Um MOSFET de potência para aplicações de comutação pode ser usado como um amplificador linear?

MOSFETs de energia hoje em dia são onipresentes e razoavelmente baratos também no varejo. Na maioria das folhas de dados, vi MOSFETs de potência são classificados para comutação, sem mencionar qualquer tipo de aplicação linear.

Eu gostaria de saber se esses tipos de MOSFETs também podem ser usados ​​como amplificador linear (ou seja, na região de saturação).

Observe que eu conheço os princípios básicos sobre os quais os MOSFETs funcionam e seus modelos básicos (CA e CC); portanto, sei que um MOSFET "genérico" pode ser usado tanto como comutador quanto como amplificador (com "genérico", quero dizer o tipo de dispositivo semi-ideal usado para fins didáticos).

Aqui, estou interessado em possíveis advertências reais para dispositivos práticos que podem ser ignorados nos livros didáticos básicos da universidade de EE.

É claro que suspeito que o uso de tais partes seja subótimo (mais barulhento? Menos ganho? Pior linearidade?), Pois são otimizados para comutação, mas existem problemas sutis que podem surgir usando-os como amplificadores lineares que podem comprometer circuitos amplificadores simples ( a baixa frequência) desde o início?

Para dar mais contexto: como professor de uma escola secundária, sou tentado a usar peças tão baratas para projetar circuitos didáticos de amplificadores muito simples (por exemplo, amplificadores de áudio classe A - um par de watts no máximo) que podem ser suportados (e possivelmente baseados em PCB matricial pelos melhores alunos). Algumas partes que eu tenho (ou eu poderia ter) disponíveis a baixo custo, por exemplo, incluem BUK9535-55A e BS170 , mas não preciso de conselhos específicos para essas duas, apenas uma resposta geral sobre possíveis problemas por causa do que eu disse antes.

Eu só quero evitar algum tipo de "Ei! Você não sabia que a troca de energia poderia fazer isso e aquilo quando usado como amplificadores lineares?!?" situação em frente a um circuito morto (frito, oscilante, travado, ... ou o que seja)!

Eu tive uma pergunta semelhante. Desde a leitura das notas de aplicação e slides de apresentação de empresas como a International Rectifier, Zetex, IXYS:

• O truque está na transferência de calor. Na região linear, um MOSFET estará dissipando mais calor. Os MOSFETs feitos para a região linear são projetados para ter uma melhor transferência de calor.
• MOSFET para uma região linear poderia viver com maior capacitância de porta

Nota do aplicativo IXYS IXAN0068 ( versão do artigo da revista )
Nota do aplicativo Fairchild AN-4161

O Efeito Spirito , que é uma instabilidade térmica causada pelo fato de a tensão limiar ter um coeficiente de temperatura negativo, geralmente é mais um problema em novos MOSFETs.$V_{TH}$

$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$$V_{TH}$

Os novos MOSFETs (geralmente otimizados para comutação, porque é onde o mercado está) têm correntes sublimiares muito mais altas - em outras palavras, em baixas tensões de overdrive, elas carregam mais corrente e dissipam mais calor. Outra maneira de dizer isso é: em correntes que são práticas para amplificadores lineares, mesmo com os atuais amplificadores de corrente, os MOSFET mais novos precisam de muito pouco overdrive (um regime que exibe instabilidade térmica), diferentemente de seus ancestrais que precisavam de muito overdrive (um regime com ótima estabilidade térmica).

Assim, mesmo que os MOSFETs mais recentes fossem colocados nas mesmas embalagens com a mesma capacidade de remoção de calor, eles ainda teriam SOAs menores (áreas operacionais seguras). Para complicar ainda mais o assunto, como uma regra geral, a maioria das planilhas de dados dos transistores não possui curvas SOA precisas.

Ao usar MOSFETs mais recentes, projete com margens amplas (por exemplo, um MOSFET que veja 200V pode ser especificado para 400V) e não espere que eles mantenham suas curvas SOA da folha de dados, a menos que você as teste.

Sim, você pode usar MOSFETs de energia destinados a alternar aplicativos em sua região linear, mas isso não é o que eu recomendo para sua finalidade.

Atenha-se aos BJTs para amplificadores de demonstração. O motivo é que seus requisitos de polarização são mais previsíveis em voltagem e, portanto, é mais fácil criar circuitos para polarizá-los de maneira útil.

Os MOSFETs têm variação significativa de parte a parte na tensão limite do gate, que é a tensão do gate na qual um pequeno dV causa a maior alteração de saída. Com os FETs destinados à comutação, é desejável minimizar essa região de transição, mas para a operação linear, você deseja que ela seja espalhada. Dito de outra forma, você quer um "perdão" na tensão do portão. A troca de FETs pode oferecer menos. O design para polarizar esses FETs em sua região linear acaba sendo muito pessimista, geralmente com resistores de fonte maiores do que você usaria normalmente, apenas para obter alguma previsibilidade.

Isso pode ser feito, mas o circuito extra para definir o ponto de polarização, provavelmente com feedback DC deliberado adicional, prejudicará os outros conceitos do projeto do amplificador, a menos que, é claro, o que você queira ensinar. No entanto, parece que qualquer amplificador já é um exagero para os alunos, portanto, adicionar essa complicação pode tornar tudo impenetrável para eles.

Primeiro, vamos esclarecer a terminologia. Idealmente, um transistor de comutação está sempre em corte ou saturação, seja bipolar ou FET. Por uma questão prática, as transições devem passar pela região linear. Os FETs têm uma complexidade adicional: a região resistiva para pequenos valores de tensão da fonte de drenagem. Além disso, a característica de transferência bruta de um FET é quadrática, não linear. Quando comutado, um FET saturará rapidamente e, se o circuito externo for projetado corretamente, a tensão da fonte de drenagem também deslizará rapidamente para nominalmente um volt. Nesse ponto, ele estará na região resistiva, mas também será, mais importante, saturado. Por exemplo, se você estiver gastando 5 amperes, a energia dissipada no FET será de cerca de 5 watts.

Você deseja usar o transistor em um circuito polarizado na região linear. Para ser claro, isso é tudo sobre o circuito externo. Um bloco de ganho é um bloco de ganho. Não importa se é um BJT, um FET, um MOSFET ou um amplificador operacional. A única coisa que você perde ao usar um transistor de comutação são as especificações do fabricante para ganho e mudança de fase em relação à frequência. Para um comutador, você não se importa, então eles facilitam o processamento dos dados em um parâmetro de tempo de comutação em vez de parâmetros de frequência.

Se você estava tentando fabricar amplificadores, você se importaria, mas está apenas demonstrando para um monte de garotos verdes, para que você também não se importe com a resposta em frequência. Um transistor de comutação produz um bloco de ganho perfeitamente bom, especialmente para os poucos watts de saída declarados - você pode dirigir um alto-falante pequeno com um amplificador operacional comum, pelo amor de Deus!

Você realmente não precisa se preocupar com polarização: junte seu sinal de entrada com um pequeno capacitor. Sua classe básica Um pequeno amplificador de sinal com um trilho de 30 volts seria:

1. Um viés de configuração do divisor de tensão, digamos 200K de trilho para portão e 100k de portão para terra. Isso fornece 10 volts inativos no nó do seu portão.
2. Acople a entrada ao nó do portão com um capacitor.
3. Coloque um resistor da fonte ao terra - isso controla o viés da corrente de drenagem. Use, digamos, 0,5k para fornecer uma corrente de dreno quieta de 20mA - suportada facilmente por qualquer transistor de potência.
4. Coloque um resistor de 100ohm em série com sua bobina de alto-falante nominal de 8ohm - lembre-se, um alto-falante responde a mudanças na corrente, não na tensão - sua bobina cria um campo magnético variável em um campo de polarização.
5. O transistor capta qualquer dissipação de energia que não seja transportada por essas outras cargas - no máximo 400 mW.

6. Sua pequena característica de transferência de sinal será:

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

onde v é sua tensão de pico a pico, G é a transcondutância do transistor e os outros valores são a tensão do trilho e as resistências de carga. Se você quiser ser sofisticado, trabalhe na indutância da bobina do alto-falante e verá um círculo em vez de uma linha de carga no diagrama IV.

Varie os componentes externos a seu gosto. Simples, e sem sentido. Certifique-se de enfatizar para seus filhos a natureza irrelevante do bloco de ganhos. As especificações são importantes apenas para o controle de qualidade da produção, mas, para um hack único, tudo funciona.