Dapatkah MOSFET daya untuk aplikasi switching digunakan sebagai penguat linier?

Power MOSFET saat ini ada di mana-mana dan cukup murah juga di ritel. Dalam sebagian besar lembar data saya melihat kekuatan MOSFET dinilai untuk beralih, tanpa menyebutkan segala jenis aplikasi linier.

Saya ingin tahu apakah jenis MOSFET ini dapat digunakan juga sebagai penguat linier (yaitu di wilayah saturasi mereka).

Harap dicatat bahwa saya tahu prinsip-prinsip dasar di mana MOSFET bekerja dan model dasar mereka (AC dan DC), jadi saya tahu bahwa MOSFET "generik" dapat digunakan baik sebagai saklar maupun sebagai penguat (dengan "generik" yang saya maksudkan adalah semacam perangkat semi-ideal yang digunakan untuk tujuan didaktik).

Di sini saya tertarik pada kemungkinan peringatan yang sebenarnya untuk perangkat praktis yang mungkin dilompati dalam buku pelajaran universitas EE dasar.

Tentu saja saya menduga bahwa menggunakan bagian-bagian seperti itu akan menjadi suboptimal (lebih berisik? Kurang memperoleh? Linieritas lebih buruk), karena mereka dioptimalkan untuk beralih, tetapi apakah ada masalah halus yang dapat timbul dengan menggunakannya sebagai penguat linier yang dapat membahayakan sirkuit penguat sederhana ( pada frekuensi rendah) dari awal?

Untuk memberikan lebih banyak konteks: sebagai guru di sekolah menengah saya tergoda untuk menggunakan bagian yang murah untuk merancang sirkuit penguat didaktik yang sangat sederhana (mis. Ampli audio kelas A - beberapa watt maks) yang dapat dipasang di atas papan (dan mungkin dibangun di atas matriks PCB oleh siswa terbaik). Beberapa bagian yang saya miliki (atau saya bisa miliki) tersedia dengan harga murah, misalnya, termasuk BUK9535-55A dan BS170 , tetapi saya tidak memerlukan saran khusus untuk keduanya, hanya jawaban umum tentang masalah yang mungkin terjadi, seperti yang saya katakan sebelumnya.

Saya hanya ingin menghindari semacam "Hei! Tidak tahukah Anda bahwa switching power mos dapat melakukan ini dan benda ini ketika digunakan sebagai amp linear?!?" situasi berdiri di depan sirkuit mati (goreng, berosilasi, terkunci, ... atau apa pun)!

Saya punya pertanyaan serupa. Dari membaca catatan aplikasi dan slide presentasi oleh perusahaan seperti International Rectifier, Zetex, IXYS:

• Caranya ada pada perpindahan panas. Di wilayah linier, MOSFET akan menghilangkan lebih banyak panas. MOSFET yang dibuat untuk daerah linier dirancang untuk memiliki transfer panas yang lebih baik.
• MOSFET untuk wilayah linier dapat hidup dengan kapasitansi gerbang yang lebih tinggi

Catatan aplikasi IXYS IXAN0068 ( versi artikel majalah )
Catatan aplikasi Fairchild AN-4161

$V_{TH}$

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

MOSFET baru (umumnya dioptimalkan untuk switching, karena di situlah pasar berada) memiliki arus subthreshold yang jauh lebih tinggi - dengan kata lain, pada tegangan overdrive rendah, mereka membawa lebih banyak arus dan membuang lebih banyak panas. Cara lain untuk mengatakan ini adalah: pada arus yang praktis untuk amplifier linier, bahkan meskipun menjalankan arus ampli, MOSFET yang lebih baru membutuhkan overdrive yang sangat kecil (sebuah rezim yang menunjukkan ketidakstabilan termal), tidak seperti leluhur mereka yang membutuhkan banyak overdrive (rezim dengan stabilitas termal yang hebat).

Jadi, bahkan jika MOSFET yang lebih baru ditempatkan dalam paket yang sama dengan kapasitas penghilangan panas yang sama, mereka masih akan memiliki SOA yang lebih kecil (Area Operasi yang Aman). Lebih lanjut memperumit masalah ini, sebagai semacam aturan umum, lembar data sebagian besar transistor tidak memiliki kurva SOA yang akurat.

Saat menggunakan MOSFET yang lebih baru, desain dengan margin lebar (misalnya, MOSFET yang melihat 200V mungkin dispesifikasikan untuk 400V) dan jangan berharap mereka menahan kurva SOA lembar data mereka kecuali jika Anda mengujinya.

Ya, Anda dapat menggunakan MOSFET daya yang dimaksudkan untuk berpindah aplikasi di wilayah liniernya, tetapi ini bukan yang saya rekomendasikan untuk tujuan Anda.

Tetap menggunakan BJT untuk amplifier demonstrasi. Alasannya adalah bahwa persyaratan bias mereka lebih dapat diprediksi dalam tegangan, dan karena itu lebih mudah untuk membuat rangkaian untuk membiasakan mereka dengan berguna.

MOSFET memiliki variasi bagian ke bagian yang signifikan dalam tegangan ambang gerbang, yang merupakan tegangan gerbang di mana dV kecil menyebabkan perubahan keluaran terbesar. Dengan FET yang dimaksudkan untuk beralih, diinginkan untuk meminimalkan wilayah transisi ini, tetapi untuk operasi linier Anda ingin tersebar. Dengan kata lain, Anda ingin beberapa "pengampunan" di tegangan gerbang. Beralih FET mungkin memberi Anda lebih sedikit. Desain untuk membiasakan FET seperti itu di wilayah linier mereka akhirnya menjadi sangat pesimis, biasanya dengan resistor sumber yang lebih besar daripada yang seharusnya Anda gunakan, hanya untuk mendapatkan prediksi.

Itu bisa dilakukan, tetapi sirkuit ekstra untuk mengatur titik bias, mungkin dengan umpan balik DC tambahan yang disengaja, akan mengurangi konsep-konsep lain dari desain amplifier, kecuali tentu saja itu yang ingin Anda ajarkan. Namun, sepertinya penguat apa pun sudah menjadi beban bagi siswa, jadi menambahkan komplikasi ini dapat membuat semuanya tidak dapat ditembus oleh mereka.

Pertama, mari kita luruskan terminologinya. Transistor switching idealnya selalu terputus atau saturasi, apakah itu bipolar atau FET. Sebagai masalah praktis, transisi harus melewati wilayah linier. FET memiliki kompleksitas tambahan: daerah resistif untuk nilai kecil dari sumber tegangan. Selain itu, karakteristik transfer baku FET adalah kuadratik, bukan linier. Ketika diaktifkan, FET akan cepat jenuh, dan jika sirkuit eksternal dirancang dengan benar, tegangan sumber-saluran akan sama-sama cepat turun ke nominal satu volt. Pada titik itu, ia akan berada di wilayah resistif, tetapi juga, yang lebih penting, akan jenuh. Jadi, misalnya, jika Anda membuang 5 amp, daya yang dihabiskan di FET akan sekitar 5 watt.

Anda ingin menggunakan transistor dalam rangkaian yang bias di wilayah linier. Agar jelas, ini semua tentang sirkuit eksternal. Blok gain adalah blok gain. Tidak masalah jika itu adalah BJT, FET, MOSFET, atau op amp. Satu-satunya hal yang Anda kehilangan dengan menggunakan switching transistor adalah spesifikasi pabrikan untuk gain dan pergeseran fasa sehubungan dengan frekuensi. Untuk sakelar, Anda tidak peduli, sehingga memudahkan Anda dengan mengolah data menjadi parameter waktu pengalihan alih-alih parameter frekuensi.

Jika Anda mencoba membuat amplifier, Anda akan peduli, tetapi Anda hanya menunjukkan kepada sekelompok anak hijau, jadi Anda juga tidak peduli dengan respons frekuensi. Sebuah transistor switching membuat blok gain yang sangat baik, terutama untuk beberapa watt output yang dinyatakan - Anda dapat menggerakkan speaker kecil dengan op amp yang sama demi kebaikan!

Anda benar-benar tidak perlu khawatir tentang biasing: pasangkan sinyal input Anda dengan kapasitor kecil. Kelas dasar Anda Penguat sinyal kecil dengan mengatakan rel 30 volt adalah:

1. Pembagi pengaturan pembagi tegangan, misalnya 200K rail to gate dan 100k gate to ground. Ini memberi Anda 10 volt diam di simpul gerbang Anda.
2. Pasangan input ke node gerbang dengan kapasitor.
3. Tempatkan resistor dari sumber ke ground - ini mengontrol bias arus drain Anda. Gunakan, katakan .5k untuk memberikan arus tiruan diam 20mA - mudah ditanggung oleh transistor daya apa pun.
4. Tempatkan resistor 100ohm secara seri dengan kumparan speaker 8ohm yang asli - ingat, speaker merespons perubahan arus, bukan tegangan - kumparannya menciptakan medan magnet yang bervariasi dalam medan bias.
5. Transistor akan mengambil disipasi daya apa pun yang tidak dibawa oleh beban lain ini - paling banyak 400 mW.

6. Karakteristik transfer sinyal kecil Anda adalah:

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

di mana v adalah tegangan sinyal puncak ke puncak Anda, G adalah transkonduktansi transistor, dan nilai lainnya adalah tegangan rel dan tahanan beban. Jika Anda ingin menjadi mewah, kerjakan induktansi dari koil speaker dan Anda akan melihat lingkaran alih-alih garis beban pada diagram IV.

Variasikan komponen eksternal sesuai keinginan Anda. Sederhana, dan tanpa omong kosong. Pastikan untuk menekankan kepada anak-anak Anda sifat yang tidak relevan dari blok penguatan. Spesifikasi hanya penting untuk kontrol kualitas produksi, tetapi untuk sekali jalan, apapun berfungsi.