Czy MOSFET mocy do przełączania może być używany jako wzmacniacz liniowy?

16

Zasilające tranzystory MOSFET są obecnie wszechobecne i dość tanie również w sprzedaży detalicznej. W większości arkuszy danych widziałem, że tranzystory MOSFET są przystosowane do przełączania, nie wspominając o żadnych zastosowaniach liniowych.

Chciałbym wiedzieć, czy tego rodzaju tranzystory MOSFET mogą być również używane jako wzmacniacz liniowy (tj. W obszarze nasycenia).

Pamiętaj, że znam podstawowe zasady działania MOSFET-ów i ich podstawowe modele (AC i DC), więc wiem, że „ogólny” MOSFET może być używany zarówno jako przełącznik, jak i wzmacniacz (z „ogólnym” mam na myśli rodzaj pół idealnego urządzenia używanego do celów dydaktycznych).

Tutaj jestem zainteresowany rzeczywistymi możliwymi zastrzeżeniami dotyczącymi praktycznych urządzeń, które można pominąć w podstawowych podręcznikach uniwersyteckich EE.

Oczywiście podejrzewam, że korzystanie z takich części będzie nieoptymalne (głośniejsze? Mniejszy zysk? Gorsza liniowość?), Ponieważ są one zoptymalizowane pod kątem przełączania, ale czy istnieją subtelne problemy, które mogą powstać przy użyciu ich jako wzmacniaczy liniowych, które mogą zagrozić prostym obwodom wzmacniacza ( przy niskiej częstotliwości) od samego początku?

Aby dać więcej kontekstu: jako nauczyciel w liceum kusi mnie, aby używać tak tanich części do projektowania bardzo prostych dydaktycznych obwodów wzmacniacza (np. Wzmacniacze audio klasy A - maksymalnie kilka watów), które można rozbudowywać (i ewentualnie rozbudowywać) matrycowa płytka drukowana najlepszych uczniów). Niektóre części, które mam (lub mógłbym mieć) tanio dostępne, na przykład obejmują BUK9535-55A i BS170 , ale nie potrzebuję konkretnej porady dla tych dwóch, tylko ogólną odpowiedź na temat możliwych problemów z tym, co powiedziałem wcześniej.

Chcę tylko uniknąć: „Hej! Czy nie wiedziałeś, że przełączanie mocy może to zrobić i to, gdy jest używany jako wzmacniacz liniowy?!?” sytuacja stojąca przed martwym (smażonym, oscylującym, zatrzaśniętym ... itd.) obwodem!

mosfet amplifier audio linear Lorenzo Donati wspiera Monikę
źródło

Dobre zachowanie prawdopodobnie będzie wymagało użycia wzmacniacza operacyjnego, który pobiera sprzężenie zwrotne z punktu za tranzystorem, ale także zawiera pewne obwody zapobiegające oscylacjom. Wzmacniacz klasy A może stwarzać pewne trudności, ponieważ nawet całkowite wyłączenie tranzystora nie spowoduje szybkiego wzrostu mocy wyjściowej, a wzmacniacz klasy B może stwarzać pewne trudności, jeśli chce się uniknąć nieprzyjemnych prądów przejściowych. Możliwe jest uzyskanie dobrych wyników przy użyciu MOSFET-ów mocy, jak to opisujesz, ale próba sprawienia, aby rzeczy faktycznie działały dobrze, może być „edukacyjna”. Oczywiście, jeśli o to chodzi ...

supercat

@ supercat Nie dążę do zniekształceń na poziomie HiFi. Po prostu jakiś prosty obwód, który może pokazać, że MOSFET może faktycznie wzmocnić sygnał (w taki sam sposób, jak w przypadku BJT żelowych, takich jak BC337 lub podobny w obwodzie CE z 4 rezystorami, aby narysować analogię). Zespół audio jest przyjemny dla studentów, ponieważ mogą podłączyć wyjście iPOD lub iCokolwiek do wejścia i usłyszeć dźwięk w małym głośniku (jest fajniej niż widzieć na lunecie - tak przy przeciętnym uczniu działa w ten sposób !). Tak, wiem, że opisuję kontekst bardzo niskiej technologii.

Lorenzo Donati wspiera Monikę

@ superuper BTW dziękuję za inne punkty, takie rzeczy, które musiałem wiedzieć. Tylko pytanie: co rozumiesz przez pojęcie „prądy przelotowe”? Czy masz na myśli prądy rozruchowe potrzebne do naładowania pojemności bramki?

Lorenzo Donati wspiera Monikę

We wzmacniaczu klasy B jeden tranzystor ma za zadanie napędzać moc wyjściową, a drugi ma za zadanie obniżanie mocy. Prądy przejściowe to te, które przechodzą przez oba tranzystory.

supercat

@supercat Ah! Ok dzięki! Teraz idealnie jasne! Nie znałem na to angielskiego terminu.

Lorenzo Donati wspiera Monikę

12

Miałem podobne pytanie. Z czytania notatek aplikacyjnych i prezentacji przez firmy takie jak International Rectifier, Zetex, IXYS:

Sztuką jest transfer ciepła. W obszarze liniowym MOSFET rozprasza więcej ciepła. Tranzystory MOSFET wykonane dla regionu liniowego mają na celu lepsze przenoszenie ciepła.
MOSFET dla regionu liniowego może żyć przy wyższej pojemności bramki

Nota aplikacji IXYS IXAN0068 ( wersja artykułu z czasopisma )
Notatka aplikacji Fairchild AN-4161

Nick Alexeev
źródło

(+1) Fantastycznie! Dzięki! Tylko informacje, których potrzebowałem! Podejrzewałem, że także książki uniwersyteckie (przynajmniej te, które czytam) nie opowiadają całej historii!

Lorenzo Donati wspiera Monikę

Zamierzałem napisać mniej więcej to. Uwaga dotycząca aplikacji Fairchild jest dobrym źródłem.

gsills

@ gsills Naprawdę ciekawy materiał!

Lorenzo Donati wspiera Monikę

12

$V_{TH}$

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

Nowe tranzystory MOSFET (generalnie zoptymalizowane pod kątem przełączania, ponieważ tam jest rynek) mają znacznie wyższe progi podprogowe - innymi słowy, przy niskich napięciach przeciążeniowych przenoszą więcej prądu i rozpraszają więcej ciepła. Innym sposobem powiedzenia tego jest: przy prądach, które są praktyczne dla wzmacniaczy liniowych, nawet pomimo działających wzmacniaczy prądu, nowsze tranzystory MOSFET potrzebują bardzo niewielkiego przesterowania (reżim wykazujący niestabilność termiczną), w przeciwieństwie do swoich przodków, którzy potrzebowali dużej ilości przesterowania (reżim z świetna stabilność termiczna).

Tak więc, nawet jeśli nowsze MOSFET-y zostały umieszczone w tych samych opakowaniach o tej samej wydajności usuwania ciepła, nadal miałyby mniejsze SOA (bezpieczne obszary operacyjne). Dalsze komplikowanie sprawy, jako rodzaj ogólnej zasady, większość arkuszy danych tranzystorów nie ma dokładnych krzywych SOA.

Korzystając z nowszych tranzystorów MOSFET, należy projektować z szerokimi marginesami (np. Tranzystor MOSFET o napięciu 200 V może być określony dla 400 V) i nie należy oczekiwać, że wytrzymają one krzywe SOA arkusza danych, chyba że je przetestujesz.

Zulus
źródło

Czy chciałbyś podać jakieś linki lub dodatkowe informacje na temat „prądów podprogowych” i „efektu ducha”? Nigdy nie słyszałem tych warunków. Chociaż mogę zgadywać, o czym mówią ci pierwsi, nie mam pojęcia o tym drugim.

Lorenzo Donati wspiera Monikę

Tak, prawdopodobnie niewielu będzie wiedziało, co to jest efekt Sprito, przynajmniej z nazwy. Ale zobacz notatkę aplikacji an4161

gsills

1

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

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

V_{T H}

$V_{TH}$

Ok, dzięki za wyjaśnienia! Właśnie przejrzałem dokumenty połączone przez Nicka.

Lorenzo Donati wspiera Monikę

1

Niezwykle interesująca lektura artykułu, do którego linkujesz w swoim komentarzu na temat efektu spirito. Ten cytat jest niezwykły (moje podkreślenie): JPL przyjrzała się temu zniszczeniu, rozmawiała z producentem i odkryła, że przemysł motoryzacyjny znalazł problem w 1997 roku. Następnie JPL powróciła do „starszych części” i zaufała producentowi w reklamie problemu; jednak tak się nigdy nie stało . Czy zechciałbyś edytować swoją odpowiedź, aby uwzględnić to, co powiedziałeś w komentarzu? Byłoby to przydatne ulepszenie.

Lorenzo Donati wspiera Monikę

6

Tak, możesz używać zasilających tranzystorów MOSFET przeznaczonych do przełączania aplikacji w ich liniowym regionie, ale nie jest to zalecane przez ciebie.

Trzymaj się BJT dla wzmacniaczy demonstracyjnych. Powodem jest to, że ich wymagania dotyczące polaryzacji są bardziej przewidywalne pod względem napięcia, a zatem łatwiej jest tworzyć obwody, aby pożytecznie je polaryzować.

Tranzystory MOSFET mają znaczną zmienność częściowego napięcia progowego bramki, czyli napięcia bramki, przy którym mały dV powoduje największą zmianę mocy wyjściowej. W przypadku tranzystorów polowych przeznaczonych do przełączania pożądane jest zminimalizowanie tego regionu przejściowego, ale dla operacji liniowych chciałbyś, aby został on rozłożony. Innymi słowy, chcesz trochę „przebaczenia” w napięciu bramki. Zmiana FET może dać ci mniej. Konstrukcja odchylania takich tranzystorów polowych w ich liniowym obszarze jest bardzo pesymistyczna, zwykle z większymi rezystorami źródłowymi, niż w innym przypadku, aby uzyskać pewną przewidywalność.

Można to zrobić, ale dodatkowy zespół obwodów do ustawienia punktu polaryzacji, prawdopodobnie z dodatkowym celowym sprzężeniem zwrotnym prądu stałego, odstraszy inne koncepcje konstrukcji wzmacniacza, chyba że tego właśnie chcesz nauczyć. Wydaje się jednak, że każdy wzmacniacz jest już dla uczniów rozciągłością, więc dodanie tej komplikacji może sprawić, że całość nie będzie dla nich dostępna.

Olin Lathrop
źródło

(+1) Dziękujemy za przydatne informacje! Niestety w tym roku nie uczę żadnego rodzaju projektowania EE. To tylko „parasolowy” kurs na temat elektroniki dla przyszłych techników utrzymania ruchu w dziedzinie termotechniki. Chcę tylko, aby zrozumieli, że istnieją pewne komponenty, jakie są ich główne zastosowania i dlaczego są one wykonalne przy użyciu jak najmniejszej ilości matematyki (prawo Ohma, KCL, KVL i charakterystyczne krzywe empiryczne). Po omówieniu diod zacząłem uczyć tranzystorów MOSFET, ponieważ są one nieco łatwiejsze do wyjaśnienia mojej publiczności. ...

Lorenzo Donati wspiera Monikę

... W części laboratoryjnej nie chodzi o projektowanie, ale o pomoc w zapoznaniu się z elementami i przyrządami pomiarowymi. Dla tych studentów nie jest tak ważne, aby zrozumieć drobne szczegóły, ale raczej zobaczyć w praktyce, że całe moje wahanie na temat linii ładunkowych to nie tylko machanie ręką lub BS. Innymi słowy, to ja zaprojektuję obwody, one tylko je zamontują i sprawdzą, czy działają zgodnie z objaśnieniem.

Lorenzo Donati popiera Monikę

0

Najpierw wyjaśnijmy terminologię. Tranzystor przełączający idealnie albo jest odcięty, albo nasycony, bez względu na to, czy jest bipolarny czy FET. W praktyce przejścia muszą przechodzić przez region liniowy. FET mają dodatkową złożoność: obszar rezystancyjny dla małych wartości napięcia dren-źródło. Co więcej, charakterystyka surowego transferu FET jest kwadratowa, a nie liniowa. Po przełączeniu FET szybko się nasyca, a jeśli obwód zewnętrzny jest prawidłowo zaprojektowany, napięcie dren-źródło równie szybko obniży się do nominalnie jednego wolta. W tym momencie będzie w regionie oporowym, ale, co ważniejsze, będzie nasycony. Na przykład, jeśli zrzucasz 5 amperów, moc rozproszona w FET wyniesie około 5 watów.

Chcesz użyć tranzystora w obwodzie, który jest tendencyjny w obszarze liniowym. Dla jasności chodzi tu o obwód zewnętrzny. Blok wzmocnienia to blok wzmocnienia. Bez względu na to, czy jest to BJT, FET, MOSFET, czy wzmacniacz operacyjny. Jedyną rzeczą, którą tracisz przy użyciu tranzystora przełączającego, są specyfikacje producenta dotyczące wzmocnienia i przesunięcia fazowego w odniesieniu do częstotliwości. W przypadku przełącznika nic Cię to nie obchodzi, dlatego ułatwiają Ci przetwarzanie danych na parametr czasu przełączania zamiast parametrów częstotliwości.

Gdybyś próbował wyprodukować wzmacniacze, to by cię to obchodziło, ale po prostu demonstrujesz grupie zielonych dzieci, więc i ty nie przejmujesz się pasmem przenoszenia. Tranzystor przełączający stanowi doskonale dobry blok wzmocnienia, szczególnie dla podanych kilku watów mocy wyjściowej - na litość boską możesz napędzać mały głośnik wspólnym wzmacniaczem operacyjnym!

Naprawdę nie musisz się martwić o odchylenie: połącz swój sygnał wejściowy z małym kondensatorem. Twój podstawowy wzmacniacz klasy A Mały sygnał z szyną 30 woltów będzie:

Błąd nastawnika dzielnika napięcia, powiedzmy 200K szyna do bramki i 100k brama do ziemi. To daje ci 10 woltów w twoim węźle bramkowym.
Połącz wejście z węzłem bramkowym z kondensatorem.
Umieść rezystor od źródła do ziemi - to kontroluje twoje obciążenie prądowe. Użyj, powiedzmy .5k, aby dać prąd spoczynkowy o wartości 20mA - łatwo znoszący każdy tranzystor mocy.
Umieść rezystor 100 omów szeregowo z nominalnie 8-omową cewką głośnikową - pamiętaj, że głośnik reaguje na zmiany prądu, a nie napięcia - jego cewka wytwarza zmienne pole magnetyczne w polu polaryzacji.
Tranzystor wychwytuje wszelkie straty mocy, które nie są przenoszone przez te inne obciążenia - maksymalnie 400 mW.
Twoją małą charakterystyką przesyłania sygnału będzie:

${V.}_{drenaż} = 30 - \frac{v * sol * 108}{500} = 30 - \frac{v * sol}{5}$ $V_\text{drain} = 30-\frac{v*G*108}{500} = 30-\frac{v*G}{5}$

gdzie v jest napięciem sygnału szczytowego do szczytowego, G jest transkonduktancją tranzystora, a pozostałe wartości to napięcie szyny i rezystancja obciążenia. Jeśli chcesz się zachwycić, pracuj w indukcyjności cewki głośnika, a zobaczysz okrąg zamiast linii obciążenia na schemacie IV.

Różnicuj elementy zewnętrzne według własnego uznania. Prosty i bezsensowny. Pamiętaj, aby podkreślić swoim dzieciom nieistotną naturę bloku wzmocnienia. Specyfikacje mają znaczenie tylko dla kontroli jakości produkcji, ale dla jednorazowego hacka wszystko działa.

For_Some_Reason_I_Had_To_Reply
źródło

To tak naprawdę nie odpowiada na pytanie, choć doceniam wysiłek dostarczenia użytecznych informacji. BTW, nie są dziećmi, ale nastolatkami uczącymi się, jak zostać technikami. Jeśli chodzi o terminologię ( „... przejdźmy terminologii prosto.”), Masz to źle, przykro mi. Zobacz moją odpowiedź na komentarz do innej odpowiedzi tutaj w tym wątku . Ponadto porównaj charakterystykę wyjściową BJT i MOSFET .

Lorenzo Donati wspiera Monikę

Etymologia terminu „nasycenia” dla BJT i MOSFET-u nie jest związana z kształtem i położeniem charakterystyk wyjściowych, ale ze zjawiskami zachodzącymi w półprzewodniku. Tak więc, podczas gdy BJT, aby być w pełni WŁĄCZONYM, muszą zostać doprowadzone do nasycenia, dla MOSFET-u musisz wprowadzić go w obszar omowy. Region nasycenia dla MOSFET jest analogiczny do regionu aktywnego BJT.

Lorenzo Donati wspiera Monikę

„… charakterystyka surowego transferu FET jest kwadratowa, nie liniowa” Dotyczy to zwykłych tranzystorów FET, a nie tranzystorów MOSFET , które są różnymi technologiami. Jeśli spojrzysz na linki do arkusza danych, które podałem w pytaniu, zauważysz, że charakterystyka przenoszenia jest dość liniowa, po początkowym kolanie.

Lorenzo Donati wspiera Monikę

„... napięcie źródła drenażu równie szybko obniży się do nominalnie jednego wolta . W tym momencie będzie w obszarze rezystancyjnym ...”. Wartość Vds, która oddziela obszar omowy (rezystancyjny) od regionu nasycenia („aktywnego”), nie jest stała, zależy od napięcia przesterowania, tj. Różnicy między Vgs a napięciem progowym. Może to być 1 V, 4 V, 0,2 V lub cokolwiek innego (w zależności od poziomu Vgs i konkretnego modelu FET).

Lorenzo Donati wspiera Monikę

Czy MOSFET mocy do przełączania może być używany jako wzmacniacz liniowy?

Odpowiedzi: