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

Leistungs-MOSFETs sind heutzutage allgegenwärtig und auch im Einzelhandel ziemlich günstig. In den meisten Datenblättern, die ich gesehen habe, sind Leistungs-MOSFETs zum Schalten ausgelegt, ohne irgendeine Art von linearen Anwendungen zu erwähnen.

Ich würde gerne wissen, ob diese Art von MOSFETs auch als linearer Verstärker (dh in ihrem Sättigungsbereich) verwendet werden können.

Bitte beachten Sie, dass ich die Grundprinzipien, nach denen MOSFETs arbeiten, und ihre Grundmodelle (AC und DC) kenne, daher weiß ich, dass ein "generischer" MOSFET sowohl als Schalter als auch als Verstärker verwendet werden kann (mit "generisch" meine ich den eine Art halbideales Gerät, das man für didaktische Zwecke verwendet).

Hier interessiere ich mich für tatsächliche mögliche Vorbehalte für praktische Geräte , die in grundlegenden EE-Universitätslehrbüchern übersprungen werden könnten.

Natürlich vermute ich, dass die Verwendung solcher Teile suboptimal ist (lauter? weniger Verstärkung? schlechtere Linearität?), da sie für das Schalten optimiert sind, aber gibt es 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 geben: Als Lehrer an einer High School bin ich versucht, solche billigen Teile zu verwenden, um sehr einfache didaktische Verstärkerschaltungen (z Matrix PCB von den besten Studenten). Einige Teile, die ich billig zur Verfügung habe (oder haben könnte), umfassen zum Beispiel BUK9535-55A und BS170 , aber ich brauche keine spezifischen Ratschläge für diese beiden, nur eine allgemeine Antwort auf mögliche Probleme in Bezug auf das, was ich zuvor gesagt habe.

Ich möchte nur eine Art "Hey! Wussten Sie nicht, dass Schaltnetzteile dies und das können, wenn sie als lineare Verstärker verwendet werden?!?" Situation vor einem toten (gerösteten, oszillierenden, verriegelten, ... oder was auch immer) Stromkreis stehen!

Um ein gutes Verhalten zu erzielen, ist wahrscheinlich die Verwendung eines Operationsverstärkers erforderlich, der eine Rückkopplung von einem Punkt hinter dem Transistor entgegennimmt, aber auch einige Schaltkreise enthält, um Oszillationen zu verhindern. Ein Klasse-A-Verstärker kann einige Schwierigkeiten bereiten, da selbst das vollständige Ausschalten des Transistors den Ausgang nicht sehr schnell ansteigen lässt, und ein Klasse-B-Verstärker kann einige Schwierigkeiten bereiten, wenn man unangenehme Durchschussströme vermeiden möchte. Es ist möglich, mit Leistungs-MOSFETs, wie Sie es beschreiben, gute Ergebnisse zu erzielen, aber der Versuch, Dinge dazu zu bringen, tatsächlich gut zu funktionieren, kann "lehrreich" sein. Natürlich, wenn es darum geht...
@supercat Ich ziele nicht auf HiFi-Level-Verzerrung. Nur eine einfache Schaltung, die zeigen kann, dass ein MOSFET das Signal tatsächlich verstärken kann (genauso wie Sie es mit Jellybean-BJTs wie BC337 oder ähnlichem in einer CE-Schaltung mit 4 Widerständen tun könnten, nur um eine Analogie zu ziehen). Das Audioband ist gut für Studenten, da sie den Ausgang ihres iPOD oder iWhatever an den Eingang anschließen und den Ton in einem kleinen Lautsprecher hören können (es ist cooler, als ihn auf einem Oszilloskop zu sehen - ja, beim durchschnittlichen Studenten funktioniert es so !). Ja, ich weiß, ich beschreibe einen sehr Low-Tech-Kontext.
@supercat Übrigens danke für die anderen Punkte, genau die Dinge, die ich wissen musste. Nur eine Frage: Was meinen Sie mit dem Begriff „Durchschussströme“? Meinen Sie die Einschaltströme, die zum Laden der Gate-Kapazität erforderlich sind?
In einem Klasse-B-Verstärker hat ein Transistor die Aufgabe, den Ausgang hoch zu treiben, und ein anderer hat die Aufgabe, ihn niedrig zu treiben. Durchschussströme sind solche, die durch beide Transistoren fließen.
@supercat Ah! OK danke! Jetzt ganz klar! Den englischen Begriff dafür kannte ich nicht.
Ich habe gehört, dass Schalt-MOSFETs, die für den Betrieb in Sättigung ausgelegt sind, nicht die Verstärkung der einzelnen Zellen als gesteuerten Parameter haben. Daher kann es zu thermischen Runaway-Problemen kommen, bei denen eine einzelne Zelle den gesamten Strom aufnimmt und das Gerät durchbrennt. Lineare MOSFETs verwenden die Zellstruktur nicht und vermeiden daher dieses Problem. Dies kann vermieden werden, indem der MOSFET deutlich überspezifiziert wird, aber ich bin mir nicht sicher, wie robust dieser Ansatz wäre.
@OleksandrR nur fürs Protokoll, ich glaube, Sie haben Ihre Terminologie falsch verstanden: Schalt-MOSFETs sind so konzipiert, dass sie zwischen dem Abschalten und dem ohmschen Bereich (auch bekannt als "Triodenbereich" oder - verwirrenderweise - "linearer Bereich") arbeiten, der der ist Bereich für Vds < Vgs – Tgs(th), in dem sich der MOSFET wie ein (Vgs-gesteuerter) Widerstand verhält. Der Sättigungsbereich in einem MOSFET ist der Bereich, in dem die Ausgangscharakteristiken im Wesentlichen horizontal sind (wobei Ids eine Funktion von Vgs allein ist – dh es ist unabhängig von Vds). Verwechseln Sie den Sättigungsbereich eines MOSFET nicht mit dem Sättigungsbereich eines BJT.

Antworten (4)

Ich hatte eine ähnliche Frage. Aus dem Lesen von Anwendungshinweisen und Präsentationsfolien von Unternehmen wie International Rectifier, Zetex, IXYS:

  • Der Trick liegt in der Wärmeübertragung. Im linearen Bereich leitet ein MOSFET mehr Wärme ab. Die für den linearen Bereich hergestellten MOSFETs sind für eine bessere Wärmeübertragung ausgelegt.
  • MOSFET für einen linearen Bereich könnte mit einer höheren Gate-Kapazität leben

IXYS-App-Hinweis IXAN0068 ( Magazinartikelversion )
Fairchild-App-Hinweis AN-4161

(+1) Fantastisch! Vielen Dank! Genau die Info die ich brauchte! Ich vermutete, dass auch Universitätsbücher (zumindest die, die ich gelesen habe) nicht die ganze Geschichte erzählten!
Das wollte ich mehr oder weniger posten. Die Fairchild App Note ist eine gute Quelle.
@gsills Wirklich interessantes Material, in der Tat!

Der Spirito-Effekt , bei dem es sich um eine thermische Instabilität handelt, die durch diese Schwellenspannung verursacht wird v T H einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, ist in der Regel eher ein Problem bei neuen MOSFETs.

Bei hohen Übersteuerungsspannungen (overdrive v Ö v = v G S − v T H ) weisen MOSFETs keine thermischen Instabilitäten auf, da ihr Kanalwiderstand einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Dies bewirkt eine gute Stromaufteilung zwischen den Geräten. Bei niedrigen Übersteuerungen ist die Stromaufteilung jedoch aufgrund der Schwellenspannung schlecht v T H hat ein negatives Tempco. Unter den richtigen Umständen führt dies zu thermischer Instabilität.

Neue MOSFETs (im Allgemeinen für das Schalten optimiert, weil dort der Markt ist) haben viel höhere Subthreshold-Ströme – mit anderen Worten, bei niedrigen Übersteuerungsspannungen führen sie mehr Strom und leiten mehr Wärme ab. Anders ausgedrückt: Bei Strömen, die für lineare Verstärker praktisch sind, benötigen neuere MOSFETs selbst trotz laufender Ampere nur sehr wenig Overdrive (ein Regime, das thermische Instabilität aufweist), 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 Wärmeableitungskapazität untergebracht würden, hätten sie daher immer noch kleinere SOAs (Safe Operating Areas). Erschwerend kommt hinzu, dass die Datenblätter der meisten Transistoren in der Regel keine genauen SOA-Kurven enthalten.

Wenn Sie neuere MOSFETs verwenden, entwerfen Sie mit großen Spielräumen (z. B. ein MOSFET, der 200 V sieht, könnte für 400 V spezifiziert sein) und erwarten Sie nicht, dass sie ihre SOA-Kurven aus dem Datenblatt einhalten, es sei denn, Sie testen sie.

Möchten Sie einige Links oder zusätzliche Informationen zu "Unterschwellstrom" und "Spirito-Effekt" bereitstellen? Ich habe diese Begriffe noch nie gehört. Während ich erraten kann, worauf sich ersteres bezieht, bin ich bei letzterem völlig ahnungslos.
Ja, wahrscheinlich wissen nur wenige, was der Sprito-Effekt ist, zumindest dem Namen nach. Aber siehe App-Hinweis an4161
Der Spirito-Effekt wird hier erklärt . Die Fairchild-App-Notiz in Nicks Antwort erwähnt dies als „thermische Instabilitätsgrenze“. Was Subthreshold-Ströme betrifft, so ist das nur eine andere Art zu sagen, dass der Strom bei niedrigen Übersteuerungen (overdrive v Ö v = v G S − v T H ) Der MOSFET führt viel Strom. Dies (kombiniert mit v T H 's negative tempco) verursacht die thermische Instabilität, die durch den Spirito-Effekt beschrieben wird.
Okay danke für die Erklärungen! Ich habe nur die von Nick verlinkten Dokumente überflogen.
Äußerst interessant, den Artikel zu lesen, den Sie in Ihrem Kommentar über den Spirito-Effekt verlinkt 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. JPL kehrte dann zu „älteren Teilen“ zurück und vertraute darauf, dass der Hersteller das Problem ankündigte; Dies geschah jedoch nie . Möchten Sie Ihre Antwort so bearbeiten, dass sie das enthält, was Sie im Kommentar gesagt haben? Es wäre eine sinnvolle Verbesserung.

Ja, Sie können Leistungs-MOSFETs verwenden, die für Schaltanwendungen in ihrem linearen Bereich vorgesehen sind, aber dies ist nicht das, was ich für Ihren Zweck empfehle.

Bleiben Sie bei BJTs für Demonstrationsverstärker. Der Grund dafür ist, dass ihre Vorspannungsanforderungen hinsichtlich der Spannung besser vorhersagbar sind und es daher einfacher ist, Schaltungen zu erstellen, um sie sinnvoll vorzuspannen.

MOSFETs weisen erhebliche Teil-zu-Teil-Variationen in der Gate-Schwellenspannung auf, bei der es sich um die Gate-Spannung handelt, bei der ein kleiner dV-Wert die größte Ausgangsänderung bewirkt. Bei FETs, die zum Schalten vorgesehen sind, ist es wünschenswert, diesen Übergangsbereich zu minimieren, aber für einen linearen Betrieb möchten Sie, dass er gespreizt wird. Anders ausgedrückt, Sie möchten etwas "Vergebung" in der Gate-Spannung. Das Schalten von FETs kann Ihnen weniger geben. Das Design zum Vorspannen solcher FETs in ihrem linearen Bereich ist sehr pessimistisch, normalerweise mit größeren Source-Widerständen als Sie sonst verwenden würden, nur um eine gewisse Vorhersagbarkeit zu erhalten.

Es ist möglich, aber die zusätzliche Schaltung zum Einstellen des Vorspannungspunkts, wahrscheinlich mit zusätzlicher absichtlicher DC-Rückkopplung, wird von den anderen Konzepten des Verstärkerdesigns ablenken, es sei denn, Sie möchten dies natürlich lehren. Es klingt jedoch so, als wäre jeder Verstärker für die Schüler bereits eine Herausforderung, sodass das Hinzufügen dieser Komplikation das Ganze für sie undurchdringlich machen kann.

(+1) Danke für die nützlichen Einblicke! Leider unterrichte ich dieses Jahr kein EE-Design. Es ist nur ein "Dach"-Kurs über Elektronik für zukünftige Wartungstechniker im wärmetechnischen Bereich. Ich möchte ihnen nur verständlich machen, dass es einige Komponenten gibt, 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, fuhr ich fort, MOSFETs zu unterrichten, weil sie meinem Publikum etwas einfacher zu erklären sind. ...
... Im Laborteil geht es nicht wirklich um das Design, sondern um das Kennenlernen der Komponenten und der Messinstrumente. Für diese Studenten ist es nicht so wichtig, die Feinheiten zu verstehen, sondern in der Praxis zu sehen, dass mein ganzes Geschwätz über Lastlinien nicht nur Handwinken oder BS war. Mit anderen Worten, ich werde die Schaltungen entwerfen, sie werden sie nur montieren und überprüfen, ob sie wie erklärt funktionieren.

Lassen Sie uns zunächst die Terminologie klarstellen. Ein Schalttransistor ist im Idealfall entweder immer gesperrt oder gesättigt, egal ob er bipolar oder ein FET ist. Aus praktischen Gründen müssen Übergänge durch den linearen Bereich verlaufen. FETs haben eine zusätzliche Komplexität: die Widerstandsregion 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 die externe Schaltung richtig ausgelegt ist, sinkt die Drain-Source-Spannung ebenso schnell auf nominell ein Volt. An diesem Punkt wird es sich im Widerstandsbereich befinden, aber es wird auch, was noch wichtiger ist, gesättigt sein. Wenn Sie also beispielsweise 5 Ampere abführen, beträgt die im FET verbrauchte Leistung etwa 5 Watt.

Sie möchten den Transistor in einer Schaltung verwenden, die im linearen Bereich vorgespannt ist. Um es klar zu sagen, hier dreht sich alles um den externen Stromkreis. 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 Herstellerangaben für Verstärkung und Phasenverschiebung in Bezug auf die Frequenz. Für einen Schalter ist es Ihnen egal, also machen sie es Ihnen leicht, indem sie die Daten in einen Schaltzeitparameter anstelle von Frequenzparametern verarbeiten.

Wenn Sie versuchen würden, Verstärker herzustellen, würde es Sie interessieren, aber Sie demonstrieren nur einem Haufen grüner Kinder, also kümmern Sie sich auch nicht um den Frequenzgang. Ein Schalttransistor ist ein perfekter Verstärkungsblock, insbesondere für Ihre angegebenen wenigen Watt Ausgangsleistung - Sie können um Himmels willen einen kleinen Lautsprecher mit einem gemeinsamen Operationsverstärker ansteuern!

Sie müssen sich wirklich keine Gedanken über die Vorspannung machen: Koppeln Sie Ihr Eingangssignal mit einem kleinen Kondensator. Ihr kleiner Signalverstärker der Grundklasse A mit beispielsweise einer 30-Volt-Schiene wäre:

  1. Ein Spannungsteiler, der eine Vorspannung einstellt, z. B. 200 K-Schiene zu Gate und 100 K-Gate zu Masse. Dadurch erhalten Sie an Ihrem Gate-Knoten 10 Volt im Ruhezustand.

  2. Koppeln Sie den Eingang mit einem Kondensator an den Gate-Knoten.

  3. Platzieren Sie einen Widerstand von Source nach Masse - dies steuert Ihre Drain-Stromvorspannung. Verwenden Sie beispielsweise 0,5 k, um einen Drain-Ruhestrom von 20 mA zu erhalten - der von jedem Leistungstransistor problemlos ausgehalten wird.

  4. Schalten Sie einen 100-Ohm-Widerstand in Reihe mit Ihrer nominell 8-Ohm-Lautsprecherspule - denken Sie daran, dass ein Lautsprecher auf Stromänderungen reagiert, nicht auf Spannungsänderungen - seine Spule erzeugt ein variierendes Magnetfeld in einem Vormagnetisierungsfeld.

  5. Der Transistor nimmt die Verlustleistung auf, die nicht von diesen anderen Lasten getragen wird - höchstens 400 mW.

  6. Ihre Kleinsignalübertragungscharakteristik wird sein:

    v Abfluss = 30 − v ∗ G ∗ 108 500 = 30 − v ∗ G 5

wobei v Ihre Spitze-zu-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 in der Induktivität der Lautsprecherspule und Sie sehen im IV-Diagramm einen Kreis anstelle einer Lastlinie.

Variieren Sie die externen Komponenten nach Belieben. Einfach und ohne Schnickschnack. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihren Kindern gegenüber die irrelevante Natur des Gain-Blocks betonen. Spezifikationen sind nur für die Qualitätskontrolle in der Produktion von Bedeutung, aber für einen einmaligen Hack funktioniert alles.

Dies beantwortet die Frage nicht wirklich, obwohl ich die Mühe schätze, nützliche Informationen bereitzustellen. Übrigens sind sie keine Kinder, sondern Teenager, die lernen, Techniker zu werden. Was die Terminologie angeht ("... lassen Sie uns die Terminologie klarstellen."), haben Sie sich geirrt, sorry. Siehe meine Antwort auf einen Kommentar zu einer anderen Antwort hier in diesem Thread . Vergleichen Sie außerdem die Ausgangseigenschaften von BJTs und MOSFETs .
Die Etymologie des Begriffs „Sättigung“ für BJTs und MOSFETs bezieht sich nicht auf die Form und Position der Ausgangscharakteristiken, sondern auf die Phänomene, die innerhalb des Halbleiters auftreten. Während also ein BJTs in die Sättigung getrieben werden muss, um vollständig eingeschaltet zu sein, müssen Sie ihn für einen MOSFET in seinen ohmschen Bereich treiben. Der Sättigungsbereich für einen MOSFET ist analog zum aktiven Bereich eines BJT.
"... die Rohübertragungscharakteristik eines FET ist quadratisch, nicht linear" Dies gilt für gewöhnliche FETs, nicht für Leistungs-MOSFETs , bei denen es sich um eine andere Technologie handelt. Wenn Sie sich die Datenblatt-Links ansehen, die ich in der Frage bereitgestellt habe, werden Sie feststellen, dass die Übertragungscharakteristik nach einem anfänglichen Knie ziemlich linear ist.
"... die Drain-Source-Spannung wird ebenso schnell auf nominell ein Volt abfallen . An diesem Punkt befindet sie sich im Widerstandsbereich ...". Der Vds-Wert, der den ohmschen (resistiven) Bereich vom Sättigungs- ("aktiven") Bereich trennt, ist nicht festgelegt, er hängt von der Übersteuerungsspannung ab, dh der Differenz zwischen Vgs und der Schwellenspannung. Es könnte also 1 V, 4 V, 0,2 V oder was auch immer sein (abhängig vom Vgs-Pegel und dem spezifischen FET-Modell).
Kann ein Leistungs-MOSFET für Schaltanwendungen als linearer Verstärker verwendet werden?
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