スイッチングアプリケーション用のパワーMOSFETをリニアアンプとして使用できますか？

最近のパワーMOSFETは、ユビキタスであり、小売でもかなり安価です。ほとんどのデータシートで、どのような線形アプリケーションも言及せずに、パワーMOSFETのスイッチング定格が確認されています。

これらの種類のMOSFETが線形増幅器として（つまり、飽和領域で）使用できるかどうかを知りたいです。

私はMOSFETが動作する基本原理とその基本モデル（ACおよびDC）を知っているので、「一般的な」MOSFETはスイッチとアンプの両方として使用できることを知っていることに注意してください（「一般的な」とは教訓的な目的のために使用する一種の半理想的なデバイス）。

ここで、基本的なEE大学の教科書では読み飛ばされるかもしれない実用的なデバイスの実際の可能な警告に興味があります。

もちろん、そのような部品を使用すると、スイッチング用に最適化されているため、最適ではない（ノイズが多い、ゲインが少ない、線形性が悪い）と思われますが、単純なアンプ回路を損なう可能性のあるリニアアンプとして使用すると微妙な問題が発生する可能性があります（低い頻度で）最初から？

より多くのコンテキストを与えるために：高校の教師として、ブレッドボード（およびおそらくは構築可能）可能な非常に単純な教訓的なアンプ回路（クラスAオーディオアンプ-最大2ワット）を設計するためにこのような安価な部品を使用したい最高の学生によるマトリックスPCB）。たとえば、BUK9535-55AやBS170など、安価に入手できる（または入手できる可能性のある）部品もありますが、これら2つに対する具体的なアドバイスは必要ありません。

なんらかの「ちょっと！スイッチングパワーmosがリニアアンプとして使用すると、これができることを知っていませんでしたか？！？」死んだ（揚げられた、振動している、ラッチされている、など）回路の前に立っている状況！

同様の質問がありました。International Rectifier、Zetex、IXYSなどの企業によるアプリケーションノートとプレゼンテーションスライドの読み取りから：

• トリックは熱伝達にあります。線形領域では、MOSFETはより多くの熱を放散します。線形領域用に作られたMOSFETは、より良い熱伝達を持つように設計されています。
• 線形領域のMOSFETは、より高いゲート容量で動作します

IXYSアプリノートIXAN0068（雑誌記事版）
FairchildアプリノートAN-4161

Spiritoの影響閾値電圧という事実に起因する熱不安定性であり、負の温度係数を有するが、通常、より新規のMOSFETにおける問題です。$V_{TH}$

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

新しいMOSFET（一般にスイッチング用に最適化されています。市場があるため）は、サブスレッショルド電流がはるかに高くなっています。つまり、低いオーバードライブ電圧では、より多くの電流を流し、より多くの熱を放散します。別の言い方をすれば、線形アンプに実用的な電流では、電流のアンプが動作しているにもかかわらず、新しいMOSFETは、多くのオーバードライブを必要とする祖先とは異なり、オーバードライブをほとんど必要としません優れた熱安定性）。

したがって、新しいMOSFETが同じ熱除去能力を持つ同じパッケージに配置された場合でも、SOA（安全動作領域）は小さくなります。さらに複雑なことですが、一般的なルールとして、ほとんどのトランジスタのデータシートには正確なSOA曲線がありません。

新しいMOSFETを使用する場合は、マージンが広いデザイン（たとえば、400Vで200VのMOSFETが仕様となる可能性があります）をテストしない限り、データシートのSOA曲線に耐えることを期待しないでください。

はい、線形領域でのスイッチングアプリケーション用のパワーMOSFETを使用できますが、これは私が目的に推奨するものではありません。

デモ用アンプのBJTに固執します。その理由は、バイアス要件の電圧がより予測しやすいため、それらを有効にバイアスする回路を作成するのが簡単だからです。

MOSFETのゲートしきい値電圧には、部品ごとに大きな変動があります。これは、小さなdVが最大の出力変化を引き起こすゲート電圧です。スイッチング用のFETでは、この遷移領域を最小限に抑えることが望ましいですが、線形動作の場合は、この遷移領域を広げたいと思います。別の言い方をすれば、ゲート電圧に「許し」が必要です。FETを切り替えることで得られる電力は少なくなります。そのようなFETを線形領域でバイアスする設計は、通常は予測可能性を得るためだけに、通常は他の方法で使用するよりも大きなソース抵抗で非常に悲観的になります。

それはできますが、バイアス点を設定するための余分な回路は、おそらく意図的なDCフィードバックを追加することで、もちろんそれが教えたいことでない限り、アンプ設計の他の概念を損ないます。ただし、学生にとってアンプはすでに伸びているように聞こえるので、この複雑さを追加すると、全体が理解しにくくなる可能性があります。

まず、用語を明確にしましょう。スイッチングトランジスタは、バイポーラであろうとFETであろうと、理想的には常に遮断状態または飽和状態にあります。実際問題として、遷移は線形領域を通過する必要があります。FETには複雑さが追加されています。つまり、ドレイン-ソース電圧の値が小さい場合の抵抗領域です。さらに、FETの生の伝達特性は2次であり、線形ではありません。切り替えられると、FETはすぐに飽和し、外部回路が正しく設計されていれば、ドレイン-ソース間電圧も同様に公称1ボルトまで急速に低下します。その時点で、抵抗領域になりますが、さらに重要なことに、飽和します。したがって、たとえば、5アンペアをダンプする場合、FETで消費される電力は約5ワットになります。

線形領域にバイアスがかかっている回路でトランジスタを使用します。明確にするために、これはすべて外部回路に関するものです。ゲインブロックはゲインブロックです。BJT、FET、MOSFET、またはオペアンプのどれであるかは重要ではありません。スイッチングトランジスタを使用することで失うのは、周波数に関するゲインと位相シフトの製造元の仕様だけです。スイッチの場合、気にする必要はありません。したがって、データを周波数パラメーターではなくスイッチング時間パラメーターに処理することで簡単になります。

アンプを製造しようとしている場合は気になりますが、グリーンキッズのデモを行うだけなので、周波数応答も気にしません。スイッチングトランジスタは、特に指定された数ワットの出力に対して、完全に良好なゲインブロックを実現します-良い理由で、一般的なオペアンプで小さなスピーカーを駆動できます！

バイアスについて本当に心配する必要はありません。入力信号を小さなコンデンサと結合してください。たとえば、30ボルトのレールを備えた基本クラスA小信号増幅器は次のようになります。

1. バイアスを設定する分圧器、たとえば200Kのレールゲートと100Kのゲートアース。これにより、ゲートノードで静止状態の10ボルトが得られます。
2. 入力をゲートノードにコンデンサで結合します。
3. ソースからグランドに抵抗を配置します-これにより、ドレイン電流バイアスが制御されます。たとえば.5kを使用して、20mAの静止ドレイン電流を与えます-どんなパワートランジスタでも簡単に耐えられます。
4. 公称8Ωのスピーカーコイルと直列に100Ωの抵抗を配置します。スピーカーは電圧ではなく電流の変化に応答することに注意してください。そのコイルはバイアスフィールドに変化する磁場を作成します。
5. トランジスタは、これらの他の負荷によって運ばれない電力消費を最大400 mWで拾います。

6. あなたの小信号伝達特性は次のようになります：

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

ここで、vはピークツーピーク信号電圧、Gはトランジスタの相互コンダクタンス、その他の値はレール電圧と負荷抵抗です。派手になりたい場合は、スピーカーコイルのインダクタンスを操作すると、IVダイアグラムに負荷線の代わりに円が表示されます。

外部コンポーネントを自由に変更してください。シンプルでナンセンス。ゲインブロックの無関係な性質を子供に強調してください。仕様は生産品質管理にのみ関係しますが、1回限りのハックでは何でも機能します。