مدارهای تقویت جریان اپ-امپ می توانند به خوبی با BJT و MOSFET کار کنند. مزیت اصلی MOSFET ، جریان خروجی ناچیز مورد نیاز از اپ-امپ است . دو مقاله قبلی به ترانزیستورهای BJT پرداخته شد و در این مقاله ، به جای بافر کردن توسط BJT ها به بافر با MOSFET خواهیم پرداخت. در این مقاله به تقویت جریان اپ-امپ توسط مسفت پرداخته میشود.
مسفت یا ترانزیستور
من اغلب آرزو می کنم که یک پاسخ مختصر و قطعی برای این سؤال وجود داشته باشد که ، “کدام بهتر است BJT یا MOSFET ؟” اما همانطور که احتمالاً می دانید ، این سؤال مانند این است که بپرسید : “کدام ها بهتر هستند ، اتومبیل یا کامیون ؟” با هر دو سوال هیچ پاسخ مشخصی وجود ندارد. در عوض ، جزئیات هر وضعیت تعیین می کند که کدام گزینه ارجح است. در این مقاله ما با استفاده از مسفت در زمینه خاص بافر کردن خروجی اپ امپ برای جریان بالاتر می پردازیم و در این فرآیند می توانیم یک ایده کلی را در مورد اینکه چه موقع مسفت را نسبت به ترانزیستوها ترجیح می دهند صحبت میکنیم و برعکس .
مرور مختصر:
ابتدا بگذارید برخی خصوصیات برجسته مسفت را مرور کنیم. هنگامی که فت در منطقه فعال (شبه اشباع) قرار می گیرد ، جریان از طریق کانال مسفت به طور کامل توسط ولتاژ گیت سورس کنترل می شود. در منطقه خطی ، جریان نیز به ولتاژ درین-سورس بستگی دارد.
هنگامی که ولتاژ گیت-سورس مسفت از ولتاژ آستانه تحریک فراتر رود ، مسفت شروع به هدایت جریان می کند. مقدار جریان (در منطقه فعال) متناسب با مربع ولتاژ overdrive است ، که معادل ولتاژ گیت-سورس منهای ولتاژ آستانه تحریک تعریف می شود.
گیت مسفت از سایز اجزای دستگاه عایق شده است به گونه ای که جریان پایداری که در گیت جاری می شود تقریبا صفر است. ساختار فیزیکی گیت مسفت شامل خازن نسبتاً بزرگی است . شاید حتی ۵ برابر بیشتر از ظرفیت ورودی یک ترانزیستور BJT معادل.
در مدار زیر یک بافر تقویت جریان اپ-امپ با استفاده از مسفت به جای ترانزیستور نمایش داده میشود.
شکل زیر هم شبیه سازی مدار تقویت جریان اپ-امپ با نرم افزار LTspice نشان داده شده است.
قطعه مسفت را بر اساس حداکثر جریان درین انتخاب شده است. سوییچی که تقریبا شبیه ترانزیستور ۲SCR293P است که در بخش یک انتخاب شده بود. حداکثر جریان کلکتور ۲SCR293P یک آمپر است و حداکثر جریان درین مسفت FDC2512 حدود ۱٫۴ آمپر است. این دو قطعه اتلاف توانی مشابهی دارند. همانطور که انتظار می رود ، تفاوت قابل توجهی در خازن ورودی این دو وجود دارد: خازن ورودی ترانزیستور ۲SCR293P حدود ۹۰ پیکوفاراد و خازن ورودی مسفت FDC2512 حدود ۳۷۵ پیکوفاراد.
ولتاژ آستانه تحریک :
در اینجا نموداری بر حسب vin و vout وجود دارد
یک مشکلی که آشکار است: سطح ولتاژ سمت بار زیر ۲ ولت می رود ، حتی اگرتغذیه ۵ ولت برای مسفت و اپ امپ داشته باشیم. نمودار بعدی علت را معلوم می کند.
همانطور که مشاهده می کنید ، ولتاژ گیت به علت اشباع شدن اپ-امپ در حد ۵ولت ثابت می ماند و مانع بالا رفتن ولتاژ سر باربیشتر از ۲ ولت میشود. مشکل اصلی در اینجا ولتاژ آستانه تحریک مسفت است: فت حتی تا لحظه پایین تر بودن گیت سورس از ولتاژ ۲٫۶ ولتی شروع به هدایت نمی کند. این بدان معنی است که ولتاژ خروجی اپ-امپ همیشه حداقل ۲٫۶ ولت بالاتر از ولتاژ بار خواهد بود ، زیرا اختلاف ولتاژ فقط در صورت نیاز به جریان تخلیه بیشتر افزایش می یابد. همانطور که در نقشه قبلی نشان داده شده است. ولتاژ ورودی به منبع در هنگام خاموش شدن سطح خروجی ۳ ولت است.با انتخاب مسفت با ولتاژ آستانه تحریک پایین تر میتوان اختلاف ولتاژ بین ولتاژ بار و ولتاژ گیت رو به حداقل رساند و باعث شد که اپ-امپ به اشباع نرود و ولتاژ بار مقدار ولتاژ ورودی را تعقیب نماید.
اولین شبیه سازی عیب اصلی استفاده از مسفت را در این مدار تقویت جریان اپ-امپ نشان می دهد: ولتاژ تحریک بسیار بالاتر از ولتاژ مورد نیاز برای بیس-امیترترانزیستورNPN است. البته ولتاژ تحریک از یک قطعه به دیگری متفاوت است ، بنابراین مطمئناً با انتخاب فت متفاوت می توانید این مشکل را کاهش دهید. یک جستجوی سریع در digikey نشان می دهد که ترانزیستورهای مسفت دارای جریان قابل تحمل تا ۲ آمپرمی توانند ولتاژتحریک بسیار پایین تر از ۲٫۶ ولت داشته باشند. ولتاژ پایه مبدل به ولتاژ ۰٫۹ ولت تقریباً از هر ترانزیستور NPN انتظار دارید.
جزئیات دیگری که باید در نظر داشته باشید موارد زیر است: دامنه ولتاژ بار با جریانهای بار بزرگتر محدودتر می شود زیرا اپ-امپ برای تولید جریان درین بالاتر باید ولتاژoverdrive بیشتری ایجاد کند. اگر مقاومت بار را به جای ۵ Ω بر روی ۲ Ω قرار دهیم ، نمودار زیر را می گیریم:
در این حالت ولتاژ بار به جای ۲ ولت در حدود ۱٫۷۵ ولت محدود می شود.
مسفت در حالت Sinking and Sourcing :
این بحث در مورد مسفت نوع N وهمچنین مربوط به مسفت نوع P است که شما می توانید از آن به عنوان current-sinking کلاس B خروجی استفاده کنید
عملکرد مدل تقویت کنندگی با استفاده از مسفتهای NMOS-PMOS قابل مقایسه با عملکرد تقویت کنندگی ترانزیستورهای NPN-PNP در قسمت قبلی می باشد. فقط باید مطمئن بود که فت های خود را با ولتاژ تحریک کم انتخاب کنید.
در زیر مدار شبیه سازی شده تقویت جریان اپ-امپ با نرم افزار LTspice آورده شده است.
من در یافتن مسفتهای مناسب در بین گزینه های داخلی نرم افزار LTspice مشکل داشتم ، بنابراین من از دو مدل FET با ولتاژتحریک پایین استفاده می کنم. پارت نامبر مسفت نوع N به شماره RV2C010UN است ، وپارت نامبر مسفت نوع P به شماره RW1A013ZP است. لینکهای پیوست شده به این قطعات ، شما را به صفحات محصول می برد که در آن می توانید مدل SPICE را بارگیری کنید (در سمت راست تحت “TECHNICAL DATA”) ،
در اینجا نمودار VIN ، VOUT و VGATE آورده شده است:
منحنی VIN در زیر VOUT پنهان است. همانند نسخه BJT ، ولتاژ خروجی اپ-امپ یا همان ولتاژ گیت از باند مرده ای که در آن هر دو FET قطع هستند عبور می کند. همچنین ، این طرح برای تجسم چگونگی افزایش اختلاف بین VGATE و VOUT با افزایش VOUT (و همچنین جریان بار) فوق العاده است. این نشان دهنده عملکرد مسفت درمنطقه فعال است ، یعنی جریان درین بالاتر نیاز به ولتاژ گیت بالاتر دارد.
اگر منحنی را بزرگتر کنیم می توانیم ببینیم که ولتاژ تحریک مسفتهای NMOS و PMOS به ترتیب در حدود ۰٫۷۵ ولت و ۰٫۹ ولت است. بنابراین با این قطعات خاص ، ولتاژ تحریک خیلی بیشتر از افت ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستورBJT نیست.
نتیجه گیری:
مدارهای بافر جریان اپ-امپی می توانند به خوبی با BJT و MOSFET کار کنند. مزیت اصلی MOSFET ، جریان خروجی ناچیز مورد نیاز از اپ-امپ است ، و مشکل اصلی این است که محدوده ولتاژ خروجی را می توان با ولتاژهای گیت-سورس نسبتاً بالا محدود کرد.
در مقاله بعدی ما به یک موضوع ظریف اما مهم می پردازیم که می تواند استفاده از مسفت ها برای بافر جریان اپ-امپ را پیچیده تر کند: تأثیر ظرفیت خازن گیت بر پایداری.
مقاله قبلی (تقویت جریان اپ امپ – قسمت دوم دارلینگتون)