【技术专辑】如何缓冲运算放大器输出以获得更高电流,第3部分

前两篇文章主要关注双极结型晶体管。在本文中,我们将介绍使用MOSFET而不是BJT进行缓冲。

 

支持信息

 

•运算放大器简介

 

•B类音频放大器

 

•绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)

 

BJT vs. MOSFET:正在进行的竞争

 

我经常希望对旧问题有一个简明扼要的答案,“哪个更好,BJT还是MOSFET?”但你可能知道,这就像问“哪个更好,汽车还是卡车?”这两个问题,没有普遍的答案; 相反,每种情况的细节决定哪种选择更可取。在本文中,我们将探讨在缓冲运算放大器输出以获得更高电流的特定环境中使用MOSFET,在此过程中,我们将能够形成MOSFET何时可能优于BJT的一般概念,反之亦然。

 

简要回顾

 

首先让我们回顾一些突出的MOSFET特性。

 

•当FET工作在有源(也称为饱和)区域时,流过MOSFET通道的电流几乎完全由栅极 - 源极电压控制; 在线性(也称为三极管)区域,电流还取决于漏极 - 源极电压。

 

•当栅极 - 源极电压超过阈值电压时,MOSFET开始传导电流。电流量(在有源区域中)与过驱动电压的平方成比例,其被定义为栅极 - 源极电压减去阈值电压。

 

•MOSFET的栅极与器件的其余部分绝缘,使得流入栅极的稳态电流几乎为零。我说“几乎为零”,因为一些漏电流流过栅极电介质; 就我们的目的而言,这种泄漏电流可以忽略不计,尽管这是现代集成电路中使用的极薄(即小于2nm)栅极电介质的问题。

 

•MOSFET的栅极的物理结构导致相对较大的电容 - 在本文的主题中,可能比同等BJT的输入电容高5倍。

 

NPN输出,NMOS输入

 

这是第一个使用MOSFET而不是BJT的缓冲配置:

 

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这是一个LTspice电路:

 

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我根据最大漏极电流选择了NMOS器件; 我想要与第1部分中使用的2SCR293P NPN 类似的功能,以便比较更有意义。2SCR293P的最大连续集电极电流为1 A,FDC2512的最大连续漏极电流为1.4 A.这两部分也具有相似的功耗限制。正如所料,输入电容存在显着差异:对于2SCR293P,约为90 pF; 对于FDC2512,大约375 pF。

 

阈值电压

 

这是一个V IN和V OUT的图。

 

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一个问题很明显:尽管我们为NMOS和运算放大器提供了5 V电源,但负载电压仍然低于2 V。下一个波特图揭示了原因。

 

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如您所见,当负载电压仅为2 V时,栅极电压在运算放大器的正电源电压下饱和。这里的主要问题是MOSFET的阈值电压:FET甚至在栅极电阻之前都没有开始导通 - 源电压为2.6 V.这意味着运算放大器的输出电压始终比负载电压高至少2.6 V,因为电压差只会随着需要更多漏极电流而增加 - 如前图所示,当输出电平关闭时,栅极 - 源极电压为3 V. 实际上,图中所示的电压代表了FDC2512 的典型特性; 根据数据表,阈值电压可能高达4 V!

 

第一次仿真证明了在该电路中使用NMOS晶体管的主要缺点:阈值电压远高于NPN基极 - 发射极结所需的0.7-0.9V。当然,阈值电压因部件而异,因此您可以通过选择不同的FET来解决此问题。快速的Digi-Key搜索表明额定为1-2 A连续漏极电流的NMOS晶体管的阈值电压远低于2.6 V.但是,这里需要注意,因为NMOS阈值电压往往高于0.7-您可以从任何NPN晶体管获得0.9 V的基极 - 发射极电压。甚至是达林顿对(在第2部分中讨论过))将提供与某些MOSFET相似或更好的负载电压范围,达林顿将基极电流降低到几乎任何运算放大器都可以处理的水平。

 

要记住的另一个细节如下:负载电压范围变得更加有限,因为运算放大器必须产生更高的过驱动电压以产生更高的漏极电流。如果我们将负载电阻设置为2Ω而不是5Ω,我们得到以下图:

 

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在这种情况下,负载电压稳定在约1.75 V而不是2 V.

 

漏与源

 

关于NMOS晶体管的讨论也与PMOS晶体管相关,您可以将其用作B类输出级中的电流吸收器件(在第2部分中讨论)。

 

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NMOS-PMOS阶段的性能可与NPN-PNP阶段的性能相媲美; 只需确保您仔细选择FET,以获得足够低的阈值电压。

 

这是一个LTspice原理图:

 

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我在LTspice的内置NMOS和PMOS选项中找不到合适的部件时遇到了麻烦,因此我使用的是ROHM Semiconductor的两个低阈值电压FET模型。NMOS的部件号为RV2C010UN,PMOS的部件号为RW1A013ZP。附在这些部件号上的链接将带您进入可下载SPICE模型的产品页面(在“技术数据”下的右侧),您可以在此处获取有关如何使用第三方模型的说明。 LTspice NMOS和PMOS组件。

 

这是一个V IN,V OUT和V GATE的图:

 

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V IN隐藏在V OUT下。与BJT版本一样,运算放大器的输出电压(即V GATE)绕过两个FET截止的死区。此外,该图非常适合可视化V GATE和V OUT之间的差异随着V OUT(以及负载电流)的增加而增加; 这反映了MOSFET的基本有源模式操作,即更高的漏极电流需要更多的过驱动电压。

 

如果我们放大,我们可以看到NMOS和PMOS的阈值电压分别约为0.75 V和0.9 V. 因此,对于这些特定部件,阈值电压不会高于BJT基极 - 发射极电压降。

 

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结论

 

基本的运算放大器电流缓冲电路可以很好地与BJT和MOSFET配合使用。MOSFET的主要优点是运算放大器所需的输出电流可忽略不计,主要关注的是输出电压范围可能受到相对较高的栅极 - 源极电压的限制。在下一篇文章中,我们将探讨一个微妙但重要的问题,它可能使MOSFET用于运算放大器电流缓冲变得复杂:栅极电容对稳定性的影响。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计