Kann ein Leistungs-MOSFET für Schaltanwendungen als linearer Verstärker verwendet werden?

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Leistungs-MOSFETs sind heutzutage allgegenwärtig und auch im Einzelhandel relativ billig. In den meisten Datenblättern habe ich gesehen, dass Leistungs-MOSFETs für das Schalten ausgelegt sind, ohne irgendwelche linearen Anwendungen zu erwähnen.

Ich würde gerne wissen, ob solche MOSFETs auch als Linearverstärker (dh in ihrem Sättigungsbereich) eingesetzt werden können.

Bitte beachten Sie, dass ich die Grundprinzipien der MOSFETs und ihre Grundmodelle (Wechselstrom und Gleichstrom) kenne und daher weiß, dass ein "generischer" MOSFET sowohl als Schalter als auch als Verstärker verwendet werden kann (mit "generisch" meine ich den Art semi-ideales Gerät, das man zu didaktischen Zwecken einsetzt).

Hier geht es mir um mögliche Vorbehalte für praktische Geräte, die in einfachen EE-Universitätslehrbüchern möglicherweise übersprungen werden.

Ich vermute natürlich, dass die Verwendung solcher Teile suboptimal sein wird (rauschärmer, weniger Verstärkung, schlechtere Linearität), da sie für das Schalten optimiert sind, aber es gibt subtile Probleme, die auftreten können, wenn sie als lineare Verstärker verwendet werden, die einfache Verstärkerschaltungen beeinträchtigen können ( bei niedriger Frequenz) von Anfang an?

Um mehr Kontext zu schaffen: Als Lehrer an einer High School bin ich versucht, mit solch billigen Bauteilen sehr einfache didaktische Verstärkerschaltungen (z. B. Klasse-A-Audioverstärker - maximal ein paar Watt) zu konstruieren, die sich aufteilen (und möglicherweise aufbauen lassen) Matrix PCB von den besten Studenten). Einige Teile, die ich günstig zur Verfügung habe (oder haben könnte), sind zum Beispiel BUK9535-55A und BS170 , aber ich brauche keine speziellen Ratschläge für diese beiden, sondern nur eine allgemeine Antwort auf mögliche Probleme in Bezug auf das, was ich zuvor gesagt habe.

Ich möchte nur irgendeine Art von "Hey! Wusstest du nicht, dass das Schalten von Power Mos dies und das kann, wenn es als Linearverstärker verwendet wird?!?" Situation vor einem toten (frittierten, oszillierenden, verriegelten, ... oder was auch immer) Stromkreis!

Lorenzo Donati unterstützt Monica
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Um ein gutes Verhalten zu erzielen, ist wahrscheinlich die Verwendung eines Operationsverstärkers erforderlich, der eine Rückkopplung von einem Punkt hinter dem Transistor erhält, aber auch einige Schaltungen enthält, um Oszillationen zu verhindern. Ein Verstärker der Klasse A kann einige Schwierigkeiten bereiten, da selbst das vollständige Ausschalten des Transistors den Ausgang nicht sehr schnell ansteigen lässt, und ein Verstärker der Klasse B kann einige Schwierigkeiten bereiten, wenn unangenehme Durchschussströme vermieden werden sollen. Es ist möglich, mit Leistungs-MOSFETs gute Ergebnisse zu erzielen, wie Sie es beschreiben. Es kann jedoch "lehrreich" sein, Dinge zum Funktionieren zu bringen. Natürlich, wenn das der Punkt ist ...
Supercat
@supercat Ich strebe keine Verzerrung des HiFi-Pegels an. Nur eine einfache Schaltung, die zeigen kann, dass ein MOSFET das Signal tatsächlich verstärken kann (genau wie Sie es mit Jellybean-BJTs wie BC337 oder ähnlichem in einer CE-Schaltung mit 4 Widerständen tun können, um nur eine Analogie zu ziehen). Das Audioband ist gut für Schüler, da sie den Ausgang ihres iPODs oder eines anderen Geräts an den Eingang anschließen und den Ton über einen kleinen Lautsprecher hören können (es ist cooler, es auf einem Oszilloskop zu sehen - ja, mit einem durchschnittlichen Schüler funktioniert es so !). Ja, ich beschreibe einen sehr Low-Tech-Kontext.
Lorenzo Donati unterstützt Monica
@supercat Übrigens danke für die anderen Punkte, genau die Dinge, die ich wissen musste. Nur eine Frage: Was meinst du mit dem Begriff "Durchschussströme"? Meinen Sie damit die Einschaltströme, die zum Laden der Gate-Kapazität benötigt werden?
Lorenzo Donati unterstützt Monica
In einem Verstärker der Klasse B hat ein Transistor die Aufgabe, den Ausgang hoch und ein anderer die Aufgabe, ihn niedrig zu steuern. Durchschussströme sind solche, die durch beide Transistoren fließen.
Supercat
@supercat Ah! OK danke! Perfekt klar jetzt! Ich kannte den englischen Begriff dafür nicht.
Lorenzo Donati unterstützt Monica

Antworten:

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Ich hatte eine ähnliche Frage. Lesen Sie Anwendungsberichte und Präsentationsfolien von Unternehmen wie International Rectifier, Zetex, IXYS:

  • Der Trick liegt in der Wärmeübertragung. Im linearen Bereich wird ein MOSFET mehr Wärme abführen. Die für den linearen Bereich hergestellten MOSFETs sind für eine bessere Wärmeübertragung ausgelegt.
  • MOSFET für einen linearen Bereich könnte mit höherer Gatekapazität leben

IXYS-App-Hinweis IXAN0068 ( Magazinartikel-Version )
Fairchild-App-Hinweis AN-4161

Nick Alexeev
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(+1) Fantastisch! Vielen Dank! Genau die Infos, die ich brauchte! Ich vermutete, dass auch Universitätsbücher (zumindest die, die ich las) nicht die ganze Geschichte erzählten!
Lorenzo Donati unterstützt Monica
Ich würde mehr oder weniger das posten. Die Fairchild App Note ist eine gute Quelle.
gsills
@gsills Wirklich interessantes Material!
Lorenzo Donati unterstützt Monica
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Der Spirito-Effekt ist eine thermische Instabilität, die durch die Tatsache, dass die Schwellenspannung verursacht wird einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, istRegel eher ein Problem in neuen MOSFETs.VTH

VOV=VGSVTHVTH

Neue MOSFETs (die in der Regel für das Schalten optimiert sind, da dies der Markt ist) haben viel höhere Subschwellenströme. Mit anderen Worten, bei niedrigen Übersteuerungsspannungen führen sie mehr Strom und geben mehr Wärme ab. Eine andere Art, dies zu sagen, ist: Bei Strömen, die für lineare Verstärker praktisch sind, benötigen neuere MOSFETs trotz laufender Stromstärken sehr wenig Overdrive (ein Regime mit thermischer Instabilität), im Gegensatz zu ihren Vorfahren, die viel Overdrive benötigten (ein Regime mit große thermische Stabilität).

Selbst wenn die neueren MOSFETs in denselben Gehäusen mit derselben Wärmeabfuhrkapazität untergebracht wären, hätten sie daher immer noch kleinere SOAs (Safe Operating Areas). Eine weitere Komplikation ist, dass die Datenblätter der meisten Transistoren im Allgemeinen keine genauen SOA-Kurven aufweisen.

Wenn Sie neuere MOSFETs verwenden, sollten Sie ein Design mit großen Rändern (z. B. ein MOSFET mit 200 V könnte für 400 V spezifiziert sein) verwenden und nicht erwarten, dass diese mit ihren Datenblatt-SOA-Kurven mithalten, es sei denn, Sie testen sie.

Zulu-
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Würde es Ihnen etwas ausmachen, Links oder zusätzliche Informationen zu "Subthreshold Currents" und "Spirito Effect" bereitzustellen? Ich habe diese Begriffe nie gehört. Während ich erraten kann, worauf sich die ersteren beziehen, bin ich bezüglich der letzteren völlig ratlos.
Lorenzo Donati unterstützt Monica
Ja, wahrscheinlich wissen nur wenige, was der Sprito-Effekt ist, zumindest beim Namen. Siehe aber den App-Hinweis an4161
gsills
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VOV=VGSVTHVTH
Ok, danke für die Erklärungen! Ich habe gerade die von Nick verlinkten Dokumente überflogen.
Lorenzo Donati unterstützt Monica
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Sehr interessante Lektüre des Artikels, auf den Sie in Ihrem Kommentar zum Spirito-Effekt verwiesen haben. Dieses Zitat ist bemerkenswert (Hervorhebung von mir): JPL untersuchte diese Zerstörung, sprach mit dem Hersteller und stellte fest, dass die Autoindustrie das Problem 1997 gefunden hatte. aber dies nie aufgetreten . Würde es Ihnen etwas ausmachen, Ihre Antwort so zu bearbeiten, dass sie das enthält, was Sie in dem Kommentar gesagt haben? Es wäre eine nützliche Verbesserung.
Lorenzo Donati unterstützt Monica
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Ja, Sie können Leistungs-MOSFETs verwenden, die zum Schalten von Anwendungen in ihrem linearen Bereich vorgesehen sind. Dies ist jedoch nicht das, was ich für Ihren Zweck empfehle.

Halten Sie sich an BJTs für Demonstrationsverstärker. Der Grund dafür ist, dass ihre Vorspannungsanforderungen in Bezug auf die Spannung vorhersehbarer sind und es daher einfacher ist, Schaltungen zu erstellen, um sie sinnvoll vorzuspannen.

MOSFETs haben signifikante Schwankungen der Gate-Schwellenspannung von Teil zu Teil, dh der Gate-Spannung, bei der ein kleiner dV die größte Ausgangsänderung verursacht. Bei FETs, die zum Schalten vorgesehen sind, ist es wünschenswert, diesen Übergangsbereich zu minimieren, aber für einen linearen Betrieb möchten Sie, dass er ausgebreitet wird. Anders ausgedrückt, Sie möchten etwas "Vergebung" in der Gate-Spannung. Das Schalten von FETs kann zu weniger Ergebnissen führen. Das Design für die Vorspannung solcher FETs in ihrem linearen Bereich ist letztendlich sehr pessimistisch, normalerweise mit größeren Source-Widerständen als sonst üblich, um eine gewisse Vorhersagbarkeit zu erzielen.

Es kann getan werden, aber die zusätzliche Schaltungsanordnung zum Einstellen des Vorspannungspunkts, wahrscheinlich mit zusätzlicher absichtlicher Gleichstromrückkopplung, wird von den anderen Konzepten des Verstärkerkonzepts ablenken, es sei denn, Sie möchten dies natürlich lehren. Es hört sich jedoch so an, als ob jeder Verstärker für die Schüler bereits eine Belastung darstellt. Wenn Sie diese Komplikation hinzufügen, ist das Ganze möglicherweise für sie undurchdringlich.

Olin Lathrop
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(+1) Danke für die nützlichen Einsichten! Leider unterrichte ich dieses Jahr kein EE-Design. Es ist nur ein "Umbrella" -Kurs über Elektronik für zukünftige Wartungstechniker im Bereich der Thermotechnik. Ich möchte sie nur verstehen lassen, dass einige Komponenten existieren, was ihre Hauptanwendungen sind und warum diese Anwendungen mit möglichst wenig Mathematik möglich sind (Ohmsches Gesetz, KCL, KVL und empirische Kennlinien). Nachdem ich Dioden behandelt hatte, unterrichtete ich MOSFETs, weil sie für mein Publikum etwas einfacher zu erklären sind. ...
Lorenzo Donati unterstützt Monica
... Im Laborteil geht es nicht wirklich um Design, sondern darum, sich mit den Komponenten und Messinstrumenten vertraut zu machen. Für diese Studenten ist es nicht so wichtig, die feineren Details zu verstehen, sondern in der Praxis zu sehen, dass mein ganzes Waffeln über Ladelinien nicht nur Handwinken oder BS war. Mit anderen Worten, ich bin es, der die Schaltkreise entwirft, sie nur montiert und überprüft, ob sie wie erklärt funktionieren.
Lorenzo Donati unterstützt Monica
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Lassen Sie uns zunächst die Terminologie klarstellen. Ein Schalttransistor ist idealerweise entweder immer in Sperrstellung oder in Sättigung, egal ob es sich um einen bipolaren oder einen FET handelt. In der Praxis müssen Übergänge durch den linearen Bereich verlaufen. FETs haben eine zusätzliche Komplexität: den Widerstandsbereich für kleine Werte der Drain-Source-Spannung. Darüber hinaus ist die Rohübertragungscharakteristik eines FET quadratisch und nicht linear. Beim Schalten wird ein FET schnell gesättigt, und wenn der externe Schaltkreis richtig ausgelegt ist, sinkt die Drain-Source-Spannung gleichermaßen schnell auf nominal ein Volt ab. Zu diesem Zeitpunkt befindet es sich im Widerstandsbereich, ist aber vor allem gesättigt. Wenn Sie beispielsweise 5 Ampere entladen, beträgt die im FET verbrauchte Leistung ungefähr 5 Watt.

Sie möchten den Transistor in einer Schaltung verwenden, die im linearen Bereich vorgespannt ist. Klar, hier geht es nur um die externe Schaltung. Ein Verstärkungsblock ist ein Verstärkungsblock. Es spielt keine Rolle, ob es sich um einen BJT, einen FET, einen MOSFET oder einen Operationsverstärker handelt. Das einzige, was Sie durch die Verwendung eines Schalttransistors verlieren, sind Herstellerspezifikationen für Verstärkung und Phasenverschiebung in Bezug auf die Frequenz. Für eine Vermittlung ist es Ihnen egal, daher erleichtern sie Ihnen die Verarbeitung der Daten in einen Vermittlungszeitparameter anstelle von Frequenzparametern.

Wenn Sie versuchen, Verstärker herzustellen, ist Ihnen das wichtig, aber Sie demonstrieren nur ein paar grünen Kindern, sodass Sie sich auch nicht für den Frequenzgang interessieren. Ein Schalttransistor ist ein perfekter Gain-Block, besonders für Ihre angegebenen wenigen Watt Ausgangsleistung. Sie können einen kleinen Lautsprecher mit einem herkömmlichen Operationsverstärker ansteuern, um Himmels willen!

Sie müssen sich wirklich keine Sorgen um die Vorspannung machen: Koppeln Sie Ihr Eingangssignal mit einem kleinen Kondensator. Ihre Basisklasse Ein kleiner Signalverstärker mit beispielsweise einer 30-Volt-Schiene wäre:

  1. Eine Spannungsteilereinstellungsvorspannung, z. B. 200-K-Schiene zu Gate und 100-K-Gate zu Masse. Dies gibt Ihnen einen Ruhezustand von 10 Volt an Ihrem Gateknoten.
  2. Koppeln Sie den Eingang mit einem Kondensator an den Gate-Knoten.
  3. Platzieren Sie einen Widerstand von Source zu Ground - dies steuert Ihre Drain-Stromvorspannung. Verwenden Sie z. B. 0,5 k, um einen Ruhestrom von 20 mA zu erhalten, der von jedem Leistungstransistor problemlos ausgehalten werden kann.
  4. Platzieren Sie einen 100-Ohm-Widerstand in Reihe mit Ihrer 8-Ohm-Lautsprecherspule. Denken Sie daran, dass ein Lautsprecher auf Änderungen des Stroms und nicht der Spannung reagiert. Seine Spule erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld in einem Vorspannungsfeld.
  5. Der Transistor nimmt die Verlustleistung auf, die nicht von diesen anderen Verbrauchern getragen wird - höchstens 400 mW.
  6. Ihre kleine Signalübertragungscharakteristik ist:

    Vablassen=30-vG108500=30-vG5

Wobei v Ihre Spitze-Spitze-Signalspannung ist, G die Transkonduktanz des Transistors ist und die anderen Werte die Schienenspannung und die Lastwiderstände sind. Wenn Sie Lust haben, arbeiten Sie an der Induktivität der Lautsprecherspule, und auf dem IV-Diagramm sehen Sie einen Kreis anstelle einer Lastlinie.

Variieren Sie die externen Komponenten nach Belieben. Einfach und kein Unsinn. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihren Kindern die irrelevante Natur des Verstärkungsblocks vor Augen führen. Spezifikationen sind nur für die Qualitätskontrolle in der Produktion von Bedeutung, aber für einen einmaligen Hack funktioniert alles.

Aus_einigen_Gründen_Ich_hatte_zur_beantwortung
quelle
Dies beantwortet die Frage nicht wirklich, obwohl ich die Mühe schätze, nützliche Informationen zur Verfügung zu stellen. Übrigens sind sie keine Kinder, sondern Teenager, die lernen, Techniker zu werden. In Bezug auf die Terminologie ("... lassen Sie uns die Terminologie klarstellen.") Haben Sie es falsch verstanden, sorry. Siehe meine Antwort auf einen Kommentar zu einer anderen Antwort hier in diesem Thread . Vergleichen Sie außerdem die Ausgangseigenschaften von BJTs und MOSFETs .
Lorenzo Donati unterstützt Monica
Die Etymologie des Begriffs "Sättigung" für BJTs und MOSFETs hängt nicht mit der Form und Position der Ausgangseigenschaften zusammen, sondern mit den Phänomenen, die im Inneren des Halbleiters auftreten. Während ein BJT, um vollständig EIN zu sein, in die Sättigung getrieben werden muss, muss er für einen MOSFET in seinen ohmschen Bereich getrieben werden. Der Sättigungsbereich für einen MOSFET ist analog zum aktiven Bereich eines BJT.
Lorenzo Donati unterstützt Monica
"... die rohe Übertragungscharakteristik eines FET ist quadratisch, nicht linear" Dies gilt für gewöhnliche FETs, nicht für Leistungs-MOSFETs , die eine andere Technologie haben. Wenn Sie sich die Datenblattlinks ansehen, die ich in der Frage bereitgestellt habe, werden Sie feststellen, dass die Übertragungscharakteristik nach einem anfänglichen Knie ziemlich linear ist.
Lorenzo Donati unterstützt Monica
"... die Drain-Source-Spannung wird gleichermaßen schnell auf nominell ein Volt abfallen . Zu diesem Zeitpunkt wird sie im Widerstandsbereich liegen ...". Der Vds-Wert, der den ohmschen (ohmschen) Bereich vom Sättigungsbereich ("aktiven" Bereich) trennt, ist nicht fest, er hängt von der Übersteuerungsspannung ab, dh der Differenz zwischen Vgs und der Schwellenspannung. Es kann also 1 V, 4 V, 0,2 V oder was auch immer sein (abhängig vom Vgs-Pegel und dem spezifischen FET-Modell).
Lorenzo Donati unterstützt Monica