Kann ein Leistungs-MOSFET für Schaltanwendungen als linearer Verstärker verwendet werden?

Leistungs-MOSFETs sind heutzutage allgegenwärtig und auch im Einzelhandel relativ billig. In den meisten Datenblättern habe ich gesehen, dass Leistungs-MOSFETs für das Schalten ausgelegt sind, ohne irgendwelche linearen Anwendungen zu erwähnen.

Ich würde gerne wissen, ob solche MOSFETs auch als Linearverstärker (dh in ihrem Sättigungsbereich) eingesetzt werden können.

Bitte beachten Sie, dass ich die Grundprinzipien der MOSFETs und ihre Grundmodelle (Wechselstrom und Gleichstrom) kenne und daher weiß, dass ein "generischer" MOSFET sowohl als Schalter als auch als Verstärker verwendet werden kann (mit "generisch" meine ich den Art semi-ideales Gerät, das man zu didaktischen Zwecken einsetzt).

Hier geht es mir um mögliche Vorbehalte für praktische Geräte, die in einfachen EE-Universitätslehrbüchern möglicherweise übersprungen werden.

Ich vermute natürlich, dass die Verwendung solcher Teile suboptimal sein wird (rauschärmer, weniger Verstärkung, schlechtere Linearität), da sie für das Schalten optimiert sind, aber es gibt subtile Probleme, die auftreten können, wenn sie als lineare Verstärker verwendet werden, die einfache Verstärkerschaltungen beeinträchtigen können ( bei niedriger Frequenz) von Anfang an?

Um mehr Kontext zu schaffen: Als Lehrer an einer High School bin ich versucht, mit solch billigen Bauteilen sehr einfache didaktische Verstärkerschaltungen (z. B. Klasse-A-Audioverstärker - maximal ein paar Watt) zu konstruieren, die sich aufteilen (und möglicherweise aufbauen lassen) Matrix PCB von den besten Studenten). Einige Teile, die ich günstig zur Verfügung habe (oder haben könnte), sind zum Beispiel BUK9535-55A und BS170 , aber ich brauche keine speziellen Ratschläge für diese beiden, sondern nur eine allgemeine Antwort auf mögliche Probleme in Bezug auf das, was ich zuvor gesagt habe.

Ich möchte nur irgendeine Art von "Hey! Wusstest du nicht, dass das Schalten von Power Mos dies und das kann, wenn es als Linearverstärker verwendet wird?!?" Situation vor einem toten (frittierten, oszillierenden, verriegelten, ... oder was auch immer) Stromkreis!

Ich hatte eine ähnliche Frage. Lesen Sie Anwendungsberichte und Präsentationsfolien von Unternehmen wie International Rectifier, Zetex, IXYS:

• Der Trick liegt in der Wärmeübertragung. Im linearen Bereich wird ein MOSFET mehr Wärme abführen. Die für den linearen Bereich hergestellten MOSFETs sind für eine bessere Wärmeübertragung ausgelegt.
• MOSFET für einen linearen Bereich könnte mit höherer Gatekapazität leben

IXYS-App-Hinweis IXAN0068 ( Magazinartikel-Version )
Fairchild-App-Hinweis AN-4161

Der Spirito-Effekt ist eine thermische Instabilität, die durch die Tatsache, dass die Schwellenspannung verursacht wird einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, istRegel eher ein Problem in neuen MOSFETs.$V_{TH}$

$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$$V_{TH}$

Neue MOSFETs (die in der Regel für das Schalten optimiert sind, da dies der Markt ist) haben viel höhere Subschwellenströme. Mit anderen Worten, bei niedrigen Übersteuerungsspannungen führen sie mehr Strom und geben mehr Wärme ab. Eine andere Art, dies zu sagen, ist: Bei Strömen, die für lineare Verstärker praktisch sind, benötigen neuere MOSFETs trotz laufender Stromstärken sehr wenig Overdrive (ein Regime mit thermischer Instabilität), im Gegensatz zu ihren Vorfahren, die viel Overdrive benötigten (ein Regime mit große thermische Stabilität).

Selbst wenn die neueren MOSFETs in denselben Gehäusen mit derselben Wärmeabfuhrkapazität untergebracht wären, hätten sie daher immer noch kleinere SOAs (Safe Operating Areas). Eine weitere Komplikation ist, dass die Datenblätter der meisten Transistoren im Allgemeinen keine genauen SOA-Kurven aufweisen.

Wenn Sie neuere MOSFETs verwenden, sollten Sie ein Design mit großen Rändern (z. B. ein MOSFET mit 200 V könnte für 400 V spezifiziert sein) verwenden und nicht erwarten, dass diese mit ihren Datenblatt-SOA-Kurven mithalten, es sei denn, Sie testen sie.

Ja, Sie können Leistungs-MOSFETs verwenden, die zum Schalten von Anwendungen in ihrem linearen Bereich vorgesehen sind. Dies ist jedoch nicht das, was ich für Ihren Zweck empfehle.

Halten Sie sich an BJTs für Demonstrationsverstärker. Der Grund dafür ist, dass ihre Vorspannungsanforderungen in Bezug auf die Spannung vorhersehbarer sind und es daher einfacher ist, Schaltungen zu erstellen, um sie sinnvoll vorzuspannen.

MOSFETs haben signifikante Schwankungen der Gate-Schwellenspannung von Teil zu Teil, dh der Gate-Spannung, bei der ein kleiner dV die größte Ausgangsänderung verursacht. Bei FETs, die zum Schalten vorgesehen sind, ist es wünschenswert, diesen Übergangsbereich zu minimieren, aber für einen linearen Betrieb möchten Sie, dass er ausgebreitet wird. Anders ausgedrückt, Sie möchten etwas "Vergebung" in der Gate-Spannung. Das Schalten von FETs kann zu weniger Ergebnissen führen. Das Design für die Vorspannung solcher FETs in ihrem linearen Bereich ist letztendlich sehr pessimistisch, normalerweise mit größeren Source-Widerständen als sonst üblich, um eine gewisse Vorhersagbarkeit zu erzielen.

Es kann getan werden, aber die zusätzliche Schaltungsanordnung zum Einstellen des Vorspannungspunkts, wahrscheinlich mit zusätzlicher absichtlicher Gleichstromrückkopplung, wird von den anderen Konzepten des Verstärkerkonzepts ablenken, es sei denn, Sie möchten dies natürlich lehren. Es hört sich jedoch so an, als ob jeder Verstärker für die Schüler bereits eine Belastung darstellt. Wenn Sie diese Komplikation hinzufügen, ist das Ganze möglicherweise für sie undurchdringlich.

Lassen Sie uns zunächst die Terminologie klarstellen. Ein Schalttransistor ist idealerweise entweder immer in Sperrstellung oder in Sättigung, egal ob es sich um einen bipolaren oder einen FET handelt. In der Praxis müssen Übergänge durch den linearen Bereich verlaufen. FETs haben eine zusätzliche Komplexität: den Widerstandsbereich für kleine Werte der Drain-Source-Spannung. Darüber hinaus ist die Rohübertragungscharakteristik eines FET quadratisch und nicht linear. Beim Schalten wird ein FET schnell gesättigt, und wenn der externe Schaltkreis richtig ausgelegt ist, sinkt die Drain-Source-Spannung gleichermaßen schnell auf nominal ein Volt ab. Zu diesem Zeitpunkt befindet es sich im Widerstandsbereich, ist aber vor allem gesättigt. Wenn Sie beispielsweise 5 Ampere entladen, beträgt die im FET verbrauchte Leistung ungefähr 5 Watt.

Sie möchten den Transistor in einer Schaltung verwenden, die im linearen Bereich vorgespannt ist. Klar, hier geht es nur um die externe Schaltung. Ein Verstärkungsblock ist ein Verstärkungsblock. Es spielt keine Rolle, ob es sich um einen BJT, einen FET, einen MOSFET oder einen Operationsverstärker handelt. Das einzige, was Sie durch die Verwendung eines Schalttransistors verlieren, sind Herstellerspezifikationen für Verstärkung und Phasenverschiebung in Bezug auf die Frequenz. Für eine Vermittlung ist es Ihnen egal, daher erleichtern sie Ihnen die Verarbeitung der Daten in einen Vermittlungszeitparameter anstelle von Frequenzparametern.

Wenn Sie versuchen, Verstärker herzustellen, ist Ihnen das wichtig, aber Sie demonstrieren nur ein paar grünen Kindern, sodass Sie sich auch nicht für den Frequenzgang interessieren. Ein Schalttransistor ist ein perfekter Gain-Block, besonders für Ihre angegebenen wenigen Watt Ausgangsleistung. Sie können einen kleinen Lautsprecher mit einem herkömmlichen Operationsverstärker ansteuern, um Himmels willen!

Sie müssen sich wirklich keine Sorgen um die Vorspannung machen: Koppeln Sie Ihr Eingangssignal mit einem kleinen Kondensator. Ihre Basisklasse Ein kleiner Signalverstärker mit beispielsweise einer 30-Volt-Schiene wäre:

1. Eine Spannungsteilereinstellungsvorspannung, z. B. 200-K-Schiene zu Gate und 100-K-Gate zu Masse. Dies gibt Ihnen einen Ruhezustand von 10 Volt an Ihrem Gateknoten.
2. Koppeln Sie den Eingang mit einem Kondensator an den Gate-Knoten.
3. Platzieren Sie einen Widerstand von Source zu Ground - dies steuert Ihre Drain-Stromvorspannung. Verwenden Sie z. B. 0,5 k, um einen Ruhestrom von 20 mA zu erhalten, der von jedem Leistungstransistor problemlos ausgehalten werden kann.
4. Platzieren Sie einen 100-Ohm-Widerstand in Reihe mit Ihrer 8-Ohm-Lautsprecherspule. Denken Sie daran, dass ein Lautsprecher auf Änderungen des Stroms und nicht der Spannung reagiert. Seine Spule erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld in einem Vorspannungsfeld.
5. Der Transistor nimmt die Verlustleistung auf, die nicht von diesen anderen Verbrauchern getragen wird - höchstens 400 mW.

6. Ihre kleine Signalübertragungscharakteristik ist:

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

Wobei v Ihre Spitze-Spitze-Signalspannung ist, G die Transkonduktanz des Transistors ist und die anderen Werte die Schienenspannung und die Lastwiderstände sind. Wenn Sie Lust haben, arbeiten Sie an der Induktivität der Lautsprecherspule, und auf dem IV-Diagramm sehen Sie einen Kreis anstelle einer Lastlinie.

Variieren Sie die externen Komponenten nach Belieben. Einfach und kein Unsinn. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihren Kindern die irrelevante Natur des Verstärkungsblocks vor Augen führen. Spezifikationen sind nur für die Qualitätskontrolle in der Produktion von Bedeutung, aber für einen einmaligen Hack funktioniert alles.