¿Se puede usar un MOSFET de potencia para cambiar de aplicación como un amplificador lineal?

Tuve una pregunta similar. Desde la lectura de notas de aplicaciones y diapositivas de presentación de compañías como International Rectifier, Zetex, IXYS:

• El truco está en la transferencia de calor. En la región lineal, un MOSFET disipará más calor. Los MOSFET creados para la región lineal están diseñados para tener una mejor transferencia de calor.
• MOSFET para una región lineal podría vivir con una capacitancia de compuerta más alta

Nota de la aplicación IXYS IXAN0068 ( versión del artículo de la revista )
Nota de la aplicación Fairchild AN-4161

El Spirito Effect , que es una inestabilidad térmica causada por el hecho de que el voltaje de umbral \ $ V_ {TH} \ $ tiene un coeficiente de temperatura negativo, generalmente es más un problema en los nuevos MOSFET.

A altos voltajes de sobremarcha (overdrive \ $ V_ {OV} = V_ {GS} -V_ {TH} \ $), los MOSFET no tienen inestabilidades térmicas porque su resistencia de canal tiene un coeficiente de temperatura positivo. Esto provoca un buen intercambio de corriente entre dispositivos. Sin embargo, en los overdrives bajos, el intercambio de corriente es pobre porque el voltaje de umbral \ $ V_ {TH} \ $ tiene un tempco negativo. En las circunstancias adecuadas, esto conduce a la inestabilidad térmica.

Los nuevos MOSFET (generalmente optimizados para el cambio, porque es donde está el mercado) tienen corrientes de umbral inferiores mucho más altas - en otras palabras, a bajos voltajes de sobremarcha, llevan más corriente y disipan más calor. Otra forma de decir esto es: a las corrientes que son prácticas para los amplificadores lineales, incluso a pesar de los amplificadores de corriente de los MOSFET más recientes, se necesita una gran saturación (un régimen que exhibe inestabilidad térmica), a diferencia de sus antepasados, que necesitaban mucha saturación (un régimen con gran estabilidad térmica).

Por lo tanto, incluso si los MOSFET más nuevos se colocaran en los mismos paquetes con la misma capacidad de extracción de calor, aún tendrían SOA (Áreas de operación segura) más pequeñas. Para complicar aún más la cuestión, como una especie de regla general, la mayoría de las hojas de datos de los transistores no tienen curvas SOA precisas.

Cuando use MOSFET más nuevos, diseñe con márgenes amplios (por ejemplo, un MOSFET que vea 200V podría estar especificado para 400V) y no espere que se mantengan en su hoja de datos curvas SOA a menos que los pruebe.

Sí, puede usar MOSFET de energía para cambiar de aplicaciones en su región lineal, pero no es lo que recomiendo para su propósito.

Se adhieren a los BJT para amplificadores de demostración. La razón es que sus requisitos de polarización son más predecibles en cuanto a voltaje y, por lo tanto, es más fácil crear circuitos para desviarlos de manera útil.

Los MOSFET tienen una variación significativa de parte a parte en el voltaje del umbral de la puerta, que es el voltaje de la puerta a la cual un pequeño dV causa el mayor cambio de salida. Con los FET destinados a la conmutación, es deseable minimizar esta región de transición, pero para una operación lineal desea que se extienda. Dicho de otra manera, quieres un poco de "perdón" en el voltaje de la compuerta. Cambiar FET puede darle menos. El diseño para sesgar dichos FET en su región lineal termina siendo muy pesimista, generalmente con resistores de fuente más grandes que los que usaría de otra forma, solo para obtener cierta previsibilidad.

Se puede hacer, pero los circuitos adicionales para establecer el punto de polarización, probablemente con retroalimentación DC deliberada adicional, restarán valor a los otros conceptos del diseño del amplificador, a menos que, por supuesto, eso sea lo que usted quiere enseñar. Sin embargo, parece que cualquier amplificador ya es un tramo para los estudiantes, por lo que agregar esta complicación puede hacer que todo sea impenetrable para ellos.

Primero, aclaremos la terminología. Idealmente, un transistor de conmutación está siempre en corte o saturación, ya sea bipolar o FET. Como cuestión práctica, las transiciones deben pasar a través de la región lineal. Los FET tienen una complejidad adicional: la región resistiva para valores pequeños de voltaje de fuente de drenaje. Además, la característica de transferencia bruta de un FET es cuadrática, no lineal. Cuando se enciende, un FET se saturará rápidamente, y si el circuito externo está diseñado correctamente, el voltaje de la fuente de drenaje también se deslizará rápidamente a nominalmente un voltio. En ese punto, estará en la región resistiva, pero también, lo que es más importante, estará saturado. Entonces, por ejemplo, si está descargando 5 amperios, la potencia disipada en el FET será de aproximadamente 5 vatios.

Desea utilizar el transistor en un circuito que está polarizado en la región lineal. Para ser claros, esto es todo sobre el circuito externo. Un bloque de ganancia es un bloque de ganancia. No importa si se trata de un BJT, un FET, un MOSFET o un amplificador operacional. Lo único que pierde al usar un transistor de conmutación son las especificaciones del fabricante para la ganancia y el cambio de fase con respecto a la frecuencia. Para un conmutador, no te importa, por lo que te lo ponen fácil procesando los datos en un parámetro de tiempo de conmutación en lugar de los parámetros de frecuencia.

Si estuviera tratando de fabricar amplificadores, le importaría, pero solo se lo está mostrando a un grupo de niños verdes, por lo que a usted tampoco le importa la respuesta de frecuencia. Un transistor de conmutación es un bloque de ganancia perfectamente bueno, especialmente para los pocos vatios de salida indicados. ¡Puede manejar un pequeño altavoz con un amplificador operacional común para su bondad!

Realmente no necesita preocuparse por la polarización: combine su señal de entrada con un pequeño capacitor. Su amplificador de señal básica de clase A con un riel de 30 voltios sería:

1. Un sesgo de configuración del divisor de voltaje, por ejemplo 200K rail to gate y 100k puerta a tierra. Esto le da un quiescente 10 voltios en su puerta nodo.
2. Acople la entrada al nodo de la puerta con un condensador.
3. Coloque una resistencia desde la fuente hasta el suelo: esto controla su drenaje sesgo actual. Use, digamos .5k para dar una corriente de drenaje inactiva de 20mA: fácilmente soportado por cualquier transistor de potencia.
4. Coloque una resistencia de 100 ohmios en serie con su altavoz nominal de 8 ohmios bobina - recuerde, un orador responde a los cambios en la corriente, no voltaje: su bobina crea un campo magnético variable en un campo de polarización.
5. El transistor captará cualquier disipación de potencia que no sea transportados por estas otras cargas, a lo sumo 400 mW.

6. Su característica de transferencia de señal pequeña será:

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

donde v es su voltaje de señal pico a pico, G es la transconductancia del transistor y los otros valores son el voltaje del riel y las resistencias de carga. Si desea obtener fantasía, trabaje en la inductancia de la bobina del altavoz y verá un círculo en lugar de una línea de carga en el diagrama I-V.

Varíe los componentes externos a su gusto. Sencillo, y sin tonterías. Asegúrese de enfatizar a sus hijos la naturaleza irrelevante del bloque de ganancia. Las especificaciones solo importan para el control de calidad de la producción, pero para un pirateo, todo funciona.