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100W MOSFET 功率放大器电路

这里设计了一个使用 MOSFET 的 功率放大器电路，可输出 100W 功率来驱动约 8 欧姆 的负载。

该功率放大器电路的优势在于：效率更高，同时具有更低的交越失真（Cross Over Distortion）和总谐波失真（Total Harmonic Distortion）。

1. MOSFET 功率放大器电路工作原理​

该电路基于多级功率放大原理运行，包括前置放大器、驱动级和使用 MOSFET 的功率放大。前置放大使用差分放大器，驱动级是带有电流镜负载的差分放大器，功率放大则通过 MOSFET 的 AB 类工作模式实现。MOSFET 相比双极型晶体管（BJT）具有驱动电路简单、热稳定性更好和输入阻抗高的优点。前置放大器由两级差分放大电路组成，用于产生无噪声的放大信号。前置放大器的第一级使用 PNP 型晶体管的差分模式发射极耦合放大器。第二级是一个带有有源负载的差分放大器，以提高电压增益。电流镜电路确保输出电流在输入信号电压变化时保持恒定。该放大信号随后被送入推挽放大级，以产生高功率输出信号。

2. 100W MOSFET 功率放大器电路图​

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100W MOSFET 功率放大器电路图 – ElectronicsHub.Org

电路元件：​
  • R1, R4: 4kΩ
  • R2: 100Ω
  • R3: 50kΩ
  • R5: 1kΩ
  • R6: 50kΩ
  • R7: 10kΩ
  • R8, R9: 100Ω
  • R10, R13: 470Ω
  • R11: 100Ω
  • R12: 3kΩ
  • R14, R15: 0.33Ω
  • C1: 10µF
  • C2, C3: 18pF
  • C4: 100nF
  • Q1, Q2: BC556，PNP 型晶体管
  • Q3, Q4: MJE340，NPN 型晶体管
  • Q5, Q6: MJE350，PNP 型晶体管
  • Q7: N 沟道 E-MOSFET，IRF530
  • Q8: P 沟道 E-MOSFET，IRF9530
  • V1, V2: ±50V

3. MOSFET 功率放大器电路设计​

3.1 第一级差分放大器设计​

  1. 发射极电阻的选择：为了使差分放大器的共模抑制比（CMRR）更高，R3R2\frac{R3}{R2} 应该较大。因此，R2 的阻值应远小于 R3。这里选择 R2 为 100Ω 电位器，R3 为 50kΩ 电阻。
  2. 集电极电阻的选择：为了使差分增益约为 50，发射极电阻约为 100Ω，计算得出 R1 和 R4 的阻值约为 4kΩ。
  3. 耦合电容的选择：选择 10µF 的电容将输入的交流信号耦合到 Q1 的输入端。

3.2 第二级差分放大器设计​

  1. R11 的选择：为了使总发射极电流约为 0.5A，选择发射极电阻约为 100Ω。
  2. R12 的选择：R12 的阻值由 MOSFET 的栅极阈值电压和流经 Q4 集电极的静态电流（约为 50mA）决定，计算得出 R12 约为 3kΩ。同样，R7 的阻值约为 10kΩ。
  3. 负载的选择：第二级差分放大器连接到一个有源负载，即电流镜电路。这里选择 PNP 型晶体管 MJE350，发射极电阻均为 100Ω。选择发射极电阻是为了在它们之间产生大约 100mV 的电压降，以确保晶体管的良好匹配。

3.3 功率放大器输出级设计​

这里选择 N 沟道 MOSFET IRF530 和 P 沟道 MOSFET IRF9530 作为功率放大器。对于 100W 的功率和 8Ω 的负载，所需的输出电压约为 40V，输出电流约为 5A。计算得出源极电阻的阻值约为 0.33Ω，每个 MOSFET 的电流约为 1.6A（输出电压 /（π 乘以负载电阻））。

4. 100W MOSFET 功率放大器电路工作过程​

PNP 型晶体管构成差分放大电路，其中一个晶体管接收输入交流信号，另一个晶体管通过反馈接收输出信号。输入的交流信号通过耦合电容耦合到 Q1 的基极，反馈信号通过 R5 和 R6 送入 Q2 的基极。通过调节电位器设置放大器的输出。第一级差分放大器的输出被送入第二级差分放大器的输入端。当输入电压高于反馈电压（在第一级差分放大器中），第二级差分放大器的晶体管 Q3 和 Q4 的输入电压会同时发生变化。晶体管 Q5 和 Q6 构成电流镜电路。该电流镜电路确保流入推挽放大电路的输出电流保持恒定。

这是因为当 Q3 的集电极电流增加时，Q4 的集电极电流会减少，以保持通过 Q3 和 Q4 发射极公共点的电流恒定。电流镜电路产生的输出电流等于 Q3 的集电极电流。电位器 R12 确保为每个 MOSFET 提供适当的直流偏置。由于两个 MOSFET 互补，当正电压施加到 Q7 的栅极时，Q7 导通。同样，对于负阈值电压，Q8 导通。栅极电阻用于防止 MOSFET 输出振荡。

电路的输入为 1kHz 的 4Vp-p 交流输入电压。示波器连接方式为：通道 A 连接输入端，通道 B 连接输出端。通过将瓦特表连接到负载端，可以观察负载上的功率。

5. 100W MOSFET 功率放大器电路的应用​

  1. 可以作为音频放大器，用于驱动音频负载，如扬声器。
  2. 可以用于驱动射频负载，如高功率天线。
  3. 可以用于实现分布式扬声器系统。
  4. 可以用于电子设备，如电视、计算机、MP3 播放器等。

6. 该电路的局限性​

  1. MOSFET 更容易受到静电放电的影响。
  2. MOSFET 从电源中抽取相当大的电流，如果不用安全保险丝，可能会损坏整个电路。
  3. 该电路容易出现高频振荡。
  4. 该电路是一个理论电路，主要用于教学目的。