Задачка в файле. Для тех кому будет интересно отвлечься и пошевелить извилинами

Требуется проанализировать как что работает и дать функцию входа/выхода.
Буду рад мнениям. Хочу проверить себя правилен ли мой подход.

Транзистор в насыщении, ОУ идеальный. Тогда, ТОк через резистор равен току через транзистор. Напряжение на неинвертирующем входе "0". Тогда нпряжение Vgs = Vo = (sqrt(2*I/betta) + Vt).
ток черех резистор и через транзистор I = Vin/R.
Отсюда Vo/Vin несложно выразить.

betta = k*W/L
k - gain factor
Vt - threshold voltage

Близко к моей версии. Да, ОУ идеальный.
Так какой точный ответ и описание процесса при входном сигнале ?

А в чем отличия Вашей версии ?

теж все нарисовали? подставить только.

Я не знаю полностью ли вы высказали сво мнение или просто укоротили ответ но на самом деле подразумевали более полный процесс.

По моему, то что происходит:
Case 1: Vin > 0
Тогда source будет со стороны выхода ОУ -> Vgs = 0 -> Vgs < Vt -> MOSFET in cut-off (отсечка).
В результате разорвана цепь обратной связи ОУ - на выходе отицательное saturation т.е. Vout = Vee.

Case 2: Vin < 0
Тогда source будет со стороны входа ОУ (и drain соотв. со стороны выхода).
Vgs = Vds. По теории: Vds > Vgs -Vt -> saturation. Если Vgs = Vds, то подавно Vds > Vgs - Vt. Значит транзистор в насыщении. Уравнение насыщение: Id =(k/2)(Vgs-Vt)^2. С другой стороны: Id = -Vin/R и
Vgs = Vds = Vout.
Получаем:
-Vin/R = (k/2)(Vout - Vt)^2.
Отсюда следует:

Vout = sqrt(2/(kR))*sqrt(|Vin|), при Vin < 0.

Т.е. мы получили устройство делает квадратный корень из модуля отрицательного сигнала на входе (умноженного ка фактор) и уходя в отрицательное насыщение при положительном сигнале.

В принципе мой и ваш подходы очень близки (и надеюсь они правильны), просто я ожидал полного изложения процесса, я не знаю имели ли вы ввиду всю эту картину и просто вкатце изложили ответ, или вы считаете транзистор всегда в насыщении, вне зависимости от полярности входного сигнала...

Вообще я тут должен дать кредит Deemonу, просветивщему меня насчет факто того что у такого рода полевиков source/drain могут меняться местами (а значит и Vgs там или сям) в зависимости от ситуации (http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=30918). Если-бы не сия мысля - я бы врядле решил бы ее...



Сорри, не понял что вы имеете ввиду....

Почему у вас при Vin > 0 -> Vout = Vee?
Разве мы не получим в этом состоянии из транзистора грубо говоря диод катодом на линию out а анодом на землю?
Тогда при Vin > 0 -> Vout = - V p-n перехода, т.е. около -0.6?

Полевой транзистор в диодном включении - это не свосем диод, в отличии от биполярного

Мы же не говорил о биполярном, тут у нас mosfet enhancement - там структура другая. При Vgs < Vt нет проводящего канала (грубо говоря) - эквивалент разрыву цепи.
Разрыв цепи -> разрыв обратной связи ОУ что ведет к отрицательному насыщению на выходе ОУ ибо входной полож. подан на инверсный вход. (Тут начинает играть open loop gain операционника, а он в небесах посему сразу выбрасывает ОУ в насыщение (близкое к питанию).



А, вот меня уже опередили ..

Саша, ваши рассуждения верны . Мой ответ был несолько не полным. Только не знаю насчет коректности теримнологии, насчет переворотов source. И еще это верно для N канального транзистора, для P все будет наоборот

То есть вы согласны с тем, что при Vin > 0 на выходе получаем отрицательное питание ОУ (Vee)?
При положительном напряжении - транзистор в режиме отсечки. цепь - разорвана, но p-n переход между подложкой и стоком никуда не делся.

П.С. Ладно двое на одного не честно подумаю, может я не прав. кто- нибудь пробовал моделировать схему?

Прошу обратить внимание, что подложка не подключена ни к истоку ни к стоку. Если брать транзистор корпусной, когда соурс подключен к подложке, тогда да - паразитный диод откроется....

Прокомментируйте пожалуйста модель схемы

Хмм...транзистор точно n-channel ? Стрелка вовнутрь обычно означает n, но симуляция намекает на p...
Кроме того, симуляция намекает об открытом диоде (на положительной полуволне на входе)...

Хмм, нужно подумать...

По-моему всн нормально. Коэффициент усиления неинвертирующего усилетеля -(Roc/Rin), Rос вздесь всегда остается очень большим, так как транзистор либо в насыщении либо выключен следовательно коэффициент усиления тоже очень большой, в результате ОУ оказывается в насыщении...

Roc - это R open circuit ? Если так, то конечно усиление здесь будет очень большое что приведет к насыщению на выходе. Но mosfet будет по идее в cut-off при положительной волне на входе, а симуляция дала это при отрицательной.
Если-же транзистор в насыщении, до разве Rds так велик ?

Rос это сопротивление в цепи обратной связи. Идельаный транзистор имеет бесконечное внутреннее сопротивление в режиме насыщения. Сопоротивление реального транзистора же зависит от протекающего тока. Обычно это сопротивление сотни килоОм

При положительной волне на входе, на выходе ОУ отрицательная волна, сл-но транзистор заперт. Сопротивление между стоком и истоком бесконечное. Но т.к. подложка сидит на земле, то получаем область с p-n переходом (Подложка-Сток), которая держит выход ОУ на -0.6.

При отрицательной воле на входе - , на выходе ОУ положительная волна, сл-но транзистор открыт. Roc - порядка КОм. ОУ уходит в насыщение. Тут все зависит от внутренних характеристик транзистора и от сопротивления во входной цепи схемы. Однозначно говорить про насыщение я бы не стал.

Мои рассуждения подтверждаются смоделированной схемой

Насчет первой части - может быть.
насчет отрицательной - сопротивление открытого канал не так уж велико, даже если в кОмах - на входе имеем 10кОм что дает вполне вменяемо небольшое усиление и по идее не дало-бы насыщение на выходе..

Здесь играет роль отношения Roc/Rвх. В той схеме, которую собрал я, Rвх - мало, соответственно Коэф. усиления большой, что и загоняет ОУ в насыщение. Если подобрать значения Roc и Rвх соизмеримые, то насыщения не будет конечно
Я и сказал ранее, что в данном случае зависимость от "...сопротивления во входной цепи схемы"

Но в режиме насыщения падение напряжения на транзисторе небольшое при относительно большом токе что намекает на небольшое сопротивление в насыщении...я ошибаюсь ?

Сопротивление Сток- Исток небольшое, порядка Ом (в открытом состоянии)
Сопротивление Затвор - Исток (Затвор - Сток) порядка КОм (десятка КОм)

Вот порылся в интернете, нашел описание.
http://crio.mib.infn.it/wig/electronics/Co...stor/BSS138.pdf

Нда... все верно

Чего-то я не совсем понимаю у MOSFETа gate полностью изолирован пленкой оксида (посему и управление через gate полем а не током) посему сопротивление gate-source либо gate-drain измеряется сотнями мегаом и более, откуда-же эти кОмы ?
Или я вас неправильно понял ?

Да, все верно, я уже сам запутался ))))
Сопротивление gate-source (drain) порядка сотен МОм. И уж параллельное соединение Омов и КОмов не дадут КОмы ))))) (свой предыдущий пост поправил, чтоб не сбивать читающих)
Roc в данном случае обуславливается динамическим выходным сопротивлением транзистора, которое как раз порядка КОм.

Это сопротивление обуславливается модуляцией эффективной длины канала при изменении напряжения на стоке. Его необходимо учитывать при расчете аналоговых ключей.

Че-то мы (или как минимум я) по моему потеряли нить.
На полож. полуволне на входе - отриц. на выходе. Вследствии заземления substrate (подложка ?) при этом на выходе образуется диод с анодом на земле и катодом на выходе ОУ - диод в приямом включении - вот и получаем -0.6V на выходе.
На отриц. полуволне на входе - транзстор в отсечке - на выходе ОУ полож. насыщение.

Так ?

На отрицательной полуволне на входе - на выходе ОУ положительная полуволна, соответственно транзистор открыт. В первом приближении схема будет выглядеть как инвертирующий усилитель с коеф. усиления Roc/R. От этого отношения зависит - будет ли ОУ в насыщении или нет

Да, логично, но ежели он открыт (насыщен) что его R будет не велико и отношение Rос/Rin соотв. мало, т.е. усиление ОУ - контролируемое и не большое, значит ОУ врядле будет в насыщении.
Если-же каким-то образом транзистор окажется в активном режиме (а не в насыщении) - тогда да, его R вполне будет не так уж мал, но все-равно при Rin = 10kOhm усиление ОУ будет контролируемое...

Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Решил немного с другой стороны посмотреть.
На графиках зависимости напряжений на выходе ОУ, стоке/затворе полевика и тока через резистор R2 (добавлен для наглядности) от напряжения на входе схемы (V3=[-2В..+2В]) со степпингом по напряжению подложки V4=[0В..-5В] с шагом 1В.
Видно, что при открывании диода подложка-сток напряжение на стоке, естесно, ограничивается, ОУ улетает в минус насыщения, и это правильно.
Не могу понять, чем обусловлено ограничение в плюс (точно не питанием ОУ - когда сначала сделал R1=10k и без R2, с моделью ОУ Level1 отрицательного насыщения ОУ не наступало вплоть до -1500В).

Модель ОУ - Generic Level3 (с совсем идеальным Level1 картинка не меняется), модель полевика - Generic N-MOSFET из библиотек MicroCap7.

upd: торможу под вечер. В модели полевика черным по-русски задано threshhold voltage 4V.

Я вам говорю о насыщении ОУ. Для того что бы ОУ не вошел в насыщение при смене полуволны, необходимо иметь Rin большим. При переключении транзистора из режима отсечки появляется динамическая составляющая сопротивления порядка десятков КОм (за этим фактом пришлось слазить в книжку. Там оговаривается, что
-цитата:"...это сопротивление обуславливается модуляцией эффективной длины канала при изменении напряжения на стоке. Его необходимо учитывать при расчете аналоговых ключей. В расчете цифровых схем им можно пренебречь ")
Если изначально у нас Rin будет мало относительно динамического выходного сопротивления транзистора, то ОУ вгонится в насыщение. Если Rin порядка КОм, то схема работает, как инвертирующий усилитель (чего мы и хотим добиться)


Добавлением R2 (1K) вызаранее уводите ОУ на положительной
полуволне по входу в насыщение на -Vcc
Для наглядности (что бы не нарушать схему) R2 нужно ставить после ключа

Если Вы внимательно посмотрите, то ОУ улетает в минус насыщения не на положительной полуволне, а только после открывания диода подложка-сток полевика. R2 и был добавлен, чтобы это показать. В диапазоне входного напряжения от напряжения на подложке до treshhold voltage полевика схема ведет себя как вполне линейный инвертирующий усилитель.

Правильно. Вы этим сопротивлением отсекаете диод от схемы, и ОУ улетает у вас в насыщение
А смысл как раз в том, что бы диод держал линию

Попробуйте проверить сами. Без этого резистора ток через диод ограничивается допустимым током выхода ОУ, а если использовать модель ОУ Level1 (без каких-либо ограничений), то можно получить ток через диод и 1 кА.

Ну 1кА вы не получите. У вас выгорят микросхемы питания раньше.

И изначально задача стояла оценить имеющуюся схему, а не выпускать в серию устройство с такой функцией.

почему вы добавляете резистор = 1К, а не например 200Ом ?(попробуйте и посмотрите где остановится сигнал)
В зависимости от номинала этого сопротивления у вас будет сдвигаться нижняя граница вых. сигнала. По-этому считаю, что резистор нельзя ставить здесь при анализе конкретной данной схемы, так как это сбивает понимание воздействия p-n перехода на выход ОУ.
П.С. все пойду домой, а то так и хоккей пропустить можно

По условиям задачи ОУ идеальный. Модель ОУ Level1 - это идеальный ОУ с бесконечным коэффициентом усиления и т.д. и без ограничения напряжения и тока по выходу. Т.е. при необходимости такой ОУ из себя и кА выдавит.

Именно. См. выше.

Можно и 200 Ом - это не критично. См. ниже.

В модели ОУ Level3 ток ограничения по выходу задан 20 мА. Без резистора ток ограничивался именно этим. На выходе ОУ получалось -0.7В с копейками. Это все я проделал еще до того как запостил картинки.
Повторюсь: резистор был добавлен как раз для того, чтобы отделить мух от котлет.

Сопротивление канала полевика с данной моделью на линейном участке передаточной характеристики составляет около 320 кОм. Согласитесь, что еще 1 кОм погоды не сделает.
А о какой нижней границе Вы говорите? Это когда диод открывается?

Ваш 1КОм погоды не сделает когда транзистор открыт, но когда транзистор находится в режиме отсечки, по ИСХОДНОЙ схеме напряжение выхода равно минус падению напряжения на p-n переходе (-0.6).

Когда вы добавляете последовательно диоду в цепь резистор у вас происходит смещение напряжения. Или вы не согласны?

Так как вы можете смещать напряжение по своему усмотрению, ставя 1К, 2К или любое другое сопротивление, если в условии задачи необходимо получить конкретную зависимость Vout от Vin?

По-этому, если хотите добавить резистор, добавляйте после ключа. Тогда в режиме отсечки он влиять не будет

. Я где-то сказал, что этот резистор принципиально необходим? Трижды сказал, для чего он был введен. Считайте его выходным сопротивлением ОУ.
Кста, не подскажете ли, какое напряжение и ток будут на выходе идеального ОУ в приведенной схеме без резистора R2 при, например, +10 В на входе? А чтобы стало совсем хорошо, давайте сделаем R1=10 Ом, как Вы предложили в своей схеме. Эти условия не противоречат исходной постановке задачи?
имхо, спор совершенно ни о чем.

В том все и дело, что в условиях задачи специально не задано ни одного точного числа. задача - получить функцию Vout=F(Vin) не применяя конкретных чисел.
Решением задачи является
при Vin >0 Vout = -V(p-n)=-0.6
при Vin < 0 Vout = -Vin*Roc/Rin
По поводу Rin мы уже говорили с Саша Z.
При чем здесь какие-то конкретные числа?
Спор действительно не о чем

П.С. to xemul Да вот такой вопрос: вы бы стали использовать приведенную в условии задачи схему у себя на плате? Без изменений и доработок, как есть?

имхо, при отсутствии дополнительных условий на параметры ОУ по выходу корректнее будет считать Vout неопределенным при Vin>0.

Ну Вы же знаете ответ.
А меня после ужина начали глодать сомнения насчет точности моделирования в MC7 участка характеристики Vsub<=Vout<Vth. Если будет не лень, проверю в PSpice. Завтра