¿Se puede utilizar un MOSFET de potencia para la aplicación de conmutación como un amplificador lineal?

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

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

Tenga en cuenta que conozco los principios básicos sobre los que funcionan los MOSFET y sus modelos básicos (AC y DC), por lo que sé que un MOSFET "genérico" se puede utilizar como interruptor y como amplificador (con "genérico" me refiero a tipo de dispositivo semi ideal que uno usa para fines didácticos).

Aquí estoy interesado en posibles advertencias reales para dispositivos prácticos que podrían omitirse en los libros de texto básicos de EE.

Por supuesto, sospecho que el uso de tales partes será subóptimo (¿más ruidoso? ¿Menor ganancia? ¿Peor linealidad?), Ya que están optimizadas para la conmutación, pero ¿existen problemas sutiles que pueden surgir al usarlos como amplificadores lineales que pueden comprometer los circuitos de amplificador simples ( a baja frecuencia) desde el principio?

Para dar más contexto: como profesor en una escuela secundaria, me siento tentado a usar piezas tan baratas para diseñar circuitos amplificadores didácticos muy simples (por ejemplo, amplificadores de audio de clase A, un par de vatios máximo) que se pueden incorporar (y posiblemente construir) PCB matriz por los mejores estudiantes). Algunas partes que tengo (o podría tener) disponibles a bajo precio, por ejemplo, incluyen BUK9535-55A y BS170 , pero no necesito consejos específicos para esos dos, solo una respuesta general sobre posibles problemas con lo que dije antes.

Solo quiero evitar algún tipo de "¡Hey! ¿No sabías que la potencia de conmutación podría hacer esto y esto cuando se usa como amplificador lineal?" ¡Situación frente a un circuito muerto (frito, oscilante, enclavado, ... o lo que sea)!

Tuve una pregunta similar. Leyendo notas de aplicación y diapositivas de presentación de compañías como International Rectifier, Zetex, IXYS:

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

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

$V_{TH}$

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

Los nuevos MOSFET (generalmente optimizados para la conmutación, porque allí es donde está el mercado) tienen corrientes subliminales mucho más altas ; en otras palabras, a bajos voltajes de sobremarcha, transportan más corriente y disipan más calor. Otra forma de decir esto es: en corrientes que son prácticas para amplificadores lineales, incluso a pesar de ejecutar amperios de corriente, los MOSFET más nuevos necesitan muy poca sobremarcha (un régimen que exhibe inestabilidad térmica), a diferencia de sus antepasados ​​que necesitaban mucha sobremarcha (un régimen con Gran estabilidad térmica).

Por lo tanto, incluso si los MOSFET más nuevos se colocasen en los mismos paquetes con la misma capacidad de eliminación de calor, aún tendrían SOA (áreas de operación seguras) más pequeñas. Para complicar aún más el asunto, como una especie de regla general, la mayoría de las hojas de datos de los transistores no tienen curvas SOA precisas.

Cuando use MOSFET más nuevos, diseñe con márgenes amplios (por ejemplo, un MOSFET que vea 200V podría especificarse para 400V) y no espere que se mantengan a la altura de sus curvas SOA de la hoja de datos a menos que los pruebe.

Sí, puede usar MOSFET de potencia destinados a cambiar aplicaciones en su región lineal, pero esto no es lo que recomiendo para su propósito.

Apéguese a los BJT para amplificadores de demostración. La razón es que sus requisitos de polarización son más predecibles en voltaje y, por lo tanto, es más fácil crear circuitos para polarizarlos de manera útil.

Los MOSFET tienen una variación significativa de parte a parte en el voltaje del umbral de la puerta, que es el voltaje de la puerta al que un pequeño dV causa el mayor cambio de salida. Con los FET destinados a la conmutación, es deseable minimizar esta región de transición, pero para una operación lineal le gustaría que se extienda. Dicho de otra manera, quieres un poco de "perdón" en el voltaje de la puerta. Cambiar FET puede darle menos. El diseño para polarizar tales FET en su región lineal termina siendo muy pesimista, generalmente con resistencias de fuente más grandes de las que usaría, solo para obtener cierta previsibilidad.

Se puede hacer, pero los circuitos adicionales para establecer el punto de polarización, probablemente con retroalimentación DC deliberada adicional, restarán valor a los otros conceptos del diseño del amplificador, a menos que, por supuesto, eso sea lo que quieras enseñar. Sin embargo, parece que cualquier amplificador ya es difícil para los estudiantes, por lo que agregar esta complicación puede hacer que todo sea impenetrable para ellos.

Primero, aclaremos la terminología. Idealmente, un transistor de conmutación siempre está cortado o saturado, ya sea bipolar o FET. Como cuestión práctica, las transiciones deben pasar a través de la región lineal. Los FET tienen una complejidad adicional: la región resistiva para valores pequeños de voltaje de fuente de drenaje. Además, la característica de transferencia sin procesar de un FET es cuadrática, no lineal. Cuando se conmuta, un FET se saturará rápidamente, y si el circuito externo está diseñado correctamente, el voltaje de la fuente de drenaje se deslizará igualmente rápidamente a un voltio nominal. En ese punto, estará en la región resistiva, pero también, lo que es más importante, estará saturado. Entonces, por ejemplo, si está descargando 5 amperios, la potencia disipada en el FET será de aproximadamente 5 vatios.

Desea utilizar el transistor en un circuito sesgado en la región lineal. Para ser claros, esto se trata del circuito externo. Un bloque de ganancia es un bloque de ganancia. No importa si se trata de un BJT, un FET, un MOSFET o un amplificador operacional. Lo único que pierde al usar un transistor de conmutación son las especificaciones del fabricante para ganancia y cambio de fase con respecto a la frecuencia. Para un cambio, no le importa, por lo que le facilitan el procesamiento de los datos en un parámetro de tiempo de cambio en lugar de parámetros de frecuencia.

Si intentara fabricar amplificadores, le importaría, pero solo se lo está demostrando a un grupo de niños verdes, por lo que tampoco le importa la respuesta de frecuencia. Un transistor de conmutación crea un bloque de ganancia perfectamente bueno, especialmente para los pocos vatios de salida indicados: ¡puede conducir un pequeño altavoz con un amplificador operacional común por amor de Dios!

Realmente no necesita preocuparse por la polarización: acople su señal de entrada con un pequeño condensador. Su amplificador de señal básica de clase A pequeña con un riel de 30 voltios sería:

1. Un sesgo de configuración del divisor de voltaje, digamos 200K riel a puerta y 100k puerta a tierra. Esto le da 10 voltios inactivos en su nodo de puerta.
2. Acople la entrada al nodo de puerta con un condensador.
3. Coloque una resistencia desde la fuente a tierra: esto controla su polarización de la corriente de drenaje. Use, digamos .5k para dar una corriente de drenaje inactiva de 20 mA, fácilmente soportada por cualquier transistor de potencia.
4. Coloque una resistencia de 100 ohmios en serie con su bobina de altavoz nominal de 8 ohmios; recuerde, un altavoz responde a los cambios de corriente, no de voltaje, su bobina crea un campo magnético variable en un campo de polarización.
5. El transistor recogerá cualquier disipación de potencia que no sea transportada por estas otras cargas, como máximo 400 mW.

6. Su pequeña característica de transferencia de señal será:

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

donde v es el voltaje de señal pico a pico, G es la transconductancia del transistor y los otros valores son el voltaje del riel 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 IV.

Varíe los componentes externos a su gusto. Simple y sin tonterías. Asegúrese de enfatizar a sus hijos la naturaleza irrelevante del bloque de ganancia. Las especificaciones solo son importantes para el control de calidad de la producción, pero para un truco único, todo funciona.