Dapatkah MOSFET daya untuk aplikasi switching digunakan sebagai penguat linier?

16

Power MOSFET saat ini ada di mana-mana dan cukup murah juga di ritel. Dalam sebagian besar lembar data saya melihat kekuatan MOSFET dinilai untuk beralih, tanpa menyebutkan segala jenis aplikasi linier.

Saya ingin tahu apakah jenis MOSFET ini dapat digunakan juga sebagai penguat linier (yaitu di wilayah saturasi mereka).

Harap dicatat bahwa saya tahu prinsip-prinsip dasar di mana MOSFET bekerja dan model dasar mereka (AC dan DC), jadi saya tahu bahwa MOSFET "generik" dapat digunakan baik sebagai saklar maupun sebagai penguat (dengan "generik" yang saya maksudkan adalah semacam perangkat semi-ideal yang digunakan untuk tujuan didaktik).

Di sini saya tertarik pada kemungkinan peringatan yang sebenarnya untuk perangkat praktis yang mungkin dilompati dalam buku pelajaran universitas EE dasar.

Tentu saja saya menduga bahwa menggunakan bagian-bagian seperti itu akan menjadi suboptimal (lebih berisik? Kurang memperoleh? Linieritas lebih buruk), karena mereka dioptimalkan untuk beralih, tetapi apakah ada masalah halus yang dapat timbul dengan menggunakannya sebagai penguat linier yang dapat membahayakan sirkuit penguat sederhana ( pada frekuensi rendah) dari awal?

Untuk memberikan lebih banyak konteks: sebagai guru di sekolah menengah saya tergoda untuk menggunakan bagian yang murah untuk merancang sirkuit penguat didaktik yang sangat sederhana (mis. Ampli audio kelas A - beberapa watt maks) yang dapat dipasang di atas papan (dan mungkin dibangun di atas matriks PCB oleh siswa terbaik). Beberapa bagian yang saya miliki (atau saya bisa miliki) tersedia dengan harga murah, misalnya, termasuk BUK9535-55A dan BS170 , tetapi saya tidak memerlukan saran khusus untuk keduanya, hanya jawaban umum tentang masalah yang mungkin terjadi, seperti yang saya katakan sebelumnya.

Saya hanya ingin menghindari semacam "Hei! Tidak tahukah Anda bahwa switching power mos dapat melakukan ini dan benda ini ketika digunakan sebagai amp linear?!?" situasi berdiri di depan sirkuit mati (goreng, berosilasi, terkunci, ... atau apa pun)!

Lorenzo Donati mendukung Monica
sumber
Mendapatkan perilaku yang baik mungkin akan memerlukan penggunaan op amp yang mengambil umpan balik dari titik melewati transistor, tetapi juga mencakup beberapa sirkuit untuk mencegah osilasi. Penguat kelas A dapat menimbulkan beberapa kesulitan karena bahkan mematikan transistor sama sekali tidak akan membuat output naik sangat cepat, dan penguat kelas B dapat menimbulkan beberapa kesulitan jika seseorang ingin menghindari arus tembak yang buruk. Dimungkinkan untuk mendapatkan hasil yang baik menggunakan kekuatan MOSFET seperti yang Anda gambarkan, tetapi mencoba untuk mendapatkan barang agar benar-benar berfungsi dengan baik mungkin "mendidik". Tentu saja, jika itu intinya ...
supercat
@ supercat Saya tidak bertujuan distorsi tingkat HiFi. Hanya beberapa rangkaian sederhana yang dapat menunjukkan bahwa MOSFET benar-benar dapat memperkuat sinyal (cara yang sama bisa Anda lakukan dengan BJT jellybean seperti BC337 atau serupa dalam rangkaian 4 resistor CE, hanya untuk menggambar analogi). Pita audio bagus untuk siswa karena mereka dapat menyambungkan output dari iPOD mereka atau i apa pun ke input dan mendengar suara dalam speaker kecil (itu lebih keren daripada melihatnya di ruang lingkup - ya dengan rata-rata siswa bekerja seperti ini !). Ya, saya tahu saya menggambarkan konteks yang sangat rendah teknologi.
Lorenzo Donati mendukung Monica
@supercat BTW terima kasih untuk poin lainnya, hanya hal-hal yang perlu saya ketahui. Hanya sebuah pertanyaan: apa maksud Anda dengan istilah "arus tembak-menembak"? Apakah maksud Anda arus masuk yang dibutuhkan untuk mengisi kapasitansi gerbang?
Lorenzo Donati mendukung Monica
Dalam penguat kelas B, satu transistor akan memiliki tugas untuk menggerakkan output tinggi, dan yang lain akan memiliki tugas mengemudi rendah. Shoot-through current adalah arus yang melewati kedua transistor.
supercat
@supercat Ah! Ok terima kasih! Sangat bersih sekarang! Saya tidak tahu istilah bahasa Inggris untuk itu.
Lorenzo Donati mendukung Monica

Jawaban:

12

Saya punya pertanyaan serupa. Dari membaca catatan aplikasi dan slide presentasi oleh perusahaan seperti International Rectifier, Zetex, IXYS:

  • Caranya ada pada perpindahan panas. Di wilayah linier, MOSFET akan menghilangkan lebih banyak panas. MOSFET yang dibuat untuk daerah linier dirancang untuk memiliki transfer panas yang lebih baik.
  • MOSFET untuk wilayah linier dapat hidup dengan kapasitansi gerbang yang lebih tinggi

Catatan aplikasi IXYS IXAN0068 ( versi artikel majalah )
Catatan aplikasi Fairchild AN-4161

Nick Alexeev
sumber
(+1) Fantastis! Terima kasih! Hanya info yang saya butuhkan! Saya curiga bahwa juga buku-buku universitas (setidaknya yang saya baca) tidak menceritakan keseluruhan cerita!
Lorenzo Donati mendukung Monica
Saya akan memposting lebih atau kurang dari ini. Catatan aplikasi Fairchild adalah sumber yang bagus.
gsills
@gills Bahan yang sangat menarik, memang!
Lorenzo Donati mendukung Monica
12

VTH

VOV=VGSVTHVTH

MOSFET baru (umumnya dioptimalkan untuk switching, karena di situlah pasar berada) memiliki arus subthreshold yang jauh lebih tinggi - dengan kata lain, pada tegangan overdrive rendah, mereka membawa lebih banyak arus dan membuang lebih banyak panas. Cara lain untuk mengatakan ini adalah: pada arus yang praktis untuk amplifier linier, bahkan meskipun menjalankan arus ampli, MOSFET yang lebih baru membutuhkan overdrive yang sangat kecil (sebuah rezim yang menunjukkan ketidakstabilan termal), tidak seperti leluhur mereka yang membutuhkan banyak overdrive (rezim dengan stabilitas termal yang hebat).

Jadi, bahkan jika MOSFET yang lebih baru ditempatkan dalam paket yang sama dengan kapasitas penghilangan panas yang sama, mereka masih akan memiliki SOA yang lebih kecil (Area Operasi yang Aman). Lebih lanjut memperumit masalah ini, sebagai semacam aturan umum, lembar data sebagian besar transistor tidak memiliki kurva SOA yang akurat.

Saat menggunakan MOSFET yang lebih baru, desain dengan margin lebar (misalnya, MOSFET yang melihat 200V mungkin dispesifikasikan untuk 400V) dan jangan berharap mereka menahan kurva SOA lembar data mereka kecuali jika Anda mengujinya.

Zulu
sumber
Apakah Anda akan memberikan beberapa tautan atau info tambahan tentang "arus subthreshold" dan "efek spirito"? Saya tidak pernah mendengar istilah itu. Sementara saya bisa menebak apa yang disebut oleh mantan, saya sama sekali tidak tahu tentang yang terakhir.
Lorenzo Donati mendukung Monica
Ya, mungkin sedikit yang akan tahu apa Efek Sprito itu, setidaknya dengan namanya. Tetapi lihat catatan aplikasi an4161
gsills
1
VOV=VGSVTHVTH
Ok terima kasih untuk penjelasannya! Saya baru saja membaca dokumen-dokumen yang ditautkan oleh Nick.
Lorenzo Donati mendukung Monica
1
Sangat menarik membaca artikel yang Anda tautkan dalam komentar Anda tentang efek spirito. Kutipan ini luar biasa (penekanan saya): JPL melihat ke kehancuran ini, berbicara dengan produsen, dan menemukan industri otomotif telah menemukan masalah pada tahun 1997. JPL kemudian kembali ke "bagian yang lebih tua," dan mempercayai produsen untuk mengiklankan masalah; Namun, ini tidak pernah terjadi . Apakah Anda mau mengedit jawaban Anda untuk memasukkan apa yang Anda katakan dalam komentar? Ini akan menjadi perbaikan yang bermanfaat.
Lorenzo Donati mendukung Monica
6

Ya, Anda dapat menggunakan MOSFET daya yang dimaksudkan untuk berpindah aplikasi di wilayah liniernya, tetapi ini bukan yang saya rekomendasikan untuk tujuan Anda.

Tetap menggunakan BJT untuk amplifier demonstrasi. Alasannya adalah bahwa persyaratan bias mereka lebih dapat diprediksi dalam tegangan, dan karena itu lebih mudah untuk membuat rangkaian untuk membiasakan mereka dengan berguna.

MOSFET memiliki variasi bagian ke bagian yang signifikan dalam tegangan ambang gerbang, yang merupakan tegangan gerbang di mana dV kecil menyebabkan perubahan keluaran terbesar. Dengan FET yang dimaksudkan untuk beralih, diinginkan untuk meminimalkan wilayah transisi ini, tetapi untuk operasi linier Anda ingin tersebar. Dengan kata lain, Anda ingin beberapa "pengampunan" di tegangan gerbang. Beralih FET mungkin memberi Anda lebih sedikit. Desain untuk membiasakan FET seperti itu di wilayah linier mereka akhirnya menjadi sangat pesimis, biasanya dengan resistor sumber yang lebih besar daripada yang seharusnya Anda gunakan, hanya untuk mendapatkan prediksi.

Itu bisa dilakukan, tetapi sirkuit ekstra untuk mengatur titik bias, mungkin dengan umpan balik DC tambahan yang disengaja, akan mengurangi konsep-konsep lain dari desain amplifier, kecuali tentu saja itu yang ingin Anda ajarkan. Namun, sepertinya penguat apa pun sudah menjadi beban bagi siswa, jadi menambahkan komplikasi ini dapat membuat semuanya tidak dapat ditembus oleh mereka.

Olin Lathrop
sumber
(+1) Terima kasih atas wawasan yang bermanfaat! Sayangnya saya tidak mengajar desain EE apa pun tahun ini. Ini hanya kursus "payung" tentang elektronik untuk teknisi pemeliharaan masa depan di bidang termoteknik. Saya hanya bertujuan membuat mereka mengerti bahwa ada beberapa komponen, apa aplikasi utama mereka dan mengapa aplikasi ini layak menggunakan jumlah terkecil yang dimungkinkan (Hukum Ohm, KCL, KVL dan kurva karakteristik empiris). Setelah meliput dioda, saya melanjutkan untuk mengajar MOSFET karena mereka sedikit lebih mudah untuk dijelaskan kepada audiens saya. ...
Lorenzo Donati mendukung Monica
... Bagian lab tidak benar-benar tentang desain tetapi untuk membantu pengenalan komponen dan instrumen pengukuran. Bagi para siswa itu tidak begitu penting untuk memahami detail yang lebih baik, tetapi untuk melihat dalam prakteknya bahwa semua omongan saya tentang saluran beban tidak hanya melambaikan tangan atau BS. Dengan kata lain, sayalah yang akan mendesain sirkuit, mereka hanya akan me-mount dan memverifikasi bahwa mereka bekerja seperti yang dijelaskan.
Lorenzo Donati mendukung Monica
0

Pertama, mari kita luruskan terminologinya. Transistor switching idealnya selalu terputus atau saturasi, apakah itu bipolar atau FET. Sebagai masalah praktis, transisi harus melewati wilayah linier. FET memiliki kompleksitas tambahan: daerah resistif untuk nilai kecil dari sumber tegangan. Selain itu, karakteristik transfer baku FET adalah kuadratik, bukan linier. Ketika diaktifkan, FET akan cepat jenuh, dan jika sirkuit eksternal dirancang dengan benar, tegangan sumber-saluran akan sama-sama cepat turun ke nominal satu volt. Pada titik itu, ia akan berada di wilayah resistif, tetapi juga, yang lebih penting, akan jenuh. Jadi, misalnya, jika Anda membuang 5 amp, daya yang dihabiskan di FET akan sekitar 5 watt.

Anda ingin menggunakan transistor dalam rangkaian yang bias di wilayah linier. Agar jelas, ini semua tentang sirkuit eksternal. Blok gain adalah blok gain. Tidak masalah jika itu adalah BJT, FET, MOSFET, atau op amp. Satu-satunya hal yang Anda kehilangan dengan menggunakan switching transistor adalah spesifikasi pabrikan untuk gain dan pergeseran fasa sehubungan dengan frekuensi. Untuk sakelar, Anda tidak peduli, sehingga memudahkan Anda dengan mengolah data menjadi parameter waktu pengalihan alih-alih parameter frekuensi.

Jika Anda mencoba membuat amplifier, Anda akan peduli, tetapi Anda hanya menunjukkan kepada sekelompok anak hijau, jadi Anda juga tidak peduli dengan respons frekuensi. Sebuah transistor switching membuat blok gain yang sangat baik, terutama untuk beberapa watt output yang dinyatakan - Anda dapat menggerakkan speaker kecil dengan op amp yang sama demi kebaikan!

Anda benar-benar tidak perlu khawatir tentang biasing: pasangkan sinyal input Anda dengan kapasitor kecil. Kelas dasar Anda Penguat sinyal kecil dengan mengatakan rel 30 volt adalah:

  1. Pembagi pengaturan pembagi tegangan, misalnya 200K rail to gate dan 100k gate to ground. Ini memberi Anda 10 volt diam di simpul gerbang Anda.
  2. Pasangan input ke node gerbang dengan kapasitor.
  3. Tempatkan resistor dari sumber ke ground - ini mengontrol bias arus drain Anda. Gunakan, katakan .5k untuk memberikan arus tiruan diam 20mA - mudah ditanggung oleh transistor daya apa pun.
  4. Tempatkan resistor 100ohm secara seri dengan kumparan speaker 8ohm yang asli - ingat, speaker merespons perubahan arus, bukan tegangan - kumparannya menciptakan medan magnet yang bervariasi dalam medan bias.
  5. Transistor akan mengambil disipasi daya apa pun yang tidak dibawa oleh beban lain ini - paling banyak 400 mW.
  6. Karakteristik transfer sinyal kecil Anda adalah:

    Vdrain=30vG108500=30vG5

di mana v adalah tegangan sinyal puncak ke puncak Anda, G adalah transkonduktansi transistor, dan nilai lainnya adalah tegangan rel dan tahanan beban. Jika Anda ingin menjadi mewah, kerjakan induktansi dari koil speaker dan Anda akan melihat lingkaran alih-alih garis beban pada diagram IV.

Variasikan komponen eksternal sesuai keinginan Anda. Sederhana, dan tanpa omong kosong. Pastikan untuk menekankan kepada anak-anak Anda sifat yang tidak relevan dari blok penguatan. Spesifikasi hanya penting untuk kontrol kualitas produksi, tetapi untuk sekali jalan, apapun berfungsi.

For_Some_Reason_I_Had_To_Reply
sumber
Ini tidak benar-benar menjawab pertanyaan, walaupun saya menghargai upaya memberikan informasi yang bermanfaat. BTW, mereka bukan anak-anak, tetapi remaja belajar menjadi teknisi. Adapun terminologi ("... mari kita luruskan terminologi."), Anda salah, maaf. Lihat balasan saya untuk komentar ke jawaban lain di sini di utas ini . Selain itu, bandingkan karakteristik keluaran dari BJT dan MOSFET .
Lorenzo Donati mendukung Monica
Etimologi istilah "saturasi" untuk BJT dan MOSFET tidak terkait dengan bentuk dan posisi karakteristik keluaran, tetapi dengan fenomena yang terjadi di dalam semikonduktor. Jadi, sementara BJT yang sepenuhnya AKTIF harus didorong ke saturasi, untuk MOSFET Anda harus mengarahkannya ke wilayah ohmiknya. Wilayah saturasi untuk MOSFET analog dengan wilayah aktif BJT.
Lorenzo Donati mendukung Monica
"... karakteristik transfer baku FET adalah kuadratik, bukan linier" Ini berlaku untuk FET biasa, bukan MOSFET daya , yang merupakan teknologi berbeda. Jika Anda melihat tautan lembar data yang saya berikan dalam pertanyaan, Anda akan melihat bahwa karakteristik transfer cukup linier, setelah lutut awal.
Lorenzo Donati mendukung Monica
"... tegangan sumber saluran akan dengan cepat meluncur turun ke nominal satu volt . Pada saat itu, itu akan berada di daerah resistif ...". Nilai Vds yang memisahkan wilayah ohmik (resistif) dari saturasi ("aktif") tidak tetap, tergantung pada tegangan overdrive, yaitu perbedaan antara Vgs dan tegangan ambang batas. Jadi bisa 1V, 4V, 0.2V atau apa pun (tergantung pada level Vgs dan model FET tertentu).
Lorenzo Donati mendukung Monica