เพาเวอร์มอสเฟตสำหรับการสลับแอพพลิเคชั่นสามารถใช้เป็นเครื่องขยายเสียงเชิงเส้นได้หรือไม่?

เพาเวอร์มอสเฟตทุกวันนี้แพร่หลายและราคาถูกพอสมควรที่ร้านค้าปลีก ในแผ่นข้อมูลส่วนใหญ่ฉันเห็นว่ากระแสไฟของมอสเฟตได้รับการจัดอันดับสำหรับการสลับโดยไม่ต้องพูดถึงแอปพลิเคชันเชิงเส้นใด ๆ

ฉันต้องการทราบว่า MOSFET ประเภทนี้สามารถใช้เป็นแอมพลิฟายเออร์เชิงเส้นได้หรือไม่ (เช่นในพื้นที่อิ่มตัว)

โปรดทราบว่าฉันรู้ว่าหลักการพื้นฐานที่ MOSFET ทำงานและรุ่นพื้นฐานของพวกเขา (AC และ DC) ดังนั้นฉันจึงรู้ว่า MOSFET "ทั่วไป" สามารถใช้ได้ทั้งเป็นสวิตช์และเป็นเครื่องขยายเสียง (ที่มี "ทั่วไป" ฉันหมายถึง อุปกรณ์กึ่งอุดมคติชนิดหนึ่งใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการสอน)

ที่นี่ฉันสนใจคำเตือนที่เป็นไปได้จริงสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานจริงซึ่งอาจข้ามไปในหนังสือเรียน EE ขั้นพื้นฐานของมหาวิทยาลัย

แน่นอนว่าฉันสงสัยว่าการใช้ชิ้นส่วนดังกล่าวจะไม่ดี (น่ารำคาญน้อยกว่าการเป็นเส้นตรงที่แย่กว่า) เนื่องจากมันถูกปรับให้เหมาะกับการสลับ แต่มีปัญหาเล็กน้อยที่สามารถเกิดขึ้นได้โดยการใช้มันเป็นเครื่องขยายเสียงเชิงเส้น ที่ความถี่ต่ำ) ตั้งแต่เริ่มต้น?

เพื่อให้บริบทเพิ่มเติม: ในฐานะครูในโรงเรียนมัธยมฉันถูกล่อลวงให้ใช้ชิ้นส่วนราคาถูกในการออกแบบวงจรเครื่องขยายเสียงการสอนที่ง่ายมาก (เช่นคลาสแอมป์เสียง - สองสามวัตต์สูงสุด) ซึ่งสามารถใช้งานได้ เมทริกซ์ PCB โดยนักเรียนที่ดีที่สุด) บางส่วนที่ฉันมี (หรืออาจมี) ราคาถูกตัวอย่างเช่นBUK9535-55AและBS170แต่ฉันไม่ต้องการคำแนะนำเฉพาะสำหรับสองสิ่งนี้เป็นเพียงคำตอบทั่วไปเกี่ยวกับปัญหาที่อาจเกิดขึ้นที่ฉันพูดไว้ก่อนหน้านี้

ฉันแค่ต้องการหลีกเลี่ยง "เฮ้! คุณไม่รู้หรอกว่าการสับเปลี่ยนกำลังมอสสามารถทำได้และสิ่งนี้เมื่อใช้เป็นแอมป์เชิงเส้น?!" สถานการณ์กำลังยืนอยู่ต่อหน้าวงจรที่ตายแล้ว (ทอด, สั่น, ล็อค, ... หรืออะไรก็ตาม)!

ฉันมีคำถามที่คล้ายกัน จากการอ่านบันทึกแอปพลิเคชันและสไลด์นำเสนอโดย บริษัท เช่น International Rectifier, Zetex, IXYS:

• เคล็ดลับอยู่ในการถ่ายเทความร้อน ในพื้นที่เชิงเส้น MOSFET จะกระจายความร้อนมากขึ้น MOSFET ที่สร้างขึ้นสำหรับภูมิภาคเชิงเส้นได้รับการออกแบบให้มีการถ่ายเทความร้อนได้ดีขึ้น
• MOSFET สำหรับภูมิภาคเชิงเส้นสามารถอยู่กับความจุของเกตที่สูงขึ้นได้

แอปพลิเคชั่น IXYS IXAN0068 ( เวอร์ชั่นบทความในนิตยสาร )
แอพ Fairchild note AN-4161

ปิผลซึ่งเป็นความไม่แน่นอนความร้อนที่เกิดจากความจริงที่ว่าแรงดันเกณฑ์มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิลบมักจะเป็นปัญหามากขึ้นใน MOSFETs ใหม่$V_{TH}$

ที่แรงดันไฟเกินพิกัดสูง (พิกัด ) มอสเฟตไม่มีความร้อนเนื่องจากความต้านทานของแชนเนลมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงบวก สิ่งนี้ทำให้เกิดการแบ่งปันที่ดีระหว่างอุปกรณ์ในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามการใช้แรงดันเกินพิกัดต่ำการแบ่งปันกระแสไฟไม่ดีเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เป็นเกณฑ์V T Hมีค่าอุณหภูมิลบ ภายใต้สถานการณ์ที่เหมาะสมสิ่งนี้นำไปสู่ความไม่แน่นอนทางความร้อน$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$$V_{TH}$

มอสเฟตใหม่ (โดยทั่วไปเหมาะสำหรับการเปลี่ยนเพราะนั่นคือที่ของตลาด) มีกระแสย่อยสูงกว่ามาก- กล่าวอีกนัยหนึ่งคือแรงดันไฟเกินพิกัดต่ำพวกมันมีกระแสมากขึ้นและกระจายความร้อนมากขึ้น อีกวิธีหนึ่งของการพูดแบบนี้คือ: ที่กระแสที่เป็นประโยชน์สำหรับตัวขยายสัญญาณเชิงเส้นแม้จะใช้กระแสแอมป์กระแสไฟ MOSFET รุ่นใหม่ต้องใช้พิกัดโอเวอร์เรตน้อยมาก (ระบอบที่แสดงความไม่เสถียรทางความร้อน) เสถียรภาพทางความร้อนที่ดี)

ดังนั้นแม้ว่า MOSFET ที่ใหม่กว่าจะถูกวางในแพ็คเกจเดียวกันที่มีความสามารถในการกำจัดความร้อนเท่ากัน แต่ก็ยังคงมี SOA ที่เล็กกว่า ยิ่งทำให้ซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากกฎทั่วไปเอกสารข้อมูลส่วนใหญ่ของทรานซิสเตอร์ไม่มีเส้นโค้ง SOA ที่แม่นยำ

เมื่อใช้ MOSFET ที่ใหม่กว่าการออกแบบที่มีระยะขอบที่กว้าง (เช่น MOSFET ที่เห็น 200V อาจเป็นข้อมูลจำเพาะสำหรับ 400V) และไม่คาดหวังว่าพวกเขาจะยึดแผ่น SOA ได้จนกว่าคุณจะทดสอบ

ใช่คุณสามารถใช้กระแสไฟ MOSFET สำหรับการสลับแอพพลิเคชั่นในพื้นที่เชิงเส้นของพวกเขา แต่นี่ไม่ใช่สิ่งที่ฉันแนะนำสำหรับวัตถุประสงค์ของคุณ

ติดกับ BJTs สำหรับเครื่องขยายเสียงสาธิต เหตุผลคือความต้องการอคติของพวกเขาสามารถคาดการณ์ได้ในแรงดันไฟฟ้ามากกว่าและมันจึงง่ายต่อการสร้างวงจรให้มีอคติได้อย่างมีประโยชน์

MOSFET มีส่วนสำคัญในการเปลี่ยนแปลงแรงดันเกตของเกตส่วนหนึ่งซึ่งเป็นแรงดันเกทซึ่ง dV ขนาดเล็กทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเอาต์พุตที่ใหญ่ที่สุด ด้วย FET ที่มีไว้สำหรับการสลับเป็นที่พึงปรารถนาเพื่อลดขอบเขตการเปลี่ยนแปลงนี้ แต่สำหรับการดำเนินการเชิงเส้นที่คุณต้องการให้กระจายออกไป อีกวิธีหนึ่งคุณต้องการ "การให้อภัย" ในแรงดันเกท การสลับ FET อาจทำให้คุณน้อยลง การออกแบบสำหรับการให้น้ำหนักเช่น FETs ในพื้นที่เชิงเส้นของพวกเขากลายเป็นแง่ร้ายมากมักจะมีตัวต้านทานแหล่งที่มาที่มีขนาดใหญ่กว่าที่คุณใช้เป็นอย่างอื่นเพียงเพื่อให้สามารถคาดการณ์ได้

มันสามารถทำได้ แต่วงจรเสริมเพื่อกำหนดจุดอคติอาจมีข้อเสนอแนะ DC เพิ่มเติมโดยเจตนาจะเบี่ยงเบนความสนใจจากแนวคิดอื่น ๆ ของการออกแบบเครื่องขยายเสียงเว้นแต่แน่นอนว่าเป็นสิ่งที่คุณต้องการที่จะสอน อย่างไรก็ตามดูเหมือนว่าแอมพลิฟายเออร์ใด ๆ จะเป็นที่นิยมสำหรับนักเรียนดังนั้นการเพิ่มความซับซ้อนนี้อาจทำให้สิ่งที่พวกเขาไม่สามารถต้านทานได้

อันดับแรกให้คำศัพท์ตรง ทรานซิสเตอร์แบบสวิตชิ่งมักจะถูกตัดหรืออิ่มตัวไม่ว่าจะเป็นไบโพลาร์หรือ FET เป็นเรื่องจริงการเปลี่ยนผ่านจะต้องผ่านภูมิภาคเชิงเส้น FETs มีความซับซ้อนเพิ่มขึ้น: พื้นที่ทานสำหรับค่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งระบายน้ำขนาดเล็ก ยิ่งกว่านั้นลักษณะการโอนแบบดิบของ FET นั้นเป็นกำลังสองไม่ใช่แบบเชิงเส้น เมื่อเปลี่ยน FET จะอิ่มตัวอย่างรวดเร็วและหากวงจรภายนอกได้รับการออกแบบอย่างถูกต้องแรงดันแหล่งที่มาของการระบายจะเลื่อนลงอย่างรวดเร็วเท่า ๆ กันในนามหนึ่งโวลต์ ณ จุดนั้นมันจะอยู่ในพื้นที่ต้านทาน แต่ก็จะยิ่งอิ่มตัวเช่นกัน ตัวอย่างเช่นหากคุณทิ้ง 5 amps กำลังงานที่กระจายใน FET จะมีค่าประมาณ 5 วัตต์

คุณต้องการใช้ทรานซิสเตอร์ในวงจรที่มีความลำเอียงในภูมิภาคเชิงเส้น เพื่อให้ชัดเจนนี่คือทั้งหมดที่เกี่ยวกับวงจรภายนอก บล็อกกำไรคือบล็อกกำไร ไม่สำคัญว่าใครจะเป็นคนโสดไม่ว่าจะเป็น BJT, FET, MOSFET หรือ op amp สิ่งเดียวที่คุณสูญเสียจากการใช้ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งคือข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิตสำหรับเกนและเฟสแบบกะตามความถี่ สำหรับสวิตช์คุณไม่สนใจดังนั้นมันจะทำให้ง่ายสำหรับคุณโดยการประมวลผลข้อมูลเป็นพารามิเตอร์เวลาสลับแทนพารามิเตอร์ความถี่

หากคุณพยายามผลิตเครื่องขยายเสียงคุณจะสนใจ แต่คุณก็แค่แสดงให้เห็นเด็ก ๆ กลุ่มสีเขียวดังนั้นคุณก็ไม่สนใจเรื่องการตอบสนองความถี่ ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งทำให้บล็อกกำไรที่ดีอย่างสมบูรณ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัตต์ไม่กี่เอาต์พุตของคุณ - คุณสามารถขับลำโพงขนาดเล็กที่มีแอมป์สหกรณ์ทั่วไปเพื่อประโยชน์ของคุณ!

คุณไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการให้น้ำหนัก: จับคู่สัญญาณเข้ากับตัวเก็บประจุขนาดเล็ก คลาสพื้นฐานของคุณแอมพลิฟายเออร์สัญญาณขนาดเล็กพร้อมราง 30 โวลต์จะเป็น:

1. ตัวแบ่งแรงดันตั้งค่าไบแอสพูดราว 200K ไปที่เกทและเกทถึง 100k สิ่งนี้จะช่วยให้คุณมีโวลต์ 10 โวลต์ที่โหนดเกตของคุณ
2. จับคู่อินพุตกับโหนดเกตด้วยตัวเก็บประจุ
3. วางตัวต้านทานจากแหล่งสู่พื้น - สิ่งนี้จะควบคุมอคติในการระบายน้ำของคุณ ใช้สมมุติว่า. 5k เพื่อให้กระแสระบายที่นิ่งนิ่งของ 20mA - ทนได้ง่ายโดยทรานซิสเตอร์พลังงานใด ๆ
4. วางตัวต้านทาน 100ohm ในซีรีส์ด้วยขดลวดลำโพง 8 โอห์มของคุณ - โปรดจำไว้ว่าลำโพงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า - ขดลวดของมันจะสร้างสนามแม่เหล็กที่แตกต่างในสนามไบแอส
5. ทรานซิสเตอร์จะรับการกระจายพลังงานใด ๆ ที่ไม่ได้รับการโหลดอื่น ๆ เหล่านี้ - ที่มากที่สุด 400 mW

6. ลักษณะการถ่ายโอนสัญญาณขนาดเล็กของคุณจะเป็น:

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

โดยที่ v คือแรงดันสูงสุดถึงแรงดันสัญญาณสูงสุด G คือค่าการนำไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์และค่าอื่น ๆ ได้แก่ แรงดันรางและความต้านทานโหลด หากคุณต้องการจินตนาการให้ทำงานในการเหนี่ยวนำของคอยล์ลำโพงและคุณจะเห็นวงกลมแทนเส้นโหลดบนแผนภาพ IV

เปลี่ยนส่วนประกอบภายนอกตามความพอใจของคุณ เรียบง่ายและไร้สาระ อย่าลืมเน้นลูก ๆ ของคุณถึงลักษณะที่ไม่เกี่ยวข้องของการบล็อกการรับ ข้อกำหนดเฉพาะสำหรับการควบคุมคุณภาพการผลิต แต่สำหรับการแฮ็กหนึ่งครั้ง