Можно ли использовать мощный МОП-транзистор для коммутации в качестве линейного усилителя?

Мощные МОП-транзисторы в настоящее время распространены повсеместно и довольно дешевы и в розницу. В большинстве данных я видел, что мощные МОП-транзисторы рассчитаны на коммутацию, не говоря уже о каких-либо линейных применениях.

Я хотел бы знать, могут ли эти виды полевых МОП-транзисторов использоваться в качестве линейного усилителя (т.е. в области их насыщения).

Обратите внимание, что мне известны основные принципы работы MOSFET и их базовые модели (переменный и постоянный ток), поэтому я знаю, что «универсальный» MOSFET может использоваться как в качестве коммутатора, так и в качестве усилителя (под «универсальным» я имею в виду своего рода полуидеальное устройство, используемое в дидактических целях).

Здесь меня интересуют реальные возможные предостережения для практических устройств, которые могут быть пропущены в основных университетских учебниках по ЭЭ.

Конечно, я подозреваю, что использование таких частей будет неоптимальным (шумнее, меньше усиление, хуже линейность), поскольку они оптимизированы для переключения, но существуют ли тонкие проблемы, которые могут возникнуть при использовании их в качестве линейных усилителей, которые могут поставить под угрозу простые схемы усилителя ( на низкой частоте) с самого начала?

Чтобы дать больше контекста: как учитель в старшей школе, я испытываю желание использовать такие дешевые детали для проектирования очень простых схем дидактических усилителей (например, аудиоусилителей класса A - максимум пара ватт), которые можно использовать в качестве макроса (и, возможно, построить на матрица печатных плат лучших учеников). Некоторые части, которые у меня есть (или я мог бы иметь), доступные по дешевке, например, включают BUK9535-55A и BS170 , но мне не нужны конкретные советы для этих двух, просто общий ответ о возможных проблемах относительно того, что я говорил ранее.

Я просто хочу избежать какого-то типа "Эй! Разве вы не знали, что коммутируемая мощность МОС может сделать это и эту вещь при использовании в качестве линейных усилителей?!?" Ситуация, стоящая перед мертвой (зажаренной, колеблющейся, запертой, ... или какой-либо другой) цепью!

У меня был похожий вопрос. Из чтения замечаний по применению и презентационных слайдов таких компаний, как International Rectifier, Zetex, IXYS:

• Хитрость в передаче тепла. В линейной области МОП-транзистор будет рассеивать больше тепла. МОП-транзисторы, изготовленные для линейной области, имеют лучшую теплопередачу.
• МОП-транзистор для линейной области может жить с более высокой емкостью затвора

Примечание к приложению IXYS IXAN0068 ( версия для журнальной статьи )
Примечание к приложению Fairchild AN-4161

$V_{TH}$

$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$$V_{TH}$имеет отрицательный темп. При правильных обстоятельствах это приводит к тепловой нестабильности.

Новые МОП-транзисторы (как правило, оптимизированные для переключения, потому что именно там находится рынок) имеют гораздо более высокие подпороговые токи - иными словами, при низком напряжении повышающей передачи они переносят больший ток и рассеивают больше тепла. Еще один способ сказать это: при токах, которые являются практичными для линейных усилителей, даже несмотря на то, что используются усилители тока, более новым МОП-транзисторам требуется очень небольшая перегрузка (режим, который проявляет тепловую нестабильность), в отличие от их предков, которым требовалось много перегрузок (режим с отличная термостойкость).

Таким образом, даже если бы новые MOSFET были помещены в те же пакеты с той же емкостью отвода тепла, они все равно имели бы меньшие SOA (безопасные рабочие зоны). Дальнейшее усложнение этого вопроса, как своего рода общее правило, в таблицах большинства транзисторов не имеет точных кривых SOA.

При использовании более новых полевых МОП-транзисторов проектируйте с широкими полями (например, полевой МОП-транзистор, который видит 200 В, может быть рассчитан на 400 В), и не ожидайте, что они выдержат свои кривые SOA таблицы данных, если вы не протестируете их.

Да, вы можете использовать мощные МОП-транзисторы, предназначенные для переключения приложений в их линейной области, но это не то, что я рекомендую для ваших целей.

Придерживайтесь BJT для демонстрационных усилителей. Причина в том, что их требования к смещению более предсказуемы по напряжению, и поэтому легче создавать схемы, чтобы смещать их с пользой.

МОП-транзисторы имеют существенную частичную или частичную вариацию в пороговом напряжении затвора, которое является напряжением затвора, при котором малое значение dV вызывает наибольшее изменение выхода. С полевыми транзисторами, предназначенными для переключения, желательно минимизировать эту переходную область, но для линейной работы вы бы хотели, чтобы она была распределена. Другими словами, вы хотите немного «прощения» в напряжении на затворе. Переключение FET может дать вам меньше. Схема смещения таких полевых транзисторов в их линейной области оказывается очень пессимистичной, обычно с более крупными резисторами источника, чем вы могли бы использовать, просто для того, чтобы получить некоторую предсказуемость.

Это можно сделать, но дополнительная схема для установки точки смещения, возможно, с дополнительной преднамеренной обратной связью по постоянному току, отвлечет от других концепций конструкции усилителя, если, конечно, это то, чему вы хотите научить. Тем не менее, звучит так, будто любой усилитель уже растягивает учеников, поэтому добавление этого усложнения может сделать их непроницаемыми.

Во-первых, давайте проясним терминологию. Переключающий транзистор в идеале либо всегда находится в состоянии обрезания или насыщения, будь то биполярный или полевой транзистор. На практике переходы должны проходить через линейную область. Полевые транзисторы имеют дополнительную сложность: резистивная область для небольших значений напряжения сток-исток. Кроме того, исходная характеристика переноса полевого транзистора является квадратичной, а не линейной. При переключении полевой транзистор будет быстро насыщаться, и если внешняя цепь спроектирована правильно, напряжение на стоке истощения будет одинаково быстро снижаться до номинально одного вольта. В этот момент он будет в резистивном регионе, но он также будет, что более важно, насыщенным. Так, например, если вы сбрасываете 5 ампер, мощность, рассеиваемая в FET, будет около 5 Вт.

Вы хотите использовать транзистор в цепи, которая смещена в линейной области. Чтобы было понятно, это все о внешней цепи. Блок усиления - это блок усиления. Не имеет значения, будь то BJT, FET, MOSFET или операционный усилитель. Единственное, что вы теряете при использовании переключающего транзистора, - это технические характеристики производителя по усилению и сдвигу фаз относительно частоты. Для переключателя вас это не волнует, поэтому вам будет проще, обрабатывая данные в параметре времени переключения вместо частотных параметров.

Если бы вы пытались изготовить усилители, вам было бы все равно, но вы просто демонстрировали кучу зеленых детей, поэтому вас тоже не волнует частотная характеристика. Переключающий транзистор обеспечивает превосходный блок усиления, особенно для ваших заявленных нескольких ватт выходной мощности - вы можете ради небольшого динамика управлять обычным операционным усилителем!

Вам действительно не нужно беспокоиться о смещении: соедините ваш входной сигнал с маленьким конденсатором. Ваш базовый усилитель сигнала класса А с 30-вольтовой шиной будет:

1. Смещение установки делителя напряжения, скажем, 200K шина к шине и 100k шина к земле. Это дает вам 10 вольт на вашем узле ворот.
2. Соедините вход с узлом затвора с конденсатором.
3. Поместите резистор от источника к земле - это контролирует ваш ток смещения стока. Используйте, скажем, .5k, чтобы дать ток покоя 20 мА - легко переносимый любым силовым транзистором.
4. Поместите резистор 100 Ом последовательно с вашей номинальной катушкой громкоговорителя на 8 Ом - помните, что динамик реагирует на изменения тока, а не напряжения - его катушка создает переменное магнитное поле в поле смещения.
5. Транзистор подхватит любую рассеиваемую мощность, которая не переносится этими другими нагрузками - максимум 400 мВт.

6. Ваша небольшая характеристика передачи сигнала будет:

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

где v - ваше пиковое напряжение сигнала, G - транскондуктивность транзистора, а другие значения - напряжение шины и сопротивление нагрузки. Если вы хотите получить фантазию, работайте с индуктивностью катушки динамика, и вы увидите круг вместо линии нагрузки на диаграмме IV.

Изменяйте внешние компоненты по своему усмотрению. Все просто и без глупостей. Обязательно подчеркните своим детям несоответствующую природу блока усиления. Спецификации имеют значение только для контроля качества продукции, но для одного взлома все работает.