100W MOSFET功率放大器電路

我們設計了一個使用 MOSFET 的功率放大電路，可產生 100W 的輸出功率，驅動約 8 歐姆的負載。 所設計的功率放大電路具有效率高、交叉失真和總諧波失真的優點。

工作原理：

該電路采用多級功率放大原理，包括前置放大器、驅動器和使用 MOSFET 的功率放大。 前置放大器采用差分放大器，驅動級是帶有電流鏡負載的差分放大器，功率放大采用 MOSFET AB 類工作方式。與 BJT 相比，MOSFET 具有驅動電路簡單、熱穩定性較低、輸入阻抗高等優點。前置放大器由兩級差分放大器電路組成，用于產生無噪聲放大信號。 前置放大器的第一級由使用 PNP 晶體管的差分模式發射極耦合放大器組成。第二級由帶有源負載的差分放大器組成，以提高電壓增益。電流鏡像電路實際上確保了輸出電流保持恒定，而不受輸入信號電壓變化的影響。放大后的信號被輸送到推挽放大器級，產生高功率輸出信號。

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 功率放大器電路設計：

第一級差分放大器設計：

發射極電阻器的選擇：  對于高效差分放大器，R3/R2 所給出的共模抑制比應更高。這就要求 R2 的值遠遠低于 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 10uF 的電容器將交流輸入信號耦合到 Q1 的輸入端。

第二級差分放大器設計：

R11 的選擇：發射極總電流約為 0.5 安培時，發射極電阻值約為 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 集電極的靜態電流（約 50mA）決定。因此 R12 約為 3k。 同樣，R7 的值約為 10k。

選擇負載：差分放大器連接到有源負載，即電流鏡電路。我們選擇 PNP 晶體管 MJE350，每個晶體管的發射極電阻為 100 歐姆。發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。

功率放大器輸出級設計：

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，負載為 8 歐姆時，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 MOSFET 的電流約為 1.6 安培（輸出電壓/（π 乘以負載電阻））。

100W MOSFET 功率放大器電路工作原理：

PNP 晶體管構成差分放大器電路，其中一個晶體管接收輸入交流信號，另一個晶體管通過反饋接收輸出信號。  交流信號通過耦合電容器耦合到 Q1 的基極，反饋信號通過 R5 和 R6 輸入 Q2 的基極。放大器的輸出通過調節電位器來設定。第一級差分放大器的輸出被饋送至第二級差分放大器的輸入端。 當輸入電壓大于反饋電壓時（就第一級差分放大器而言），第二級差分放大器的晶體管 Q3 和 Q4 的輸入電壓同時相差。  晶體管 Q5 和 Q6 構成電流鏡像電路。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。

這是因為當 Q3 的集電極電流增大時，Q4 的集電極電流會減小，以保持流過 Q3 和 Q4 發射極公共點的電流恒定。

此外，電流鏡電路產生的輸出電流等于 Q3 的集電極電流。電位器 R12 可確保為每個 MOSFET 提供適當的直流偏壓。由于兩個 MOSFET 互為補充，當向 Q7 的柵極施加正電壓時，它將導通。同樣，閾值電壓為負時，Q8 導通。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，通道 A 連接輸入，通道 B 連接輸出。將瓦特計連接到負載上，觀察負載上的功率。

100w MOSFET 功率放大器電路的應用：

可用于驅動揚聲器等音頻負載，作為音頻放大器。

可用于驅動大功率天線等射頻負載。

可用于實現分布式揚聲器系統

該電路可用于電視、電腦、MP3 播放器等電子設備。

該電路的局限性：

MOSFET 更容易發生靜電放電。

MOSFET 從電源中汲取的電流相當大，除非使用安全保險絲，否則會損壞整個電路。

該電路容易產生高頻振蕩。

本電路為理論電路，用于教學目的。