¿Puede utilizarse un MOSFET de potencia para aplicaciones de conmutación como amplificador lineal?

Question

Los MOSFET de potencia son hoy en día omnipresentes y bastante baratos también en el mercado. En la mayoría de las hojas de datos que he visto, los MOSFET de potencia están clasificados para la conmutación, sin mencionar ningún tipo de aplicaciones lineales.

Me gustaría saber si este tipo de MOSFETs se puede utilizar también como amplificador lineal (es decir, en su región de saturación).

Tenga en cuenta que conozco los principios básicos de funcionamiento de los MOSFET y sus modelos básicos (CA y CC), por lo que sé que un MOSFET "genérico" puede utilizarse tanto como interruptor como amplificador (con "genérico" me refiero al tipo de dispositivo semi-ideal que uno utiliza con fines didácticos).

Aquí me interesan las posibles advertencias reales para dispositivos prácticos que podría omitirse en los libros de texto básicos de EE.

Por supuesto, sospecho que el uso de estas piezas será subóptimo (¿más ruidoso? ¿menos ganancia? ¿peor linealidad?), ya que están optimizadas para la conmutación, pero ¿hay problemas sutiles que puedan surgir al usarlas como amplificadores lineales que puedan comprometer los circuitos amplificadores simples (a baja frecuencia) desde el principio?

Para dar más contexto: como profesor en un instituto estoy tentado de usar esas piezas baratas para diseñar circuitos amplificadores didácticos muy sencillos (por ejemplo, amplificadores de audio de clase A - un par de vatios como máximo) que se pueden montar en una protoboard (y posiblemente construir en una PCB matriz por los mejores estudiantes). Algunas piezas que tengo (o podría tener) disponibles de forma barata, por ejemplo, son BUK9535-55A y BS170 Pero no necesito un consejo específico para esos dos, sólo una respuesta general sobre posibles problemas en relación con lo que he dicho antes.

Sólo quiero evitar una situación de "¡Oye! ¿No sabías que los mos de potencia de conmutación podían hacer esto y esto cuando se usan como amplificadores lineales?" al estar frente a un circuito muerto (frito, oscilante, enganchado,... o lo que sea).

Answer 1

Yo tenía una pregunta similar. De la lectura de notas de aplicación y diapositivas de presentación de empresas como International Rectifier, Zetex, IXYS..:

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

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

Answer 2

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

A altas tensiones de sobremarcha (sobremarcha \$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 reparto de la corriente entre los dispositivos. Sin embargo, a bajas sobrevelocidades, el reparto de corriente es deficiente porque la tensión de umbral \$V_{TH}\$ tiene un tempco negativo. En las circunstancias adecuadas, esto conduce a la inestabilidad térmica.

Los nuevos MOSFETs (generalmente optimizados para la conmutación, porque ahí es donde está el mercado) tienen mucho más corrientes de subumbral -- en otras palabras, a bajas tensiones de sobrecarga, 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 correr amperios de corriente, los nuevos MOSFETs necesitan muy poca sobremarcha (un régimen que exhibe inestabilidad térmica), a diferencia de sus ancestros que necesitaban mucha sobremarcha (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 eliminación de calor, seguirían teniendo SOA (áreas de funcionamiento seguro) más pequeñas. Para complicar aún más el asunto, como regla general, la mayoría de las hojas de datos de los transistores no tienen curvas de SOA precisas.

Cuando se utilicen MOSFETs nuevos, hay que diseñar con márgenes amplios (por ejemplo, un MOSFET que ve 200V puede estar especificado para 400V) y no hay que esperar que se ajusten a sus curvas SOA de la hoja de datos a menos que se pruebe.

Answer 3

Sí, puedes utilizar MOSFETs de potencia destinados a aplicaciones de conmutación en su región lineal, pero no es lo que recomiendo para tu propósito.

Utiliza los BJT para los amplificadores de demostración. La razón es que sus requisitos de polarización son más predecibles en cuanto a la tensión y, por tanto, es más fácil crear circuitos para polarizarlos de forma útil.

Los MOSFETs tienen una variación significativa de parte a parte en la tensión de umbral de puerta, que es la tensión de puerta en la que un pequeño dV provoca el mayor cambio de salida. En el caso de los FET destinados a la conmutación, es deseable minimizar esta región de transición, pero para el funcionamiento lineal se desea que esté repartida. Dicho de otro modo, se quiere un poco de "perdón" en la tensión de puerta. Los FETs de conmutación pueden dar menos. El diseño para la polarización de estos FETs en su región lineal acaba siendo muy pesimista, normalmente con resistencias de fuente más grandes de las que se utilizarían en otro caso, sólo para conseguir algo de previsibilidad.

Se puede hacer, pero el circuito adicional para establecer el punto de polarización, probablemente con retroalimentación adicional de CC deliberada, restará importancia a los otros conceptos del diseño del amplificador, a menos que, por supuesto, eso es lo que quieres enseñar. Sin embargo, parece que cualquier amplificador ya es un esfuerzo para los estudiantes, por lo que añadir esta complicación puede hacer que todo sea impenetrable para ellos.

Answer 4

En primer lugar, aclaremos la terminología. Lo ideal es que un transistor de conmutación esté siempre en corte o en saturación, tanto si es bipolar como si es un FET. En la práctica, las transiciones deben pasar por la región lineal. Los FET tienen una complejidad añadida: la región resistiva para valores pequeños de tensión drenaje-fuente. Además, la característica de transferencia bruta de un FET es cuadrática, no lineal. Cuando se conmuta, un FET se satura rápidamente y, si el circuito externo está diseñado correctamente, la tensión de drenaje-fuente se desliza con la misma rapidez hasta llegar a un voltio nominal. En ese punto, estará en la región resistiva, pero también, y más importante, estará saturado. Así que, por ejemplo, si está descargando 5 amperios, la potencia disipada en el FET será de unos 5 vatios.

Quieres utilizar el transistor en un circuito que esté polarizado en la región lineal. Para que quede claro, todo esto tiene que ver con el circuito externo. Un bloque de ganancia es un bloque de ganancia. No importa en absoluto si es un BJT, un FET, un MOSFET o un amplificador. Lo único que se pierde al utilizar un transistor de conmutación son las especificaciones del fabricante en cuanto a ganancia y desplazamiento de fase con respecto a la frecuencia. En el caso de un conmutador, no te importa, así que te lo ponen fácil procesando los datos en un parámetro de tiempo de conmutación en lugar de parámetros de frecuencia.

Si estuvieras tratando de fabricar amplificadores, te importaría, pero sólo estás haciendo una demostración a un grupo de niños verdes, así que tampoco te importa la respuesta en frecuencia. Un transistor de conmutación es un bloque de ganancia perfectamente bueno, especialmente para sus pocos vatios de salida declarados - ¡puede conducir un pequeño altavoz con un amplificador operativo común, por el amor de Dios!

Realmente no necesitas preocuparte por la polarización: acopla tu señal de entrada con un pequeño condensador. Tu amplificador básico de clase A de pequeña señal con, digamos, un raíl de 30 voltios sería:

1. Un divisor de voltaje que ajuste el sesgo, digamos 200K carril a puerta y 100k puerta a tierra. Esto le da un quiescente 10 voltios en su puerta nodo.

2. Acoplar la entrada al nodo de la puerta con un condensador.

3. Coloque una resistencia de la fuente a tierra - esto controla su drenaje de drenaje. Utilice, por ejemplo, 0,5k para dar una corriente de drenaje quiescente de 20mA - fácilmente soportada por cualquier transistor de potencia.

4. Coloque una resistencia de 100 ohmios en serie con la bobina del altavoz de 8 ohmios. bobina del altavoz - recuerde que un altavoz responde a cambios en la corriente, no tensión - su bobina crea un campo magnético variable en un campo de polarización.

5. El transistor recogerá cualquier disipación de energía que no sea que no sea transportada por estas otras cargas, como máximo 400 mW.

6. Su característica de transferencia de señales pequeñas será:

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

donde v es la tensión de pico a pico de la señal, G es la transconductancia del transistor y los otros valores son la tensión de carril y las resistencias de carga. Si quieres ponerte elegante, trabaja en la inductancia de la bobina del altavoz y verás un círculo en lugar de una línea de carga en el diagrama I-V.

Varía los componentes externos a tu gusto. Simple y sin tonterías. Asegúrese de recalcar a sus hijos la naturaleza irrelevante del bloque de ganancia. Las especificaciones sólo importan para el control de calidad de la producción, pero para un hack único, cualquier cosa funciona.