen, seinen Eingang gleich zu machen, und dann würde er auch den Strom durch R1 einstellen, da Vin gleich R1 * Iout wäre. Und das Ergebnis wäre das gleiche nein? Ich weiß nicht, ob meine Frage klar ist

— Damien

@damien in diesem Fall wären Sie gezwungen, Vout = Vin zu haben, während in diesem Fall Vout = Vin + Vds, und dass Vds variieren kann, so dass Sie angesichts des Stroms unterschiedliche Ausgangsspannungen haben können.

— Clabacchio

Ich stimme zu, dass Vout = Vin, wenn es keinen Transistor gibt, und Vout = Vin + Vds, wenn es hier ist. Aber ich sehe das Dienstprogramm nicht? Was meinst du mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen bei gegebenem Strom? Entschuldigung, ich möchte es nur vollständig verstehen: s

— damien

@damien Sie verwenden diese Schaltung, wenn Sie einen Strom ansteuern möchten, ohne die Spannung zu erzwingen. Ein Beispiel hierfür könnte eine LED fahren: Sie wollen , es fahren mit 10 mA, obwohl man nicht genau weiß , bei welcher Spannung wird saugt diesen Strom.

— Clabacchio

5

Der Transistor ist das Herzstück der Schaltung, er ist grundsätzlich eine spannungsgesteuerte Stromsenke. Leider handelt es sich um ein nichtlineares Gerät (die Spannungs-Strom-Kennlinie ist keine gerade Linie), sodass der Operationsverstärker und der Widerstand dazu dienen, die Funktion der Schaltung insgesamt zu linearisieren.

— Dave Tweed
quelle

4

Weil ich denke, die Umwandlung würde auch ohne diesen Transistor erfolgen.

Der Operationsverstärker stellt eine Spannung basierend auf den Eingängen ein, keinen Strom - es ist ein normaler Operationsverstärker nach dem Aussehen des schematischen Symbols, kein betrieblicher Transkonduktanzverstärker (OTA), der einen Strom basierend auf den Eingängen einstellen würde.

Außerdem ist die Strommenge, die ein Operationsverstärker sinken oder quellen kann, im Allgemeinen sehr gering, so dass selbst ein OTA ohne einen externen "Puffer" wie die MOSFET-Schaltung einen extrem begrenzten V-zu-I-Bereich hätte.

Wenn dies für Sie immer noch keinen Sinn ergibt, erklären Sie bitte, warum die Konvertierung Ihrer Meinung nach ohne Transistor erfolgen würde.

Stellen Sie sich die Schaltung so vor. Angenommen, Ihr Vin-Signal ist Null, der Ausgang des Operationsverstärkers ist Null, und aus diesem Grund ist das Signal am Gate des MOSFET Null, der MOSFET leitet nicht und anschließend ist das Signal am invertierenden Eingang des MOSFET Null .

Angenommen, das Vin-Signal geht auf 1V. Es gibt jetzt einen Unterschied von 1 V zwischen den Operationsverstärkereingängen. Der Operationsverstärkerausgang beginnt sich in Richtung der positiven Schiene zu drehen, da der nichtinvertierende Eingang höher als der invertierende Eingang ist und der Operationsverstärker mit extrem hoher Verstärkung offen ist, da der MOSFET ausgeschaltet ist. Schließlich erreicht die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers die Gate-Source-Schwelle des MOSFET und beginnt zu leiten.

Eines der wenigen Dinge könnte jetzt passieren.

Wenn die Off-Page-Verbindung zum Drain des MOSFET zu einer Spannungsquelle führt, beginnt der MOSFET, den durch ihn fließenden Strom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung zu steuern. Der Strom durch den MOSFET erzeugt einen Spannungsabfall über R1. Die Spannung an R1 ist die Rückkopplung - wir haben keinen offenen Regelkreis mehr -, da die Spannung R1 an den nicht invertierenden Eingang zurückgespeist wird. Das System erreicht ein Gleichgewicht, wenn genügend Opamp-Ausgangsspannung erzeugt wird, um den MOSFET zu steuern, damit genau genug Strom durch R1 fließen kann, um einen identischen Spannungsabfall zu Vin zu erzeugen, und hält das Gleichgewicht aufrecht, indem der Opamp-Ausgang als Vin (oder die MOSFET-Dynamik) eingestellt wird Widerstand) ändert sich.

Wenn die Off-Page-Verbindung nicht an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, fließt kein Strom durch R1, der Operationsverstärker bleibt offen und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers wird auf den maximal möglichen positiven Ausgang geschaltet. Der MOSFET wird eingeschaltet sein, aber nichts tun.

Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass ein kleiner, relativ "schwacher" Operationsverstärker (in Bezug auf die Antriebsleistung) verwendet werden kann, um zehn, Hunderte oder sogar Tausende von Ampere zu steuern - dies ist nur eine Frage der Größe des MOSFET und der Belastbarkeit Fähigkeit des Messwiderstands.

— Adam Lawrence
quelle

0

Es ist (wie die Überschrift erklärt) ein Spannungs-Strom-Wandler. Die Spannung am oberen Rand von R1 ist gleich (Source-Drain-Strom durch Q4) / 100. Der Operationsverstärker arbeitet im "Spannungsfolger" -Modus und erhöht seinen Ausgang, bis er ein Gleichgewicht erreicht, wobei seine beiden Eingangsanschlüsse gleich sind.

Der Effekt ist also eine variable Stromsenke . Dies ist unabhängig von der Spannung, mit der dieser Strom fließt (von etwas aus rechts in diesem Diagramm). Angesichts der Tatsache, dass Operationsverstärker spannungsbasierte Geräte sind, ist es ziemlich schwierig, den gleichen Effekt nur mit einem Widerstandsnetzwerk am Ausgang zu erzielen.

Diese Anordnung ermöglicht auch einen größeren MOSFET und einen schwächeren Verstärker als der Versuch, alles in einem zu tun.

— pjc50
quelle

Es tut mir leid, aber ich habe nicht verstanden, was Sie meinten, als ich über den MOSFET sprach? Ist es nicht Vin, der den Strom durch R1 einstellt?

— Damien

Vin setzt es indirekt , aber der Strom durch R1 aus Sicht der Kirchoffschen Gesetzesanalyse hängt vom MOSFET und der nicht gezeigten Stromquelle rechts ab.

— pjc50

0

Die Analyse dieser Topologie einschließlich Stabilitätsbedenken wird in diesem Artikel von TI sehr gut behandelt. Stabilität des Operationsverstärkers Teil 5 von 15

Es kann nützlich sein, die vorherigen Teile zu lesen, um sie vollständig zu verstehen. Sie sind aber auch im Internet verfügbar.

EDIT: Entschuldigung, es ist ein BJT in meinem Dokument. Aber trotzdem ist es ein gutes Dokument ...

— Blup1980
quelle