Un MOSFET de puissance pour une application de commutation peut-il être utilisé comme amplificateur linéaire?

Les MOSFET de puissance sont aujourd'hui omniprésents et assez bon marché également au détail. Dans la plupart des fiches techniques, j'ai vu que les MOSFET de puissance sont conçus pour la commutation, sans mentionner aucun type d'applications linéaires.

Je voudrais savoir si ces types de MOSFET peuvent également être utilisés comme amplificateur linéaire (c'est-à-dire dans leur région de saturation).

Veuillez noter que je connais les principes de base sur lesquels fonctionnent les MOSFET et leurs modèles de base (AC et DC), donc je sais qu'un MOSFET "générique" peut être utilisé à la fois comme commutateur et comme amplificateur (avec "générique" je veux dire le sorte d’appareil semi-idéal utilisé à des fins didactiques).

Ici, je suis intéressé par les mises en garde possibles pour les appareils pratiques qui pourraient être ignorés dans les manuels universitaires de base en EE.

Bien sûr, je soupçonne que l'utilisation de ces pièces sera sous-optimale (plus bruyant? Moins de gain? Pire linéarité?), Car elles sont optimisées pour la commutation, mais y a-t-il des problèmes subtils qui peuvent survenir en les utilisant comme amplificateurs linéaires qui peuvent compromettre les circuits d'amplification simples ( à basse fréquence) dès le départ?

Pour donner plus de contexte: en tant qu'enseignant dans un lycée, je suis tenté d'utiliser des pièces aussi bon marché pour concevoir des circuits d'amplificateurs didactiques très simples (par exemple, des amplis audio de classe A - quelques watts max) qui peuvent être montés sur des maquettes (et éventuellement construits sur PCB matrice par les meilleurs étudiants). Certaines pièces que j'ai (ou que je pourrais avoir) disponibles à bas prix, par exemple, incluent BUK9535-55A et BS170 , mais je n'ai pas besoin de conseils spécifiques pour ces deux, juste une réponse générale sur les problèmes possibles par rapport à ce que j'ai dit auparavant.

Je veux juste éviter une sorte de "Hey! Ne saviez-vous pas que la commutation de puissance mos pouvait faire ceci et cette chose lorsqu'il est utilisé comme amplis linéaires?!?" situation devant un circuit mort (frit, oscillant, verrouillé, ... ou autre)!

J'avais une question similaire. De la lecture des notes d'application et des diapositives de présentation par des sociétés comme International Rectifier, Zetex, IXYS:

• L'astuce réside dans le transfert de chaleur. Dans la région linéaire, un MOSFET dissipera plus de chaleur. Les MOSFET conçus pour la région linéaire sont conçus pour avoir un meilleur transfert de chaleur.
• MOSFET pour une région linéaire pourrait vivre avec une capacité de grille plus élevée

Note d'application IXYS IXAN0068 ( version d'article de magazine )
Note d'application Fairchild AN-4161

$V_{TH}$

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

Les nouveaux MOSFET (généralement optimisés pour la commutation, car c'est là que se trouve le marché) ont des courants sous-seuil beaucoup plus élevés - en d'autres termes, à de faibles tensions de surcharge, ils transportent plus de courant et dissipent plus de chaleur. Une autre façon de le dire est: à des courants qui sont pratiques pour les amplificateurs linéaires, même en dépit de l'intensité de courant, les nouveaux MOSFET nécessitent très peu de surmultiplication (un régime qui présente une instabilité thermique), contrairement à leurs ancêtres qui avaient besoin de beaucoup de surmultiplication (un régime avec grande stabilité thermique).

Ainsi, même si les nouveaux MOSFET étaient placés dans les mêmes boîtiers avec la même capacité d'évacuation de la chaleur, ils auraient toujours des SOA (Safe Operating Areas) plus petits. Pour compliquer davantage la situation, en règle générale, la plupart des fiches techniques des transistors n'ont pas de courbes SOA précises.

Lorsque vous utilisez des MOSFET plus récents, concevez avec de larges marges (par exemple, un MOSFET qui voit 200V peut être spécifié pour 400V) et ne vous attendez pas à ce qu'ils tiennent à leurs courbes SOA de fiche technique à moins que vous ne les testiez.

Oui, vous pouvez utiliser des MOSFET de puissance destinés à des applications de commutation dans leur région linéaire, mais ce n'est pas ce que je recommande pour votre objectif.

Tenez-vous aux BJT pour les amplificateurs de démonstration. La raison en est que leurs exigences de polarisation sont plus prévisibles en tension, et il est donc plus facile de créer des circuits pour les polariser utilement.

Les MOSFET ont une variation importante d'une partie à l'autre de la tension de seuil de grille, qui est la tension de grille à laquelle un petit dV provoque le plus grand changement de sortie. Avec les transistors FET destinés à la commutation, il est souhaitable de minimiser cette région de transition, mais pour un fonctionnement linéaire, vous souhaitez qu'elle soit étalée. Autrement dit, vous voulez un "pardon" dans la tension de grille. La commutation des transistors FET peut vous en donner moins. La conception pour polariser ces FET dans leur région linéaire finit par être très pessimiste, généralement avec des résistances de source plus grandes que celles que vous utiliseriez autrement, juste pour obtenir une certaine prévisibilité.

Cela peut être fait, mais les circuits supplémentaires pour définir le point de polarisation, probablement avec une rétroaction CC délibérée supplémentaire, nuiront aux autres concepts de la conception de l'amplificateur, à moins bien sûr que ce que vous vouliez enseigner. Cependant, il semble que tout amplificateur soit déjà un exercice pour les étudiants, donc l'ajout de cette complication peut rendre le tout impénétrable pour eux.

Tout d'abord, clarifions la terminologie. Un transistor de commutation est idéalement soit toujours en coupure ou en saturation, qu'il soit bipolaire ou FET. En pratique, les transitions doivent traverser la région linéaire. Les FET ont une complexité supplémentaire: la région résistive pour les petites valeurs de tension drain-source. De plus, la caractéristique de transfert brute d'un transistor FET est quadratique et non linéaire. Lorsqu'il est commuté, un transistor à effet de champ saturera rapidement, et si le circuit externe est conçu correctement, la tension drain-source glissera également rapidement vers le bas jusqu'à nominalement un volt. À ce stade, il se trouvera dans la région résistive, mais il sera aussi, plus important encore, saturé. Ainsi, par exemple, si vous videz 5 ampères, la puissance dissipée dans le FET sera d'environ 5 watts.

Vous souhaitez utiliser le transistor dans un circuit qui est polarisé dans la région linéaire. Pour être clair, tout tourne autour du circuit externe. Un bloc de gain est un bloc de gain. Peu importe qu'il s'agisse d'un BJT, d'un FET, d'un MOSFET ou d'un ampli op. La seule chose que vous perdez en utilisant un transistor de commutation est les spécifications du fabricant pour le gain et le déphasage par rapport à la fréquence. Pour un commutateur, vous ne vous en souciez pas, ils vous facilitent la tâche en transformant les données en un paramètre de temps de commutation au lieu de paramètres de fréquence.

Si vous essayiez de fabriquer des amplificateurs, vous vous en soucieriez, mais vous faites juste une démonstration à un groupe d'enfants verts, donc vous ne vous souciez pas non plus de la réponse en fréquence. Un transistor de commutation fait un bloc de gain parfaitement bon, en particulier pour vos quelques watts de sortie déclarés - vous pouvez piloter un petit haut-parleur avec un ampli op commun pour l'amour de Dieu!

Vous n'avez vraiment pas à vous soucier de la polarisation: couplez votre signal d'entrée avec un petit condensateur. Votre petit amplificateur de signal de classe A de base avec, disons, un rail de 30 volts serait:

1. Un diviseur de tension définissant la polarisation, disons rail 200K vers grille et 100k grille vers masse. Cela vous donne un repos de 10 volts à votre nœud de porte.
2. Associez l'entrée au nœud de porte avec un condensateur.
3. Placez une résistance de la source à la terre - cela contrôle la polarisation du courant de drain. Utilisez, par exemple, 0,5 k pour donner un courant de drain de repos de 20 mA - facilement supporté par n'importe quel transistor de puissance.
4. Placez une résistance de 100 ohms en série avec votre bobine de haut-parleur nominalement 8 ohms - rappelez-vous, un haut-parleur réagit aux changements de courant, pas de tension - sa bobine crée un champ magnétique variable dans un champ de polarisation.
5. Le transistor captera toute dissipation de puissance qui n'est pas portée par ces autres charges - au plus 400 mW.

6. Votre petite caractéristique de transfert de signal sera:

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

où v est votre tension de signal crête à crête, G est la transconductance du transistor et les autres valeurs sont la tension du rail et les résistances de charge. Si vous voulez devenir chic, travaillez dans l'inductance de la bobine du haut-parleur et vous verrez un cercle au lieu d'une ligne de charge sur le schéma IV.

Variez les composants externes à votre guise. Simple et pas de bêtises. Assurez-vous de souligner à vos enfants la nature non pertinente du bloc de gain. Les spécifications ne comptent que pour le contrôle de la qualité de la production, mais pour un piratage ponctuel, tout fonctionne.