Necesito analizar un esquema y tengo problemas con esta parte:
El problema es que no obtengo toda la utilidad del MOSFET de canal N en la salida del amplificador operacional. ¿Alguien podría explicar el propósito de este componente?
Porque creo que la conversión se haría incluso sin este transistor.
Este circuito convierte una tensión en una corriente, como se puede ver en la función de transferencia.
El transistor no es relevante para calcular la corriente de salida, que solo depende de la tensión de entrada y de R1.
Desde el circuito puedes encontrar que:
$$ V_ {in-} = V_ {SS} + I_ {OUT} \ cdot R_1 $$
Pero si el Opamp está en la región de alta ganancia, también tendrás eso (idealmente):
$$ V_ {in-} = V_ {in +} = Vin $$
Por lo tanto, puede comparar el término correcto de ambas ecuaciones y obtener:
$$ Vin = V_ {SS} + I_ {OUT} \ cdot R_1 $$ $$ I_ {OUT} = \ frac {Vin} {R_1} $$
El transistor está destinado a controlar la corriente de salida dependiendo de la tensión de la compuerta. Piénselo de esta manera: el Opamp hará lo que sea necesario para hacer que su entrada sea igual, y esto simplemente proporcionará un voltaje para que R1 * Iout sea igual Vin. La relación entre Iout y Vo (opamp) será establecida por el transistor.
Por lo tanto, el transistor realizará la conversión real V-I, creando un bucle de retroalimentación con el amplificador operacional.
El transistor es el corazón del circuito, es fundamentalmente un sumidero de corriente controlado por voltaje. Desafortunadamente, es un dispositivo no lineal (la característica de voltaje a corriente no es una línea recta), por lo que el opamp y la resistencia están ahí para linealizar la función del circuito en general.
Porque creo que la conversión se haría incluso sin este transistor.
El opamp establecerá un voltaje basado en las entradas, no en una corriente; es un opamp normal por el aspecto del símbolo esquemático, no un amplificador operacional de transconductancia (OTA) que establecería una corriente basada en las entradas.
Además, la cantidad de corriente que un opamp puede hundir o la fuente es generalmente muy pequeña, por lo que incluso un OTA sin un 'buffer' externo como el circuito MOSFET tendría un rango V-a-I extremadamente limitado.
Si esto todavía no tiene sentido para usted, explique por qué cree que la conversión se haría sin un transistor.
Piensa en el circuito de esta manera. Suponga que su señal Vin es cero, la salida del opamp es cero y, debido a esto, la señal en la puerta del MOSFET es cero, el MOSFET no está conduciendo y, por lo tanto, la señal en la entrada inversora del MOSFET es cero .
Suponga que la señal de Vin va a 1V. Ahora hay una diferencia de 1 V entre las entradas del amplificador operacional. La salida opamp comenzará a girar hacia el riel positivo, ya que la entrada que no se invierte es más alta que la entrada inversora, y como el MOSFET está apagado, el opamp está en lazo abierto con una ganancia extremadamente alta. Eventualmente, el voltaje de salida del opamp alcanzará el umbral de puerta a fuente del MOSFET, y comenzará a conducir.
Una de las pocas cosas podría suceder ahora.
Si la conexión fuera de la página al drenaje del MOSFET va a una fuente de voltaje, el MOSFET comenzará a controlar la corriente que fluye a través de él como una función del voltaje de la compuerta. La corriente a través del MOSFET crea una caída de voltaje en R1. La tensión a través de R1 es la realimentación, ya no estamos en un circuito abierto, ya que la tensión de R1 se retroalimenta a la entrada no inversora. El sistema alcanzará el equilibrio cuando se genere suficiente voltaje de salida opamp para controlar el MOSFET para permitir que la corriente fluya exactamente a través de R1 para crear una caída de voltaje idéntica a Vin, y mantendrá el equilibrio al ajustar la salida opamp como Vin (o la dinámica MOSFET resistencia) cambios.
Si la conexión fuera de la página no está conectada a una fuente de voltaje, no fluirá corriente a través de R1, el opamp permanecerá abierto y la tensión de salida del opamp pasará a su máxima salida positiva posible. El MOSFET estará encendido, pero no hará nada.
La ventaja de este enfoque es que se puede usar una pequeña plataforma, relativamente 'débil' (en términos de capacidad de manejo) para controlar decenas, cientos, incluso miles de amperios. Es solo una cuestión del tamaño del MOSFET y la capacidad de manejo de potencia de la resistencia sensorial.
Es (como lo explica la leyenda) un convertidor de voltaje a corriente. El voltaje en la parte superior de R1 es igual a (corriente de drenaje de fuente a través de Q4) / 100. El opamp operará en modo "seguidor de voltaje", aumentando su salida hasta que alcance un equilibrio con sus dos terminales de entrada iguales.
Por lo tanto, el efecto es una variable actual sink . Esto es independiente de la tensión a la que fluye la corriente (de algo a la derecha de este diagrama). Dado que los opamps son dispositivos basados en voltaje, es bastante difícil obtener el mismo efecto solo con una red de resistencias en la salida.
Esta disposición también permite un MOSFET más grande y un amplificador más débil que intentar hacerlo todo en uno.
El análisis de esta topología, incluidos los problemas de estabilidad, está muy bien tratado en este documento por TI. Estabilidad del amplificador operacional, parte 5 de 15
Puede ser útil leer las partes anteriores para comprender completamente. Pero también están disponibles en la web.
EDITAR: lo siento, es un BJT en mi documento. Pero de todos modos, es un buen documento ...