用于开关应用的功率 MOSFET 可以用作线性放大器吗?

电器工程 场效应管 放大器 声音的 线性的
2022-01-15 12:07:56

如今,功率 MOSFET 无处不在,而且零售价也相当便宜。在大多数数据表中,我看到功率 MOSFET 是额定用于开关的,没有提到任何类型的线性应用。

我想知道这些类型的MOSFET是否也可以用作线性放大器(即在它们的饱和区)。

请注意,我知道 MOSFET 工作的基本原理及其基本模型(交流和直流),所以我知道“通用”MOSFET 既可以用作开关也可以用作放大器(“通用”是指一种用于教学目的的半理想设备)。

在这里,我对可能在基本 EE 大学教科书中跳过的实用设备的实际可能警告感兴趣。

当然,我怀疑使用这些部件将不是最佳的(噪音更大?增益更小?线性度更差?),因为它们针对开关进行了优化,但是将它们用作可能损害简单放大器电路的线性放大器可能会出现微妙的问题(在低频)从一开始?

提供更多背景信息:作为一名高中教师,我很想使用如此便宜的零件来设计非常简单的教学放大器电路(例如 A 类音频放大器 - 最大几瓦),可以在面包板上制作(并且可能建立在最好的学生的矩阵PCB)。例如,我拥有(或我可以拥有)廉价的一些部件,包括BUK9535-55ABS170,但我不需要针对这两者的具体建议,只需对我之前所说的可能存在的问题进行一般性回答。

我只是想避免某种“嘿!你不知道开关电源mos在用作线性放大器时可以做到这一点吗?!?” 站在死(油炸,振荡,锁定,......或其他)电路前面的情况!

4个回答

我有一个类似的问题。通过阅读 International Rectifier、Zetex、IXYS 等公司的应用说明和演示幻灯片:

  • 诀窍在于传热。在线性区域,MOSFET 会散发更多热量。为线性区域制造的 MOSFET 旨在具有更好的热传递。
  • 用于线性区域的 MOSFET 可以承受更高的栅极电容

IXYS 应用笔记IXAN0068杂志文章版
Fairchild 应用笔记AN-4161

Spirito 效应是由阈值电压 \$V_{TH}\$ 具有负温度系数这一事实引起的热不稳定性,通常在新的 MOSFET 中更容易出现问题。

在高过驱动电压下(过驱动 \$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}\$),MOSFET 没有热不稳定性,因为它们的沟道电阻具有正温度系数。这会导致设备之间良好的电流共享。然而,在低过载时,电流共享很差,因为阈值电压 \$V_{TH}\$ 具有负温度系数。在适当的情况下,这会导致热不稳定。

新的 MOSFET(通常针对开关进行优化,因为这是市场所在)具有更高的亚阈值电流- 换句话说,在低过驱动电压下,它们承载更多电流并散发更多热量。另一种说法是:在适用于线性放大器的电流下,即使运行安培的电流,较新的 MOSFET 也需要很少的过载(表现出热不稳定性的状态),不像它们的祖先需要大量过载(具有良好的热稳定性)。

因此,即使将较新的 MOSFET 放置在具有相同散热能力的相同封装中,它们仍将具有更小的 SOA(安全工作区)。更复杂的是,作为一般规则,大多数晶体管的数据表没有准确的 SOA 曲线。

当使用较新的 MOSFET 时,设计具有较大的余量(例如,看到 200V 的 MOSFET 可能指定为 400V)并且不要指望它们能够坚持其数据表 SOA 曲线,除非您对其进行测试。

是的,您可以在其线性区域使用用于开关应用的功率 MOSFET,但这不是我为您推荐的用途。

坚持使用 BJT 进行演示放大器。原因是它们的偏置要求在电压上更容易预测,因此更容易创建有效偏置它们的电路。

MOSFET 在栅极阈值电压中具有显着的部件间变化,这是一个小的 dV 导致最大输出变化的栅极电压。对于用于开关的 FET,希望最小化此过渡区域,但对于线性操作,您希望将其展开。换句话说,您希望栅极电压有一些“宽恕”。开关 FET 可能会给您带来更少的收益。在其线性区域中偏置此类 FET 的设计最终非常悲观,通常使用比您原本使用的更大的源电阻,只是为了获得一些可预测性。

可以这样做,但是设置偏置点的额外电路,可能带有额外的有意 DC 反馈,会减损放大器设计的其他概念,除非这当然是你想教的。然而,听起来任何扩音器对学生来说已经是一种延伸,因此添加这种复杂性可能会使整个事情对他们来说难以理解。

首先,让我们弄清楚术语。理想情况下,开关晶体管要么始终处于截止状态,要么处于饱和状态,无论它是双极型还是 FET。实际上,转换必须通过线性区域。FET 具有额外的复杂性:用于小值漏源电压的电阻区域。此外,FET 的原始传输特性是二次的,而不是线性的。切换时,FET 将迅速饱和,如果外部电路设计正确,漏源电压将同样迅速下降到标称 1 伏。那时,它将处于电阻区域,但更重要的是,它也会饱和。因此,例如,如果您正在倾倒 5 安培,则 FET 中消耗的功率约为 5 瓦。

您想在线性区域偏置的电路中使用晶体管。需要明确的是,这都是关于外部电路的。增益块是增益块。无论是 BJT、FET、MOSFET 还是运算放大器,都无关紧要。使用开关晶体管唯一会失去的是制造商关于频率的增益和相移规格。对于开关,您不在乎,因此它们通过将数据处理为开关时间参数而不是频率参数,使您更容易。

如果您尝试制造放大器,您会关心,但您只是在向一群绿色孩子演示,所以您也不关心频率响应。开关晶体管是一个非常好的增益模块,特别是对于你所说的几瓦输出 - 你可以用一个普通的运算放大器驱动一个小型扬声器!

你真的不需要担心偏置:用一个小电容耦合你的输入信号。您的基本 A 类小信号放大器,例如 30 伏电压轨将是:

  1. 分压器设置偏置,例如 200K 轨到栅极和 100k 栅极到地。这为您的栅极节点提供了 10 伏的静态电压。

  2. 用一个电容器将输入耦合到栅极节点。

  3. 在源极到地之间放置一个电阻器 - 这可以控制您的漏极电流偏置。使用 0.5k 来提供 20mA 的静态漏极电流 - 任何功率晶体管都可以轻松承受。

  4. 将一个 100 欧姆的电阻与标称 8 欧姆的扬声器线圈串联 - 请记住,扬声器会响应电流的变化,而不是电压的变化 - 它的线圈会在偏置场中产生变化的磁场。

  5. 晶体管将吸收这些其他负载不承载的任何功耗 - 最多 400 mW。

  6. 您的小信号传输特性将是:

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

其中 v 是您的峰峰值信号电压,G 是晶体管的跨导,其他值是轨电压和负载电阻。如果你想变得花哨,在扬声器线圈的电感中工作,你会在 IV 图中看到一个圆圈而不是负载线。

随意改变外部组件。很简单,没有废话。请务必向您的孩子强调增益块的不相关性质。规格只对生产质量控制很重要,但对于一次性黑客来说,任何事情都有效。