Un MOSFET di potenza per applicazioni di commutazione può essere utilizzato come amplificatore lineare?

I MOSFET di potenza al giorno d'oggi sono onnipresenti e abbastanza economici anche al dettaglio. Nella maggior parte delle schede tecniche ho visto che i MOSFET di potenza sono classificati per la commutazione, senza menzionare alcun tipo di applicazione lineare.

Mi piacerebbe sapere se questo tipo di MOSFET può essere usato anche come amplificatore lineare (cioè nella loro regione di saturazione).

Si noti che conosco i principi di base sui quali funzionano i MOSFET e i loro modelli di base (CA e CC), quindi so che un MOSFET "generico" può essere utilizzato sia come interruttore che come amplificatore (con "generico" intendo il tipo di dispositivo semi-ideale che si utilizza a fini didattici).

Qui sono interessato a possibili avvertimenti per dispositivi pratici che potrebbero essere saltati nei libri di testo universitari EE di base.

Ovviamente sospetto che l'utilizzo di tali parti non sia ottimale (più rumoroso? Meno guadagno? Peggiore linearità?), Poiché sono ottimizzati per la commutazione, ma ci sono problemi sottili che possono sorgere usandoli come amplificatori lineari che possono compromettere i semplici circuiti dell'amplificatore ( a bassa frequenza) dall'inizio?

Per dare più contesto: come insegnante in una scuola superiore sono tentato di usare parti così economiche per progettare circuiti amplificatori didattici molto semplici (ad es. Amplificatori audio di classe A - un paio di watt al massimo) che possono essere montati (e possibilmente costruiti su matrice PCB dai migliori studenti). Alcune parti che ho (o che potrei avere) disponibili a buon mercato, ad esempio, includono BUK9535-55A e BS170 , ma non ho bisogno di consigli specifici per quei due, solo una risposta generale su possibili problemi con quello che ho detto prima.

Voglio solo evitare una sorta di "Ehi! Non sapevi che il power mos di commutazione potrebbe fare questo e questa cosa quando usato come amplificatori lineari?!?" situazione in piedi di fronte a un circuito morto (fritto, oscillante, bloccato, ... o qualsiasi altra cosa)!

Ho avuto una domanda simile. Dalla lettura delle note applicative e delle diapositive di presentazione di aziende come International Rectifier, Zetex, IXYS:

• Il trucco sta nel trasferimento di calore. Nella regione lineare, un MOSFET dissiperà più calore. I MOSFET realizzati per la regione lineare sono progettati per offrire un migliore trasferimento di calore.
• MOSFET per una regione lineare potrebbe vivere con una capacità di gate superiore

Nota sull'app IXYS IXAN0068 ( versione di articolo di rivista )
Nota sull'app Fairchild AN-4161

Lo Spirito Effect , che è un'instabilità termica causata dal fatto che la tensione di soglia $V_{TH}$ ha un coefficiente di temperatura negativo, di solito è più un problema nei nuovi MOSFET.

Ad alte tensioni di overdrive (overdrive ), i MOSFET non presentano instabilità termiche poiché la loro resistenza del canale ha un coefficiente di temperatura positivo. Ciò provoca una buona condivisione corrente tra i dispositivi. Con overdrive bassi, tuttavia, la condivisione della corrente è scarsa a causa della tensione di soglia V T $V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$$V_{TH}$ ha un tempco negativo. Nelle giuste circostanze, ciò porta all'instabilità termica.

I nuovi MOSFET (generalmente ottimizzati per la commutazione, perché è lì che si trova il mercato) hanno correnti di soglia molto più elevate - in altre parole, a basse tensioni di overdrive, trasportano più corrente e dissipano più calore. Un altro modo di dire questo è: alle correnti che sono pratiche per gli amplificatori lineari, anche se con corrente di corrente, i MOSFET più recenti hanno bisogno di un overdrive molto piccolo (un regime che mostra instabilità termica), a differenza dei loro antenati che avevano bisogno di un sacco di overdrive (un regime con grande stabilità termica).

Pertanto, anche se i MOSFET più recenti fossero collocati negli stessi pacchetti con la stessa capacità di rimozione del calore, avrebbero comunque SOA più piccoli (aree operative sicure). A complicare ulteriormente la questione, come una sorta di regola generale, la maggior parte dei fogli di dati dei transistor non ha curve SOA accurate.

Quando si utilizzano MOSFET più recenti, progettare con ampi margini (ad esempio, un MOSFET che vede 200 V potrebbe essere specificato per 400 V) e non aspettarsi che resistano alle loro curve SOA del foglio dati a meno che non vengano testati.

Sì, è possibile utilizzare MOSFET di potenza destinati alla commutazione di applicazioni nella loro regione lineare, ma questo non è ciò che consiglio per il tuo scopo.

Attenersi ai BJT per amplificatori dimostrativi. Il motivo è che i loro requisiti di polarizzazione sono più prevedibili in tensione ed è quindi più facile creare circuiti per polarizzarli utilmente.

I MOSFET hanno una variazione significativa da parte a parte della tensione di soglia del gate, che è la tensione di gate alla quale un piccolo dV provoca il più grande cambiamento di uscita. Con i FET destinati alla commutazione, è preferibile ridurre al minimo questa regione di transizione, ma per il funzionamento lineare si desidera che si estenda. In altre parole, vuoi un po 'di "perdono" nella tensione di gate. Il cambio di FET potrebbe darti di meno. Il design per differenziare tali FET nella loro regione lineare finisce per essere molto pessimistico, di solito con resistori di sorgente più grandi di quelli che altrimenti utilizzeresti, solo per ottenere una certa prevedibilità.

Si può fare, ma i circuiti extra per impostare il punto di polarizzazione, probabilmente con un feedback CC intenzionale aggiuntivo, toglieranno gli altri concetti del design dell'amplificatore, a meno che ovviamente non sia ciò che si desidera insegnare. Tuttavia, sembra che qualsiasi amplificatore sia già un tratto per gli studenti, quindi l'aggiunta di questa complicazione può rendere il tutto impenetrabile per loro.

Innanzitutto, chiariamo la terminologia. Idealmente, un transistor di commutazione è sempre interrotto o saturato, sia esso bipolare o FET. In pratica, le transizioni devono passare attraverso la regione lineare. I FET hanno una complessità aggiuntiva: la regione resistiva per piccoli valori di tensione drain-source. Inoltre, la caratteristica di trasferimento grezzo di un FET è quadratica, non lineare. Quando commutato, un FET si saturerà rapidamente e, se il circuito esterno è progettato correttamente, la tensione della sorgente di drain scenderà altrettanto rapidamente fino a nominalmente un volt. A quel punto, sarà nella regione resistiva, ma sarà anche, soprattutto, saturato. Quindi, ad esempio, se stai scaricando 5 amp, la potenza dissipata nel FET sarà di circa 5 watt.

Si desidera utilizzare il transistor in un circuito distorto nella regione lineare. Per essere chiari, si tratta del circuito esterno. Un blocco di guadagno è un blocco di guadagno. Non importa se è un BJT, un FET, un MOSFET o un amplificatore operazionale. L'unica cosa che si perde utilizzando un transistor di commutazione sono le specifiche del produttore per guadagno e sfasamento rispetto alla frequenza. Per uno switch, non ti interessa, quindi ti semplificano elaborando i dati in un parametro di tempo di commutazione anziché in parametri di frequenza.

Se stavi cercando di produrre amplificatori, te ne importerebbe, ma stai solo dimostrando a un gruppo di ragazzi verdi, quindi anche a te non importa della risposta in frequenza. Un transistor di commutazione rende un blocco di guadagno perfettamente buono, specialmente per i pochi watt di potenza dichiarati: puoi guidare un piccolo altoparlante con un amplificatore operazionale comune per l'amor del cielo!

Non devi preoccuparti del bias: accoppia il tuo segnale di input con un piccolo condensatore. Il tuo piccolo amplificatore di segnale di classe A con una guida da 30 volt sarebbe:

1. Un bias di impostazione del partitore di tensione, ad esempio 200K rail to gate e 100k gate to ground. Questo ti dà 10 volt quiescenti sul tuo nodo gate.
2. Associare l'ingresso al nodo gate con un condensatore.
3. Posiziona un resistore dalla sorgente alla terra: controlla il bias della corrente di drain. Usa, diciamo .5k per dare una corrente di drain quiescente di 20 mA, facilmente sopportabile da qualsiasi transistor di potenza.
4. Posiziona un resistore da 100ohm in serie con la bobina da 8ohm nominalmente - ricorda, un altoparlante risponde ai cambiamenti di corrente, non di tensione - la sua bobina crea un campo magnetico variabile in un campo di polarizzazione.
5. Il transistor raccoglierà qualsiasi dissipazione di potenza che non sia portata da questi altri carichi - al massimo 400 mW.

6. La tua caratteristica di trasferimento del segnale piccolo sarà:

   $$V_\text{drain} = 30-\frac{v*G*108}{500} = 30-\frac{v*G}{5}$$

dove v è la tensione del segnale da picco a picco, G è la transconduttanza del transistor e gli altri valori sono la tensione del binario e le resistenze di carico. Se vuoi divertirti, lavora nell'induttanza della bobina dell'altoparlante e vedrai un cerchio invece di una linea di carico sul diagramma IV.

Varia i componenti esterni a tuo piacimento. Semplice e senza sciocchezze. Assicurati di sottolineare ai tuoi figli la natura irrilevante del blocco guadagno. Le specifiche contano solo per il controllo della qualità della produzione, ma per un hack unico, tutto funziona.