Anahtarlama uygulaması için bir güç MOSFET doğrusal bir amplifikatör olarak kullanılabilir mi?

Günümüzde Power MOSFET'ler her yerde bulunur ve perakendede de oldukça ucuzdur. Çoğu veri sayfasında, test edilen güç MOSFET'leri, herhangi bir doğrusal uygulamadan bahsetmeden anahtarlama için derecelendirilmiştir.

Bu tür MOSFET'lerin doğrusal amplifikatör olarak da kullanılabileceğini (yani doygunluk bölgelerinde) bilmek istiyorum.

MOSFET'lerin çalıştığı temel ilkeleri ve temel modellerini (AC ve DC) bildiğimi lütfen unutmayın, bu yüzden "genel" bir MOSFET'in hem anahtar hem de amplifikatör olarak kullanılabileceğini biliyorum ("genel" ile didaktik amaçlar için kullanılan bir tür yarı ideal cihaz).

Burada temel EE üniversite ders kitaplarında atlanabilecek pratik cihazlar için gerçek olası uyarılarla ilgileniyorum .

Elbette, bu tür parçaların kullanımının, anahtarlama için optimize edildiğinden, ancak basit amplifikatör devrelerini tehlikeye atabilecek lineer amplifikatörler olarak kullanılabilecek küçük problemler olduğu için düşük (daha gürültülü? Daha az kazanç? Daha kötü doğrusallık?) Olacağından şüpheleniyorum. düşük frekansta)?

Daha fazla bağlam vermek için: bir lisede öğretmen olarak, çok basit didaktik amplifikatör devreleri (örn. A sınıfı ses amplifikatörleri - maksimum watt maksimum) tasarlamak için bu kadar ucuz parçaları kullanmak istiyorum. en iyi öğrenciler tarafından matris PCB). Ucuz olarak alabileceğim (veya sahip olabileceğim) bazı parçalar, örneğin, BUK9535-55A ve BS170'ı içerir , ancak bu ikisi için özel tavsiyeye ihtiyacım yok, daha önce söylediğim olası sorunlar hakkında genel bir cevaba ihtiyacım var.

Ben sadece bir tür "Hey! Anahtar güç mos lineer amper olarak kullanıldığında bunu ve bu şeyi yapabileceğini bilmiyor muydunuz?" Ölü (kızartılmış, salınımlı, mandallı, ... ya da her neyse) devrenin önünde duran durum!

Benzer bir sorum vardı. International Rectifier, Zetex, IXYS gibi şirketlerin uygulama notlarını ve sunum slaytlarını okurken:

• Hile ısı transferinde. Doğrusal bölgede, bir MOSFET daha fazla ısı yayar. Doğrusal bölge için yapılan MOSFET'ler daha iyi ısı transferine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır.
• Doğrusal bir bölge için MOSFET, daha yüksek kapı kapasitansıyla yaşayabilir

IXYS uygulama notu IXAN0068 ( dergi makale sürümü )
Fairchild uygulama notu AN-4161

Spirito etki aslında neden olduğu termal instabilite, yani eşik voltajı $V_{TH}$ , negatif sıcaklık katsayısına sahiptir, genellikle daha fazla yeni MOSFET bir sorun.

$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$$V_{TH}$ hızlarda negatif bir sıcaklığa sahiptir. Doğru koşullar altında bu termal dengesizliğe yol açar.

Yeni MOSFET'ler (genellikle anahtarlama için optimize edilmiştir, çünkü pazarın bulunduğu yer) çok daha yüksek eşik akımlarına sahiptir - başka bir deyişle, düşük aşırı hız voltajlarında, daha fazla akım taşır ve daha fazla ısı yayarlar. Bunu söylemenin başka bir yolu: Akım yükselen amperlerine rağmen lineer amplifikatörler için pratik olan akımlarda, daha yeni MOSFET'lerin çok fazla overdrive'a (termal dengesizlik sergileyen bir rejime) ihtiyaç duyduğu atalarından farklı olarak ( büyük termal kararlılık).

Böylece, daha yeni MOSFET'ler aynı ısı çıkarma kapasitesine sahip aynı paketlere yerleştirilse bile, yine de daha küçük SOA'lara (Güvenli Çalışma Alanları) sahip olacaklardır. Konuyu daha da karmaşık hale getiren, genel bir kural olarak, çoğu transistörün veri sayfalarında doğru SOA eğrileri yoktur.

Daha yeni MOSFET'leri kullanırken, geniş kenar boşluklarına sahip tasarım (örn. 200V gören bir MOSFET 400V için belirtilebilir) ve test etmedikçe veri sayfası SOA eğrilerine dayanmalarını beklemeyin.

Evet, doğrusal bölgelerindeki uygulamaları değiştirmek için tasarlanmış güç MOSFET'lerini kullanabilirsiniz, ancak amacınız için tavsiye ettiğim bu değil.

Gösteri amplifikatörleri için BJT'lere sadık kalın. Bunun nedeni, önyargı gereksinimlerinin voltajda daha öngörülebilir olması ve bu nedenle bunları yararlı bir şekilde önyargılamak için devrelerin oluşturulması daha kolaydır.

MOSFET'ler, küçük bir dV'nin en büyük çıkış değişikliğine neden olduğu geçit gerilimi olan geçit eşik geriliminde önemli ölçüde parçalara göre değişiklik gösterir. Geçiş için tasarlanan FET'lerle, bu geçiş bölgesini en aza indirmek istenir, ancak doğrusal çalışma için yayılmasını istersiniz. Başka bir deyişle, geçit voltajında ​​bir "affetme" istersiniz. FET'leri değiştirmek size daha az şey verebilir. Bu tür FET'leri lineer bölgelerinde saptırma tasarımı, sadece tahmin edilebilirlik elde etmek için genellikle aksi takdirde kullanacağınızdan daha büyük kaynak dirençleri ile çok kötümser hale gelir.

Bu yapılabilir, ancak muhtemelen ek kasıtlı DC geribildirimi ile sapma noktasını ayarlamak için ekstra devre, elbette öğretmek istediğiniz şey olmadığı sürece amplifikatör tasarımının diğer kavramlarından uzaklaşacaktır. Ancak, herhangi bir amplifikatörün öğrenciler için zaten bir streç olduğu anlaşılıyor, bu nedenle bu komplikasyonu eklemek her şeyi onlar için geçilmez hale getirebilir.

İlk olarak, terminolojiyi düzleştirelim. Bir anahtarlama transistörü, ister bipolar olsun ister bir FET olsun, ideal olarak daima kesik veya doygunluktadır. Pratik bir konu olarak geçişler doğrusal bölgeden geçmelidir. FET'lerin ek bir karmaşıklığı vardır: drenaj kaynağı voltajının küçük değerleri için dirençli bölge. Ayrıca, bir FET'in ham transfer karakteristiği doğrusal değildir, ikinci derecelidir. Değiştirildiğinde, bir FET hızlı bir şekilde doyurulur ve harici devre doğru bir şekilde tasarlanırsa, drenaj kaynağı voltajı eşit derecede hızlı bir şekilde nominal olarak bir volta kadar aşağı kayar. Bu noktada, dirençli bölgede olacak, ancak daha da önemlisi doymuş olacak. Yani, örneğin, 5 amper döküyorsanız, FET'te harcanan güç yaklaşık 5 watt olacaktır.

Transistörü doğrusal bölgede eğilimli bir devrede kullanmak istiyorsunuz. Açık olmak gerekirse, bu tamamen dış devre ile ilgilidir. Bir kazanç bloğu bir kazanç bloğudur. BJT, FET, MOSFET veya op amp. Bir anahtarlama transistörü kullanarak kaybettiğiniz tek şey, frekansa göre kazanç ve faz kayması için üretici spesifikasyonlarıdır. Bir anahtar için umursamazsınız, böylece verileri frekans parametreleri yerine bir anahtarlama zaman parametresine işleyerek sizin için kolaylaştırırlar.

Amplifikatör üretmeye çalışıyorsanız, umursuyorsunuz, ancak sadece bir grup yeşil çocuğa gösteriyorsunuz, bu yüzden frekans tepkisini de önemsemiyorsunuz. Bir anahtarlama transistörü, özellikle belirtilen birkaç watt çıkışınız için mükemmel bir kazanç bloğu yapar - iyilik uğruna ortak bir op amp'li küçük bir hoparlör kullanabilirsiniz!

Önyargı hakkında endişelenmenize gerek yok: giriş sinyalinizi küçük bir kapasitör ile birleştirin. 30 volt raylı temel sınıf A küçük sinyal amplifikatörünüz şöyle olacaktır:

1. Bir voltaj bölücü ayar sapması, örneğin 200K raydan kapıya ve 100k topraklama kapısı. Bu, kapı düğümünüzde sessiz bir 10 volt verir.
2. Girişi bir kapasitör ile kapı düğümüne birleştirin.
3. Kaynaktan toprağa bir direnç yerleştirin - bu, drenaj akımı sapmalarınızı kontrol eder. Herhangi bir güç transistörü tarafından kolayca katlanabilen 20mA hareketsiz bir drenaj akımı vermek için .5k kullanın.
4. Nominal 8ohm hoparlör bobininizle seri olarak 100ohm direnç yerleştirin - unutmayın, bir hoparlör voltajdaki değil, akımdaki değişikliklere tepki verir - bobini bir bias alanında değişen bir manyetik alan oluşturur.
5. Transistör, bu diğer yükler tarafından taşınmayan her türlü güç dağılımını toplayacaktır - en fazla 400 mW.

6. Küçük sinyal aktarım özelliğiniz:

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

burada v tepeden tepeye sinyal voltajınız, G transistörün transkondüktansıdır ve diğer değerler ray voltajı ve yük dirençleridir. Eğer süslemek istiyorsanız, hoparlör bobininin endüktansında çalışın ve IV diyagramında bir yük hattı yerine bir daire göreceksiniz.

Dış bileşenleri zevkle değiştirin. Basit ve saçmalık yok. Çocuklarınıza kazanç bloğunun alakasız doğasını vurguladığınızdan emin olun. Özellikler sadece üretim kalite kontrolü için önemlidir, ancak bir kerelik hack için her şey işe yarar.