100W MOSFET功率放大器電路

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)使用 MOSFET 的功率放大電路，可產(chǎn)生 100W 的輸出功率，驅(qū)動(dòng)約 8 歐姆的負(fù)載。 所設(shè)計(jì)的功率放大電路具有效率高、交叉失真和總諧波失真的優(yōu)點(diǎn)。

工作原理：

該電路采用多級(jí)功率放大原理，包括前置放大器、驅(qū)動(dòng)器和使用 MOSFET 的功率放大。 前置放大器采用差分放大器，驅(qū)動(dòng)級(jí)是帶有電流鏡負(fù)載的差分放大器，功率放大采用 MOSFET AB 類工作方式。與 BJT 相比，MOSFET 具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性較低、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。前置放大器由兩級(jí)差分放大器電路組成，用于產(chǎn)生無噪聲放大信號(hào)。 前置放大器的第一級(jí)由使用 PNP 晶體管的差分模式發(fā)射極耦合放大器組成。第二級(jí)由帶有源負(fù)載的差分放大器組成，以提高電壓增益。電流鏡像電路實(shí)際上確保了輸出電流保持恒定，而不受輸入信號(hào)電壓變化的影響。放大后的信號(hào)被輸送到推挽放大器級(jí)，產(chǎn)生高功率輸出信號(hào)。

100W MOSFET 功率放大器電路圖：

電路元件：

R1、R4： 4k 歐姆

R2： 100 歐姆

R3： 50k 歐姆

R5： 1k 歐姆

R6: 50k 歐姆

R7: 10k 歐姆

R8、R9： 100 歐姆

R10、R13： 470 歐姆

R11: 100 歐姆

R12: 3k 歐姆

R14、R15： 0.33 歐姆

C1: 10uF

C2、C3： 18pF

C4: 100nF

Q1、Q2： BC556，PNP 晶體管

Q3, Q4：  MJE340，NPN 晶體管

Q5、Q6： MJE350，PNP 晶體管

Q7: n 溝道 E-MOSFET，IRF530

Q8： p 溝道 E-MOSFET，IRF9530

V1, V2： +/- 50 V.

MOSFET 功率放大器電路設(shè)計(jì)：

第一級(jí)差分放大器設(shè)計(jì)：

發(fā)射極電阻器的選擇：  對(duì)于高效差分放大器，R3/R2 所給出的共模抑制比應(yīng)更高。這就要求 R2 的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 R3。在此，我們選擇 100 歐姆的電位器作為 R2，50k 電阻器作為 R3。

集電極電阻的選擇： 如果差分增益約為 50，發(fā)射極電阻約為 100 歐姆，則 R1 和 R4 的值約為 4k。

耦合電容器的選擇：這里我們選擇一個(gè) 10uF 的電容器將交流輸入信號(hào)耦合到 Q1 的輸入端。

第二級(jí)差分放大器設(shè)計(jì)：

R11 的選擇：發(fā)射極總電流約為 0.5 安培時(shí)，發(fā)射極電阻值約為 100 歐姆。

R12 的選擇：電位器 R12 的值由 MOSFET 的柵極閾值電壓和流過 Q4 集電極的靜態(tài)電流（約 50mA）決定。因此 R12 約為 3k。 同樣，R7 的值約為 10k。

選擇負(fù)載：差分放大器連接到有源負(fù)載，即電流鏡電路。我們選擇 PNP 晶體管 MJE350，每個(gè)晶體管的發(fā)射極電阻為 100 歐姆。發(fā)射極電阻的選擇是為了使其上的壓降約為 100mV，以確保晶體管的匹配。

功率放大器輸出級(jí)設(shè)計(jì)：

我們選擇 N 溝道 MOSFET IRF530 和 P 溝道 MOSFET IRF9530 作為功率放大器。功率為 100 瓦，負(fù)載為 8 歐姆時(shí)，所需的輸出電壓約為 40V，輸出電流約為 5A。  因此，源電阻的值約為 0.33 歐姆，每個(gè) MOSFET 的電流約為 1.6 安培（輸出電壓/（π 乘以負(fù)載電阻））。

100W MOSFET 功率放大器電路工作原理：

PNP 晶體管構(gòu)成差分放大器電路，其中一個(gè)晶體管接收輸入交流信號(hào)，另一個(gè)晶體管通過反饋接收輸出信號(hào)。  交流信號(hào)通過耦合電容器耦合到 Q1 的基極，反饋信號(hào)通過 R5 和 R6 輸入 Q2 的基極。放大器的輸出通過調(diào)節(jié)電位器來設(shè)定。第一級(jí)差分放大器的輸出被饋送至第二級(jí)差分放大器的輸入端。 當(dāng)輸入電壓大于反饋電壓時(shí)（就第一級(jí)差分放大器而言），第二級(jí)差分放大器的晶體管 Q3 和 Q4 的輸入電壓同時(shí)相差。  晶體管 Q5 和 Q6 構(gòu)成電流鏡像電路。該電流鏡像電路可確保流向推挽放大器電路的輸出電流保持恒定。

這是因?yàn)楫?dāng) Q3 的集電極電流增大時(shí)，Q4 的集電極電流會(huì)減小，以保持流過 Q3 和 Q4 發(fā)射極公共點(diǎn)的電流恒定。

此外，電流鏡電路產(chǎn)生的輸出電流等于 Q3 的集電極電流。電位器 R12 可確保為每個(gè) MOSFET 提供適當(dāng)?shù)闹绷髌珘?。由于兩個(gè) MOSFET 互為補(bǔ)充，當(dāng)向 Q7 的柵極施加正電壓時(shí)，它將導(dǎo)通。同樣，閾值電壓為負(fù)時(shí)，Q8 導(dǎo)通。柵極電阻用于防止 MOSFET 輸出振蕩。

電路的輸入是頻率為 1khz 的 4Vp-p 交流輸入電壓。 連接示波器時(shí)，通道 A 連接輸入，通道 B 連接輸出。將瓦特計(jì)連接到負(fù)載上，觀察負(fù)載上的功率。

100w MOSFET 功率放大器電路的應(yīng)用：

可用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器等音頻負(fù)載，作為音頻放大器。

可用于驅(qū)動(dòng)大功率天線等射頻負(fù)載。

可用于實(shí)現(xiàn)分布式揚(yáng)聲器系統(tǒng)

該電路可用于電視、電腦、MP3 播放器等電子設(shè)備。

該電路的局限性：

MOSFET 更容易發(fā)生靜電放電。

MOSFET 從電源中汲取的電流相當(dāng)大，除非使用安全保險(xiǎn)絲，否則會(huì)損壞整個(gè)電路。

該電路容易產(chǎn)生高頻振蕩。

本電路為理論電路，用于教學(xué)目的。