Чи може силовий MOSFET для комутації додатків використовуватись як лінійний підсилювач?

16

Потужність MOSFET сьогодні є всюдисущим і досить дешевим також у роздрібній торгівлі. У більшості аркушів я бачив, що потужність MOSFET визначається для комутації, не згадуючи жодного роду лінійних додатків.

Мені хотілося б знати, чи можна використовувати такі види MOSFET також як лінійний підсилювач (тобто в області їх насичення).

Зверніть увагу, що я знаю основні принципи, на яких працюють MOSFET, та їх основні моделі (змінного та постійного струму), тому я знаю, що "загальний" MOSFET можна використовувати і як комутатор, і як підсилювач (під "загальним" я маю на увазі вид напів ідеального пристрою, який використовується в дидактичних цілях).

Тут мене цікавлять реальні можливі застереження щодо практичних пристроїв, які можна пропустити в базових університетських підручниках з ЕЕ.

Звичайно, я підозрюю, що використання таких деталей буде неоптимальним (шумніше? Менший коефіцієнт посилення? Гірша лінійність?), Оскільки вони оптимізовані для перемикання, але чи є тонкі проблеми, які можуть виникнути, використовуючи їх як лінійні підсилювачі, які можуть поставити під загрозу прості схеми підсилювача ( на низькій частоті) від початку?

Щоб надати більше контексту: як викладач у середній школі я спокусився використати такі дешеві деталі, щоб створити дуже прості дидактичні схеми підсилювача (наприклад, аудіо-підсилювачі класу A - максимум пару ватт), які можуть бути занесені (і можливо, побудовані на матрична плата кращими учнями). Деякі з них (або я міг би бути) доступні дешево, наприклад, включають BUK9535-55A та BS170 , але я не потребую конкретних порад для цих двох, лише загальна відповідь про можливі проблеми, про що я говорив раніше.

Я просто хочу уникнути якихось "Ей! Хіба ти не знав, що комутація потужності MOS може зробити це і це, коли використовується як лінійні підсилювачі ?! ситуація, що стоїть перед мертвим (смаженим, коливальним, защепленим, ... чи будь-яким іншим) ланцюгом!

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку
джерело

Отримання хорошої поведінки, ймовірно, вимагатиме використання підсилювача, який приймає зворотний зв'язок від точки, що минає транзистор, але також включає деяку схему для запобігання коливань. Підсилювач класу А може становити певні труднощі, оскільки навіть повне вимкнення транзистора не призведе до швидкого підйому виходу, а підсилювач класу В може створити певні труднощі, якщо хочеться уникнути неприємних струмів прострілу. Отримати хороші результати можна, використовуючи силові MOSFET, як ви описуєте, але намагання змусити речі реально працювати добре може бути "навчальним". Звичайно, якщо в цьому справа ...

— supercat

@supercat Я не націлений на спотворення рівня HiFi. Просто декілька простих схем, які можуть показати, що MOSFET може насправді підсилювати сигнал (так само, як ви могли б зробити з желейними BJT, такими як BC337, або подібними в ланцюзі 4 резистора CE, просто провести аналогію). Аудіодіапазон приємний для студентів, оскільки вони могли підключити вихід свого iPod або iWWW до входу та почути звук у невеликому динаміку (це крутіше, ніж бачити його на масштабі - так, із середнім студентом він працює так) !). Так, я знаю, що описую дуже низькотехнологічний контекст.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

@supercat BTW дякую за інші моменти, просто такі речі, які мені потрібно було знати. Лише питання: що ви маєте на увазі під терміном "проривні струми"? Ви маєте на увазі струми напруги, необхідні для зарядки ємності воріт?

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

У підсилювачі класу B один транзистор матиме задачу підвищити вихідну потужність, а інший матиме завдання знизити його. Струми, що пропускаються, - це ті, що проходять через обидва транзистора.

— supercat

@supercat Ах! Добре, дякую! Ідеально зрозуміло зараз! Я не знав англійського терміна для цього.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

12

У мене було подібне питання. З читання приміток до додатків та слайдів презентації таких компаній, як International Rectifier, Zetex, IXYS:

Хитрість полягає в передачі тепла. У лінійній області MOSFET буде розсіювати більше тепла. MOSFET, виготовлені для лінійної області, розроблені для покращення теплопередачі.
MOSFET для лінійної області може жити з більшою ємністю воріт

Примітка до додатка IXYS IXAN0068 ( версія статті журналу )
Примітка щодо програми Fairchild AN-4161

— Нік Алексєєв
джерело

(+1) Фантастично! Спасибі! Просто потрібна мені інформація! Я підозрював, що і університетські книги (принаймні ті, що я читав) не розповіли всієї історії!

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

Я збирався розмістити це більш-менш. Примітка додатка Fairchild є хорошим джерелом.

— gsills

@gsills Дійсно цікавий матеріал, справді!

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

12

Дух Ефект , який є теплова нестійкість викликана тим , що порогове напруга $V_{TH}$ має негативний температурний коефіцієнт, як правило , більше проблеми в нових МОП - транзисторів.

$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$ $V_{TH}$ має негативну темпко. За правильних обставин це призводить до теплової нестабільності.

Нові MOSFET (як правило, оптимізовані для комутації, тому що там ринок) набагато вище струми нижнього порогового рівня - іншими словами, при низькій напрузі перенапруги вони переносять більше струму і розсіюють більше тепла. Ще один спосіб сказати це: при струмах, практичних для лінійних підсилювачів, навіть незважаючи на працюючі підсилювачі струму, новішим MOSFET потрібно дуже мало перенапруги (режим, який виявляє теплову нестабільність), на відміну від їхніх предків, які потребували великого перенапруги (режим з велика термостійкість).

Таким чином, навіть якби нові MOSFET розміщувалися в одних і тих же пакетах з однаковою ємністю відведення тепла, вони все одно мали б менші SOA (Safe Operating Areas). Подальше ускладнення цього питання, як загальне правило, у таблицях даних більшості транзисторів не мають точних кривих SOA.

Використовуючи новіші MOSFET, проектуйте з широкими полями (наприклад, MOSFET, який бачить 200V, може бути вказано на 400V), і не очікуйте, що вони зможуть утримувати свої криві SOA аркуша даних, якщо ви не перевірите їх.

— Зулу
джерело

Чи хотіли б ви надати деякі посилання або додаткову інформацію про "струми нижнього порогового значення" та "ефект спірито"? Я ніколи не чув цих термінів. Хоча я можу здогадатися, про що говорять перші, я абсолютно не знаю останнього.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

Так, напевно, мало хто буде знати, що таке ефект Sprito, принаймні за назвою. Але дивіться примітку програми an4161

— gsills

1

V_{O V} = V_{G S} - V_{T H}

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

V_{T H}

$V_{TH}$

Добре, дякую за пояснення! Я просто скупився над тими документами, пов’язаними Ніком.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

1

Надзвичайно цікаво читати статтю, з якою ви зв’язувались у своєму коментарі про ефект спириту. Ця цитата є чудовою (моє наголос): JPL вивчив це руйнування, поспілкувався з виробником і виявив, що автопром знайшов проблему в 1997 році. Потім JPL повернувся до "старих частин" і довірив виробнику рекламувати проблему; однак цього ніколи не відбулося . Чи хотіли б ви редагувати свою відповідь, щоб включити те, що ви сказали у коментарі? Це було б корисним покращенням.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

6

Так, ви можете використовувати силові MOSFET, призначені для перемикання програм у їх лінійному регіоні, але це не те, що я рекомендую для ваших цілей.

Дотримуйтесь BJT для демонстраційних підсилювачів. Причина полягає в тому, що їхні вимоги до зміщення є більш передбачуваними у напрузі, і тому легше створити схеми для їх зручності.

MOSFET мають значну частину зміни частки порогової напруги затвора, яка є напругою затвора, при якій малий dV викликає найбільшу зміну виходу. Для FET, призначених для комутації, бажано мінімізувати цю перехідну область, але для лінійних операцій ви хочете, щоб вона була розповсюджена. По-іншому, ви хочете певного «прощення» в напрузі воріт. Переключення FET може дати вам менше. Дизайн для зміщення таких БНТ у їх лінійній області закінчується дуже песимістичним, як правило, з більшими джерелами резисторів, ніж ви використовували б інакше, просто для отримання передбачуваності.

Це можна зробити, але додаткова схема встановлення точки зсуву, ймовірно, з додатковим навмисним зворотним зв'язком постійного струму, буде відволікати від інших концепцій конструкції підсилювача, якщо, звичайно, це ви хочете навчити. Однак, це здається, що будь-який підсилювач вже є розтяжкою для студентів, тому додавання цього ускладнення може зробити всю справу непроникною для них.

— Олін Латроп
джерело

(+1) Дякуємо за корисну інформацію! На жаль, цього року я не викладаю будь-якого дизайну EE. Це просто "парасольовий" курс з електроніки для майбутніх техніків з технічного обслуговування в теплотехнічній галузі. Я просто спрямований на те, щоб вони зрозуміли, що деякі компоненти існують, які їх основні програми та чому ці програми є можливими, використовуючи найменший обсяг математики (Закон Ома, KCL, KVL та емпіричні криві). Після висвітлення діодів я продовжив викладати MOSFET, оскільки їх трохи простіше пояснити моїй аудиторії. ...

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

... Лабораторна частина насправді не стосується дизайну, а для сприяння ознайомленню з компонентами та вимірювальними приладами. Для тих студентів не так важливо зрозуміти більш тонкі деталі, а скоріше на практиці побачити, що вся моя вафля про вантажні лінії була не просто маханням рукою або BS. Іншими словами, я буду проектувати схеми, вони лише змонтують їх і перевірять, чи працюють вони так, як пояснено.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

0

Спочатку давайте розберемо термінологію прямо. Транзистор, що перемикається, в ідеалі або завжди є відключеним або насиченим, будь то біполярний або FET. Як практична справа, переходи повинні проходити через лінійну область. БНТ мають додаткову складність: резистивну область для малих значень напруги зливного джерела. Більш того, характеристика сировинної передачі FET є квадратичною, а не лінійною. При перемиканні FET швидко насичується, і якщо зовнішній ланцюг сконструйований правильно, напруга зливного джерела однаково швидко знизиться до номінально одного вольта. У цей момент він опиниться в резистивному регіоні, але, що ще важливіше, буде насиченим. Так, наприклад, якщо ви скидаєте 5 ампер, потужність, що розсіюється в БНТ, становитиме близько 5 Вт.

Ви хочете використовувати транзистор у ланцюзі, що є упередженою в лінійній області. Щоб було зрозуміло, це все про зовнішній ланцюг. Блок посилення - це блок посилення. Неважливо, що це BJT, FET, MOSFET або op amp. Єдине, що ви втрачаєте, використовуючи перемикаючий транзистор, - це характеристики виробника на коефіцієнт посилення та зсув фази щодо частоти. Для комутатора вам не байдуже, тому вони спрощують вас, обробляючи дані в параметр часу комутації замість частотних параметрів.

Якщо ви намагалися виготовляти підсилювачі, то вам було б байдуже, але ви просто демонструєте купу зелених дітей, тож ви також не переймаєтесь частотною характеристикою. Перемикаючий транзистор робить ідеально хорошим блоком посилення, особливо для заявлених кількох ватт виходу - ви можете керувати невеликим динаміком із загальним підсилювачем задля добра!

Вам не потрібно турбуватися про зміщення: з'єднайте вхідний сигнал з невеликим конденсатором. Ваш основний клас Невеликим підсилювачем сигналу, наприклад, 30-вольтовою рейкою, буде:

Встановлюючий перемикач напруги, скажімо, 200K рейка до воріт і 100k воріт на землю. Це дає вам спокійний 10 вольт у вашому вузлі воріт.
З'єднайте вхід у вузол затвора з конденсатором.
Покладіть резистор від джерела до землі - це контролює ваш зміщення струму зливу. Використовуйте, скажімо, .5k, щоб дати спокійний зливний струм 20mA - легко переноситься будь-яким силовим транзистором.
Помістіть резистор 100 Ом послідовно з номінальною котушкою динаміків 8 Ом - пам’ятайте, динамік реагує на зміни струму, а не напруги - його котушка створює мінливе магнітне поле в полі зміщення.
Транзистор підхопить будь-яке розсіювання потужності, яке не переноситься цими іншими навантаженнями - не більше 400 мВт.
Вашою малою характеристикою передачі сигналу буде:

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

де v - ваша пікова до пікової напруги сигналу, G - надпровідність транзистора, а інші значення - напруга рейки та опір навантаження. Якщо ви захочете пофантазувати, працюйте в індуктивності котушки динаміка, а замість лінії навантаження на IV діаграмі ви побачите коло.

Змініть зовнішні компоненти за своїм задоволенням. Просте, і безглуздя. Обов’язково підкресліть своїм дітям неактуальну природу блоку посилення. Характеристики мають значення лише для контролю якості продукції, але для однократного злому все працює.

— For_Some_Reason_I_Had_To_Reply
джерело

Це насправді не відповідає на питання, хоча я ціную зусилля щодо надання корисної інформації. До речі, вони не діти, а підлітки, які навчаються стати техніками. Що стосується термінології ("... давайте розберемося з термінологією."), Ви помилилися, вибачте. Дивіться мою відповідь на коментар до іншої відповіді тут у цій темі . Крім того, порівняйте вихідні характеристики BJT та MOSFET .

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

Етимологія терміну "насичення" для BJT та MOSFET не пов'язана з формою та положенням вихідних характеристик, а з явищами, які відбуваються всередині напівпровідника. Таким чином, хоча BJT, щоб бути повністю включеним, потрібно загнати в насичення, для MOSFET ви повинні загнати його в його омічну область. Область насичення для MOSFET аналогічна активній області BJT.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

"... характеристика передачі необробленого FET є квадратичною, а не лінійною" Це справедливо для звичайних FET, а не MOSFET , що мають потужність , які відрізняються технологією. Якщо ви подивитеся на посилання на таблицю даних, які я надавав у запитанні, ви помітите, що характеристика передачі є досить лінійною, після початкового коліна.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку

"... напруга стоку-джерела однаково швидко знизиться до номінально одного вольта . У цей момент він опиниться в резистивній області ...". Значення Vds, яке відокремлює омічну (резистивну) область від області насичення ("активного"), не є фіксованим, воно залежить від напруги перенапруги, тобто різниці між Vgs і пороговою напругою. Таким чином, це може бути 1В, 4В, 0,2В або будь-який інший (залежно від рівня Vgs та конкретної моделі FET).

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку