100W MOSFET功率放大器电路

我们设计了一个使用 MOSFET 的功率放大电路，可产生 100W 的输出功率，驱动约 8 欧姆的负载。 所设计的功率放大电路具有效率高、交叉失真和总谐波失真的优点。

工作原理：

该电路采用多级功率放大原理，包括前置放大器、驱动器和使用 MOSFET 的功率放大。 前置放大器采用差分放大器，驱动级是带有电流镜负载的差分放大器，功率放大采用 MOSFET AB 类工作方式。与 BJT 相比，MOSFET 具有驱动电路简单、热稳定性较低、输入阻抗高等优点。前置放大器由两级差分放大器电路组成，用于产生无噪声放大信号。 前置放大器的第一级由使用 PNP 晶体管的差分模式发射极耦合放大器组成。第二级由带有源负载的差分放大器组成，以提高电压增益。电流镜像电路实际上确保了输出电流保持恒定，而不受输入信号电压变化的影响。放大后的信号被输送到推挽放大器级，产生高功率输出信号。

100W MOSFET 功率放大器电路图：

电路元件：

R1、R4： 4k 欧姆

R2： 100 欧姆

R3： 50k 欧姆

R5： 1k 欧姆

R6: 50k 欧姆

R7: 10k 欧姆

R8、R9： 100 欧姆

R10、R13： 470 欧姆

R11: 100 欧姆

R12: 3k 欧姆

R14、R15： 0.33 欧姆

C1: 10uF

C2、C3： 18pF

C4: 100nF

Q1、Q2： BC556，PNP 晶体管

Q3, Q4：  MJE340，NPN 晶体管

Q5、Q6： MJE350，PNP 晶体管

Q7: n 沟道 E-MOSFET，IRF530

Q8： p 沟道 E-MOSFET，IRF9530

V1, V2： +/- 50 V.

MOSFET 功率放大器电路设计：

第一级差分放大器设计：

发射极电阻器的选择：  对于高效差分放大器，R3/R2 所给出的共模抑制比应更高。这就要求 R2 的值远远低于 R3。在此，我们选择 100 欧姆的电位器作为 R2，50k 电阻器作为 R3。

集电极电阻的选择： 如果差分增益约为 50，发射极电阻约为 100 欧姆，则 R1 和 R4 的值约为 4k。

耦合电容器的选择：这里我们选择一个 10uF 的电容器将交流输入信号耦合到 Q1 的输入端。

第二级差分放大器设计：

R11 的选择：发射极总电流约为 0.5 安培时，发射极电阻值约为 100 欧姆。

R12 的选择：电位器 R12 的值由 MOSFET 的栅极阈值电压和流过 Q4 集电极的静态电流（约 50mA）决定。因此 R12 约为 3k。 同样，R7 的值约为 10k。

选择负载：差分放大器连接到有源负载，即电流镜电路。我们选择 PNP 晶体管 MJE350，每个晶体管的发射极电阻为 100 欧姆。发射极电阻的选择是为了使其上的压降约为 100mV，以确保晶体管的匹配。

功率放大器输出级设计：

我们选择 N 沟道 MOSFET IRF530 和 P 沟道 MOSFET IRF9530 作为功率放大器。功率为 100 瓦，负载为 8 欧姆时，所需的输出电压约为 40V，输出电流约为 5A。  因此，源电阻的值约为 0.33 欧姆，每个 MOSFET 的电流约为 1.6 安培（输出电压/（π 乘以负载电阻））。

100W MOSFET 功率放大器电路工作原理：

PNP 晶体管构成差分放大器电路，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。  交流信号通过耦合电容器耦合到 Q1 的基极，反馈信号通过 R5 和 R6 输入 Q2 的基极。放大器的输出通过调节电位器来设定。第一级差分放大器的输出被馈送至第二级差分放大器的输入端。 当输入电压大于反馈电压时（就第一级差分放大器而言），第二级差分放大器的晶体管 Q3 和 Q4 的输入电压同时相差。  晶体管 Q5 和 Q6 构成电流镜像电路。该电流镜像电路可确保流向推挽放大器电路的输出电流保持恒定。

这是因为当 Q3 的集电极电流增大时，Q4 的集电极电流会减小，以保持流过 Q3 和 Q4 发射极公共点的电流恒定。

此外，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 可确保为每个 MOSFET 提供适当的直流偏压。由于两个 MOSFET 互为补充，当向 Q7 的栅极施加正电压时，它将导通。同样，阈值电压为负时，Q8 导通。栅极电阻用于防止 MOSFET 输出振荡。

电路的输入是频率为 1khz 的 4Vp-p 交流输入电压。 连接示波器时，通道 A 连接输入，通道 B 连接输出。将瓦特计连接到负载上，观察负载上的功率。

100w MOSFET 功率放大器电路的应用：

可用于驱动扬声器等音频负载，作为音频放大器。

可用于驱动大功率天线等射频负载。

可用于实现分布式扬声器系统

该电路可用于电视、电脑、MP3 播放器等电子设备。

该电路的局限性：

MOSFET 更容易发生静电放电。

MOSFET 从电源中汲取的电流相当大，除非使用安全保险丝，否则会损坏整个电路。

该电路容易产生高频振荡。

本电路为理论电路，用于教学目的。