스위칭 애플리케이션을위한 전력 MOSFET을 선형 증폭기로 사용할 수 있습니까?

오늘날 전력 MOSFET은 어디에나 존재하며 소매점에서도 상당히 저렴합니다. 대부분의 데이터 시트에서 파워 MOSFET은 선형 애플리케이션을 언급하지 않고 스위칭 등급을 받았습니다.

이러한 종류의 MOSFET을 선형 증폭기 (예 : 포화 영역)로도 사용할 수 있는지 알고 싶습니다.

MOSFET이 작동하는 기본 원리와 기본 모델 (AC 및 DC)을 알고 있으므로 "일반"MOSFET을 스위치 및 증폭기로 사용할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 교훈적인 목적으로 사용하는 일종의 반 이상적 장치).

여기서는 기본 EE 대학 교과서에서 건너 뛸 수있는 실제 장치에 대한 가능한주의 사항 에 관심 이 있습니다.

물론 이러한 부품을 사용하는 것이 스위칭에 최적화되어 있기 때문에 차선이 아닌 (잡음이 적거나 게인이 적거나 선형성이 더 나빠질 것임) 의심하지만 단순한 증폭기 회로를 손상시킬 수있는 선형 증폭기로 사용함으로써 발생할 수있는 미묘한 문제가 있습니까? 처음부터 낮은 주파수에서?

더 많은 맥락을 제시하기 위해 : 고등학교의 교사로서 나는 매우 저렴한 교훈적인 앰프 회로 (예 : 클래스 A 오디오 앰프-최대 2 와트)를 설계하기 위해 값싼 부품을 사용하려고합니다. 최고의 학생들에 의한 매트릭스 PCB). 예를 들어 BUK9535-55A 및 BS170을 포함하여 저렴하게 구할 수있는 부품도 있습니다. 있지만이 두 가지에 대한 구체적인 조언은 필요하지 않으며 이전에 말한 문제에 대한 일반적인 답변 만 필요합니다.

난 그냥 "이봐! 당신은 선형 파워 앰프로 사용될 때 스위칭 파워 모스가 이것을 할 수 있다는 것을 몰랐는가?!?" 죽은 (튀김, 진동, 걸쇠 등) 회로 앞에 서있는 상황!

나는 비슷한 질문을했다. International Rectifier, Zetex, IXYS와 같은 회사의 애플리케이션 노트 및 프리젠 테이션 슬라이드 읽기 :

• 트릭은 열전달에 있습니다. 선형 영역에서 MOSFET은 더 많은 열을 방출합니다. 선형 영역을 위해 만들어진 MOSFET은 더 나은 열전달을 갖도록 설계되었습니다.
• 선형 영역을위한 MOSFET은 더 높은 게이트 커패시턴스로 작동 가능

IXYS 앱 노트 IXAN0068 ( 잡지 기사 버전 )
Fairchild 앱 노트 AN-4161

스피 리토 효과 임계 전압 사실에 의해 야기되는 열적 불안정성이고, 음의 온도 계수는, 일반적으로 더 새로운 MOSFET의 문제이다.$V_{TH}$

높은 오버 드라이브 전압 (오버 드라이브 )에서 MOSFET은 채널 저항이 양의 온도 계수를 갖기 때문에 열 불안정성이 없습니다. 이로 인해 장치간에 전류가 잘 공유됩니다. 그러나 낮은 오버 드라이브에서는 임계 전압 V T H 가 음의 템코를 가지기 때문에 전류 공유가 좋지 않습니다. 올바른 상황에서 열 불안정이 발생합니다.$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$$V_{TH}$

새로운 MOSFET (일반적으로 스위칭에 최적화 된 시장)은 훨씬 높은 서브 임계 값 전류 , 즉 낮은 오버 드라이브 전압에서 더 많은 전류를 전달하고 더 많은 열을 방출합니다. 이것을 말하는 또 다른 방법은 선형 증폭기에 실용적인 전류에서 전류가 흐르고 있음에도 불구하고 새로운 MOSFET은 오버 드라이브가 많은 조상과는 달리 조그마한 오버 드라이브 (열 불안정성을 나타내는 체제)가 거의 필요하지 않다는 것입니다. 큰 열 안정성).

따라서 최신 MOSFET을 동일한 열 제거 용량을 가진 동일한 패키지에 배치하더라도 더 작은 SOA (Safe Operating Areas)를 갖습니다. 일반적인 규칙의 일종으로 문제를 더욱 복잡하게 만드는 대부분의 트랜지스터 데이터 시트에는 정확한 SOA 곡선이 없습니다.

최신 MOSFET을 사용할 때는 넓은 마진 (예 : 200V를 보는 MOSFET이 400V로 지정 될 수 있음)으로 설계하고 테스트하지 않는 한 데이터 시트 SOA 곡선을 유지할 것으로 기대하지 않습니다.

그렇습니다. 선형 영역에서 애플리케이션을 전환하기위한 전력 MOSFET을 사용할 수 있지만 이것이 귀하의 목적에 권장되는 것은 아닙니다.

데모 앰프를 위해 BJT를 고수하십시오. 그 이유는 바이어스 요구 사항이 전압에서보다 예측 가능하기 때문에 회로를 생성하여 유용하게 바이어스하는 것이 더 쉽기 때문입니다.

MOSFET은 게이트 임계 값 전압에서 상당한 부분마다 변동이 있으며, 이는 작은 dV가 가장 큰 출력 변화를 일으키는 게이트 전압입니다. 스위칭을위한 FET를 사용하면이 전이 영역을 최소화하는 것이 바람직하지만 선형 작동을 위해서는 FET가 확산되기를 원합니다. 다시 말해, 게이트 전압에 "용서"가 필요합니다. 스위칭 FET는 줄어 듭니다. 선형 영역에서 이러한 FET를 바이어 싱하기위한 설계는 예측 가능성을 높이기 위해 일반적으로 사용하는 것보다 더 큰 소스 저항을 갖는 매우 비관적입니다.

물론 추가적인 고의적 인 DC 피드백을 통해 바이어스 포인트를 설정하는 추가 회로는 물론, 가르치고 자하는 것이 아니라면 증폭기 설계의 다른 개념에서 벗어나게됩니다. 그러나 모든 앰프가 이미 학생들에게 뻗어있는 것처럼 들리 므로이 합병증을 추가하면 모든 것이 그들에게 타협 할 수 없게 될 수 있습니다.

먼저 용어를 똑바로 살펴 보겠습니다. 스위칭 트랜지스터는 바이폴라이든 FET이든, 항상 차단 또는 포화 상태에있는 것이 이상적입니다. 실질적으로 전환은 선형 영역을 통과해야합니다. FET는 더 작은 복잡성을 가진다 : 작은 값의 드레인-소스 전압을위한 저항 영역. 더욱이, FET의 원시 전달 특성은 선형이 아니라 2 차적이다. 스위치를 켜면 FET가 빠르게 포화되고 외부 회로가 올바르게 설계되면 드레인 소스 전압이 공칭 적으로 1V로 빠르게 내려갑니다. 이 시점에서, 그것은 저항 영역에있을 것이지만, 더 중요하게는 포화 될 것입니다. 예를 들어, 5 암페어를 덤프하는 경우 FET에서 소비되는 전력은 약 5 와트가됩니다.

선형 영역에서 바이어스되는 회로에서 트랜지스터를 사용하려고합니다. 분명히 이것은 외부 회로에 관한 것입니다. 게인 블록은 게인 블록입니다. BJT, FET, MOSFET 또는 연산 증폭기인지 여부는 중요하지 않습니다. 스위칭 트랜지스터를 사용하여 잃어버린 것은 주파수와 관련된 게인 및 위상 변이에 대한 제조업체 사양입니다. 스위치의 경우 신경 쓰지 않으므로 데이터를 주파수 매개 변수 대신 스위칭 시간 매개 변수로 처리하여 쉽게 처리 할 수 ​​있습니다.

앰프를 제조하려고한다면 관심이있을 것입니다.하지만 많은 녹색 아이들에게 시연하고 있으므로 주파수 응답에 대해서도 신경 쓰지 않아도됩니다. 스위칭 트랜지스터는 특히 언급 된 몇 와트의 출력에 대해 완벽하게 좋은 게인 블록을 만듭니다. 좋은 연산을 위해 공통 연산 증폭기가있는 소형 스피커를 구동 할 수 있습니다!

바이어스에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 입력 신호를 작은 커패시터와 결합하십시오. 기본 클래스 30 볼트 레일이있는 소형 신호 증폭기는 다음과 같습니다.

1. 전압 분배기 설정 바이어스 (예 : 200K 레일 투 게이트 및 100k 게이트 투 접지). 이것은 게이트 노드에서 대기 10 볼트를 제공합니다.
2. 입력을 커패시터로 게이트 노드에 연결하십시오.
3. 소스에서 접지로 저항을 배치하면 드레인 전류 바이어스가 제어됩니다. 전력 트랜지스터에 의해 쉽게 견딜 수있는 20mA의 대기 드레인 전류를 제공하려면 .5k를 사용하십시오.
4. 공칭 8ohm 스피커 코일과 100ohm 저항을 직렬로 배치하십시오. 스피커는 전압이 아니라 전류의 변화에 ​​반응합니다. 코일은 바이어스 필드에서 다양한 자기장을 생성합니다.
5. 트랜지스터는 이러한 다른 부하에 의해 전달되지 않는 전력 손실 (최대 400mW)을 픽업합니다.

6. 작은 신호 전송 특성은 다음과 같습니다.

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

여기서 v는 피크 대 피크 신호 ​​전압이고 G는 트랜지스터의 트랜스 컨덕턴스이며 다른 값은 레일 전압 및 부하 저항입니다. 화려하게 만들고 싶다면 스피커 코일의 인덕턴스로 작업하면 IV 다이어그램에로드 라인 대신 원이 표시됩니다.

외부 구성 요소를 원하는대로 바꿉니다. 단순하고 말도 안됩니다. 게인 블록의 관련성이없는 특성을 자녀에게 강조하십시오. 사양은 생산 품질 관리에만 중요하지만 단 한 번의 해킹에 대해서는 모든 것이 작동합니다.