So puffern Sie einen Op-Amp-Ausgang für höheren Strom, Teil 3

Grundlagen der Sendetechnik Lernvideo von Stefan0719 - eflose #832 (Dezember 2018).

Anonim

So puffern Sie einen Op-Amp-Ausgang für höheren Strom, Teil 3


Die vorherigen zwei Artikel konzentrierten sich auf Bipolar-Junction-Transistoren. In diesem Artikel betrachten wir die Pufferung mit MOSFETs anstelle von BJTs.

zusätzliche Informationen

  • Einführung in Operationsverstärker
  • Audioverstärker der Klasse B.
  • Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (MOSFET)

Vorherige Artikel in dieser Serie

  • So puffern Sie einen Op-Amp-Ausgang für höheren Strom, Teil 1
  • So puffern Sie einen Op-Amp-Ausgang für höheren Strom, Teil 2

BJT vs MOSFET: Die anhaltende Rivalität

Ich wünschte mir oft, dass es eine knappe, definitive Antwort auf die alte Frage gibt: "Was sind besser, BJTs oder MOSFETs?" Aber wie Sie wahrscheinlich wissen, ist das wie die Frage: "Was sind besser, Autos oder Lastwagen?" Bei beiden Fragen gibt es keine universelle Antwort; Vielmehr bestimmen die Details jeder Situation, welche Option vorzuziehen ist. In diesem Artikel werden wir die Verwendung von MOSFETs im speziellen Kontext der Pufferung eines Operationsverstärkers für höhere Ströme untersuchen, und dabei werden wir in der Lage sein, eine allgemeine Idee zu bilden, wann MOSFETs gegenüber BJTs vorzuziehen sind und umgekehrt .

Ein kurzer Rückblick

Lassen Sie uns zunächst einige herausragende MOSFET-Eigenschaften betrachten.

  • Der Strom, der durch den MOSFET-Kanal fließt, wird fast vollständig durch die Gate-Source-Spannung gesteuert, wenn der FET in dem aktiven Bereich (aka Sättigung) arbeitet; in der linearen Region (Triode) hängt der Strom auch von der Drain-Source-Spannung ab.
  • Der MOSFET beginnt Strom zu leiten, wenn die Gate-Source-Spannung die Schwellenspannung überschreitet. Die Menge an Strom (in der aktiven Region) ist proportional zu dem Quadrat der Übersteuerungsspannung, die als die Gate-Source-Spannung minus der Schwellenspannung definiert ist.
  • Das Gate eines MOSFET ist vom Rest der Vorrichtung isoliert, so dass der stationäre Strom, der in das Gate fließt, nahezu Null ist. Ich sage "fast Null", weil ein gewisser Leckstrom durch das Gate-Dielektrikum fließt; Für unsere Zwecke ist dieser Leckstrom vernachlässigbar, obwohl er ein Problem mit den extrem dünnen (dh weniger als 2 nm) Gatedielektrika ist, die in modernen integrierten Schaltungen verwendet werden.
  • Die physikalische Struktur des MOSFET-Gatters führt zu einer relativ großen Kapazität - im Zusammenhang mit dem Gegenstand dieses Artikels möglicherweise bis zu 5-mal höher als die Eingangskapazität eines äquivalenten BJT.

NPN aus, NMOS ein

Hier ist die erste Pufferkonfiguration mit einem MOSFET anstelle eines BJT:

Und hier ist eine LTspice-Schaltung:

Ich wählte den NMOS-Teil basierend auf dem maximalen Drain-Strom; Ich wollte etwas ähnliches in der Fähigkeit, die 2SCR293P NPN in Teil 1 verwendet, so dass der Vergleich ist sinnvoller. Der maximale kontinuierliche Kollektorstrom des 2SCR293P beträgt 1 A und der maximale kontinuierliche Drain-Strom für das FDC2512 beträgt 1, 4 A. Die beiden Teile haben ebenfalls ähnliche Verlustleistungsgrenzen. Wie erwartet, gibt es einen signifikanten Unterschied in der Eingangskapazität: für den 2SCR293P etwa 90 pF; für die FDC2512, etwa 375 pF.

Grenzspannung

Hier ist ein Diagramm mit V IN und V OUT .

Ein Problem ist sofort ersichtlich: Die Lastspannung liegt knapp unter 2 V, obwohl wir 5 V-Versorgungen für den NMOS und den Operationsverstärker haben. Die nächste Handlung offenbart die Ursache.

Wie Sie sehen, sättigt die Gate-Spannung an der positiven Versorgungsspannung des Operationsverstärkers, wenn die Lastspannung nur etwa 2 V beträgt. Das Hauptproblem ist hier die Schwellenspannung des MOSFET: Der FET leitet nicht einmal bis zum Gate- Die Source-Spannung beträgt 2, 6 V. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers immer mindestens 2, 6 V höher als die Lastspannung ist, da die Spannungsdifferenz nur zunimmt, wenn mehr Drain-Strom benötigt wird - wie in der vorherigen Grafik gezeigt Die Gate-Source-Spannung beträgt 3 V, wenn der Ausgangspegel abfällt. Tatsächlich zeigen die in der grafischen Darstellung gezeigten Spannungen die typischen Eigenschaften des FDC2512; Laut Datenblatt könnte die Schwellenspannung bis zu 4 V betragen!

Diese erste Simulation zeigt einen Hauptnachteil der Verwendung eines NMOS-Transistors in dieser Schaltung: Die Schwellenspannung ist viel höher als die 0, 7-0, 9 V, die für einen NPN-Basis-Emitter-Übergang erforderlich sind. Natürlich schwankt die Schwellenspannung von Teil zu Teil, so dass Sie dieses Problem sicherlich durch die Wahl eines anderen FET abschwächen könnten. Eine schnelle Digi-Key-Suche zeigt, dass NMOS-Transistoren, die für einen kontinuierlichen Drain-Strom von 1-2 A ausgelegt sind, eine Schwellenspannung von deutlich unter 2, 6 V haben können. Dennoch müssen Sie hier vorsichtig sein, da die NMOS-Schwellenspannung tendenziell höher ist als die 0, 9 V Basis-Emitter-Spannung können Sie von fast jedem NPN-Transistor erwarten. Selbst ein Darlington-Paar (in Teil 2 besprochen) wird einen Lastspannungsbereich bereitstellen, der ähnlich oder besser ist als bei einigen MOSFETs, und der Darlington reduziert den Basisstrom auf Werte, die nahezu jeder Operationsverstärker bewältigen kann.

Ein weiteres Detail, das zu beachten ist, ist das Folgende: Der Lastspannungsbereich wird mit größeren Lastströmen begrenzter, da der Operationsverstärker eine höhere Übersteuerungsspannung erzeugen muss, um den höheren Drain-Strom zu erzeugen. Wenn wir den Lastwiderstand auf 2 Ω anstelle von 5 Ω einstellen, erhalten wir folgende grafische Darstellung:

In diesem Fall liegt die Lastspannung bei etwa 1, 75 V anstelle von 2 V.

Sinken und Sourcing

Diese Diskussion über den NMOS-Transistor ist auch für einen PMOS-Transistor relevant, den Sie als stromableitende Vorrichtung in einer Klasse-B-Ausgangsstufe verwenden würden (in Teil 2 diskutiert).

Die Leistung einer NMOS-PMOS-Stufe wäre vergleichbar mit der einer NPN-PNP-Stufe; Stellen Sie nur sicher, dass Sie Ihre FETs sorgfältig für eine ausreichend niedrige Schwellenspannung auswählen.

Hier ist ein LTspice-Schema:

Ich hatte Probleme bei der Suche nach geeigneten Teilen unter LTspices integrierten NMOS- und PMOS-Optionen. Stattdessen verwende ich zwei Low-Voltage-FET-Modelle von ROHM Semiconductor. Der NMOS hat die Teilenummer RV2C010UN und der PMOS die Teilenummer RW1A013ZP. Die Links zu diesen Teilenummern führen Sie zu Produktseiten, auf denen Sie das SPICE-Modell (rechts unter "TECHNISCHE DATEN") herunterladen können. Hier finden Sie Erläuterungen zur Verwendung eines Modells eines Drittanbieters LTspice NMOS- und PMOS-Komponenten.

Hier ist ein Diagramm mit V IN, V OUT und V GATE :

V IN ist unter V OUT versteckt. Wie bei der BJT-Version umgeht die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (dh V GATE ) das Totband, in dem beide FETs abgeschaltet sind. Außerdem ist diese graphische Darstellung gut zum Visualisieren, wie der Unterschied zwischen V GATE und V OUT zunimmt, wenn V OUT (und daher auch der Laststrom) ansteigt; dies spiegelt den grundlegenden Aktivmodusbetrieb eines MOSFET wider, nämlich, dass ein höherer Drain-Strom mehr Overdrive-Spannung benötigt.

Wenn wir hineinzoomen, können wir sehen, dass die Schwellenspannung für den NMOS und den PMOS ungefähr 0, 75 V bzw. 0, 9 V beträgt. Mit diesen speziellen Teilen ist die Schwellenspannung nicht viel höher als ein BJT-Basis-Emitter-Spannungsabfall.

Fazit

Die grundlegenden Operationsverstärker-Strompufferschaltungen können sowohl mit BJTs als auch mit MOSFETs gut arbeiten. Der Hauptvorteil des MOSFETs ist der vernachlässigbare Ausgangsstrom, der von dem Operationsverstärker benötigt wird, und die Hauptsorge ist, dass der Ausgangsspannungsbereich durch relativ hohe Gate-Source-Spannungen begrenzt werden kann. Im nächsten Artikel werden wir ein subtiles, aber signifikantes Problem untersuchen, das die Verwendung von MOSFETs für die Pufferung von Operationsverstärkern erschweren kann: die Auswirkung der Gate-Kapazität auf die Stabilität.

Nächster Artikel in der Serie: So puffern Sie einen Op-Amp-Ausgang für höheren Strom, Teil 4