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我們將討論設計MOSFET功率放大器電路時必須考慮的各種參數，還分析了雙極結型晶體管（BJT）和MOSFET特性之間的差異，并了解了為什么MOSFET更適合功率放大器應用并使其更有效。
概述
當設計功率放大器時，考慮在10至20瓦的范圍內，基于集成電路或IC的設計通常是首選，因為它們的尺寸和低元件數量。
然而，對于更高的功率輸出范圍，分立配置被認為是更好的選擇，因為它們在功率輸出選擇方面為設計人員提供了更高的效率和靈活性。
早些時候，使用分立器件的功率放大器依賴于雙極晶體管或BJT。然而，隨著復雜的MOSFET的出現，BJT慢慢被這些先進的MOSFET取代，以實現極高的功率輸出和驚人的有限空間，并縮小了PCB。
雖然MOSFET對于設計中型功率放大器來說可能看起來有點過分，但它們可以有效地應用于任何尺寸和功率放大器規格。
在功率放大器中使用BJT的缺點
雖然雙極性器件在高端音頻功率放大器中效果非常好，但它們也有一些缺點，這些缺點實際上導致了MOSFET等先進器件的引入。
也許B類輸出級中雙極晶體管的最大缺點是被稱為失控情況的現象。
BJT包括一個正溫度系數，這特別會引起一種稱為熱失控的現象，由于過熱而導致功率BJT的潛在損壞。
上圖左側顯示了標準B類驅動器和輸出級的基本設置，采用TR1（如共發射極驅動器級），Tr2和Tr3作為互補發射極跟隨器輸出級。
比較 BJT 與 MOSFET 放大器輸出級配置
放大器輸出級的功能
要設計工作功率放大器，正確配置其輸出級非常重要。
輸出級的目標主要是提供電流放大（電壓增益不超過單位），以便電路可以提供在更高音量下驅動揚聲器所必需的高輸出電流。
參考上面的左側BJT圖，Tr2在正向輸出周期期間像輸出電流源一樣工作，而Tr3在負輸出半周期期間提供輸出電流。
BJT驅動器級的基本集電極負載采用恒定電流源設計，與簡單的負載電阻器實現的效果相反，可提供增強的線性度。
這是由于增益（以及伴隨的失真）的差異造成的，當BJT在很寬的集電極電流范圍內工作時，就會發生增益差異。
在輸出電壓擺幅較大的共發射極級內施加負載電阻無疑會觸發極其巨大的集電極電流范圍和較大的失真。
恒流負載的應用并不能完全消除失真，因為集電極電壓會自然波動，晶體管增益可能在某種程度上取決于集電極電壓。
然而，由于集電極電壓變化引起的增益波動往往相當小，因此完全可以實現遠低于1%的低失真。
連接在輸出晶體管基極之間的偏置電路是必要的，以便將輸出晶體管帶到它們剛好處于導電閾值的位置。
如果不這樣做，Tr1集電極電壓的微小變化可能無法使輸出晶體管導通，并且可能無法改善輸出電壓！
Tr1集電極上較高的電壓變化可能會產生相應的輸出電壓變化，但這可能會錯過頻率每個半周期的開始和結束部分，從而導致通常所說的嚴重“交越失真”。
交叉失真問題
即使輸出晶體管達到導通閾值也不能完全消除交越失真，因為輸出器件在降低的集電極電流下工作時提供的增益相對較小。
這提供了一種中等但不希望的交越失真。負反饋可用于自然地消除交越失真，但是為了獲得出色的結果，實際上必須在輸出晶體管上采用相當高的靜態偏置。
正是這種大的偏置電流導致了熱失控的并發癥。
偏置電流導致輸出晶體管發熱，并且由于其正溫度系數，這會導致偏置電流增加，從而產生更多的熱量，從而導致偏置電流進一步升高。
因此，這種正反饋使偏置逐漸上升，直到輸出晶體管變得太熱并最終被燒毀。
為了防止這種情況，內置溫度檢測系統有助于偏置電路，該系統可在檢測到較高溫度時減慢偏置速度。
因此，當輸出晶體管升溫時，偏置電路會受到產生的熱量的影響，從而檢測到這一點并阻止偏置電流的任何隨之而來的浪涌。實際上，偏置穩定可能并不理想，您可能會發現變化很小，但是，正確配置的電路通常可能表現出足夠足夠的偏置穩定性。
為什么MOSFET在功率放大器中比BJT更高效
在下面的討論中，我們將嘗試理解為什么與BJT相比，MOSFET在功率放大器設計中效果更好。
與BJT類似，如果在B類輸出級中使用，MOSFET也需要正向偏置以克服交越失真。話雖如此，由于功率MOSFET在接近100毫安或更高的電流下具有負溫度系數（在較低電流下具有輕微的正溫度系數），因此它允許不太復雜的B類驅動器和輸出級，如下圖所示。
熱穩定偏置電路可以用電阻代替，因為功率MOSFET的溫度特性內置了偏置電流的熱控制，約為100毫安（這大約是最適合的偏置電流）。
BJT的另一個挑戰是電流增益相當低，僅為20至50。這對于中高功率放大器來說可能還不夠。因此，它需要一個極其強大的驅動級。解決此問題的典型方法是利用達林頓對或等效設計來提供足夠高的電流增益，從而允許使用低功耗驅動器級。
功率MOSFET與任何FET器件一樣，往往是電壓操作器件，而不是電流操作器件。
功率 MOSFET 的輸入阻抗通常非常高，因此在低工作頻率下，輸入電流消耗可以忽略不計。然而，在高工作頻率下，由于輸入電容相對較高，約為500pf，因此輸入阻抗要低得多。
即使具有如此高的輸入電容，通過驅動器級的工作電流也足夠了，盡管峰值輸出電流可能是該數量的一千倍左右。
雙極性功率器件（BJT）的另一個問題是其開關時間有些緩慢。這往往會產生各種問題，例如壓擺觸發的失真。
此時，強大的高頻信號可能需要開關輸出電壓，例如每微秒 2 伏，而 BJT 輸出級可能只允許每微秒 《》
伏特的壓擺率。當然，輸出將難以提供輸入信號的體面再現，從而導致不可避免的失真。
較差的壓擺率也可能給放大器帶來不希望的功率帶寬，在較高的音頻頻率下，可實現的最高功率輸出會顯著下降。
相位滯后和振蕩
另一個問題是通過放大器的高頻輸出級發生的相位滯后，這可能導致負反饋系統的反饋在極高頻率下變為正反饋而不是負反饋。
如果放大器在這種頻率下具有足夠的增益，放大器可能會進入振蕩模式，即使電路的增益不足以觸發振蕩，穩定性的缺乏也會繼續很明顯。
熱穩定偏置電路可以用電阻代替，因為功率MOSFET的溫度特性內置了偏置電流的熱控制，約為100毫安（這大約是最適合的偏置電流）。
BJT的另一個挑戰是電流增益相當低，僅為20至50。這對于中高功率放大器來說可能還不夠。因此，它需要一個極其強大的驅動級。解決此問題的典型方法是利用達林頓對或等效設計來提供足夠高的電流增益，從而允許使用低功耗驅動器級。
功率MOSFET與任何FET器件一樣，往往是電壓操作器件，而不是電流操作器件。
功率 MOSFET 的輸入阻抗通常非常高，因此在低工作頻率下，輸入電流消耗可以忽略不計。然而，在高工作頻率下，由于輸入電容相對較高，約為500pf，因此輸入阻抗要低得多。
即使具有如此高的輸入電容，通過驅動器級的工作電流也足夠了，盡管峰值輸出電流可能是該數量的一千倍左右。
雙極性功率器件（BJT）的另一個問題是其開關時間有些緩慢。這往往會產生各種問題，例如壓擺觸發的失真。
此時，強大的高頻信號可能需要開關輸出電壓，例如每微秒 2 伏，而 BJT 輸出級可能只允許每微秒 伏特的壓擺率。當然，輸出將難以提供輸入信號的體面再現，從而導致不可避免的失真。
較差的壓擺率也可能給放大器帶來不希望的功率帶寬，在較高的音頻頻率下，可實現的最高功率輸出會顯著下降。
相位滯后和振蕩
另一個問題是通過放大器的高頻輸出級發生的相位滯后，這可能導致負反饋系統的反饋在極高頻率下變為正反饋而不是負反饋。
如果放大器在這種頻率下具有足夠的增益，放大器可能會進入振蕩模式，即使電路的增益不足以觸發振蕩，穩定性的缺乏也會繼續很明顯。
Tr1縱為公共發射極輸入級，直接連接到Tr3公共發射極驅動器級。這兩級都提供放大器的總電壓增益，并包括一個非常大的總增益。
Tr2及其連接部件可創建一個簡單的恒流發生器，其邊際輸出電流為10毫安。這類似于 Tr3 的主收集器負載。
R10用于通過輸出晶體管建立正確的靜態偏置電流，如前所述，偏置電流的熱穩定并不是在偏置電路中真正實現的，而是由輸出器件本身提供。
R8從放大器輸出向Tr100發射極提供幾乎1%的負反饋，使電路剛好接近單位電壓增益。
電阻R1、R2和R4的工作方式類似于電位分壓器網絡，用于將放大器輸入級以及輸出偏置至大約電源電壓的一半左右。這樣可以在削波和開始嚴重失真之前實現最高可實現的輸出電平。
R1和C2的使用類似于濾波電路，可消除電源線上的嗡嗡聲頻率和其他形式的潛在噪聲，使其無法通過偏置電路進入放大器輸入。
R3和C5的作用類似于RF濾波器，可防止RF信號從輸入到輸出的破壞，從而引起可聽見的干擾。C4還有助于解決同樣的問題，將放大器的高頻響應有效地滾降到音頻上限以上。
為了確保放大器在可聽頻率下獲得良好的電壓增益，必須在一定程度上去耦負反饋。
C7履行去耦電容的作用，而R6電阻限制被清除的反饋量。
電路的電壓增益大約通過將R8除以R6或與指定器件值相差約20倍（26dB）來確定。
放大器的最大輸出電壓為 16 V RMS，可實現大約 777mV RMS 的輸入靈敏度，以實現全輸出。輸入阻抗可能大于20k。
C3和C8分別用作輸入和輸出耦合電容器。C1 使電源 DC 能夠去耦。
R11和C9專門用于促進和控制放大器的穩定性，其工作原理類似于流行的Zobel網絡，該網絡通常位于大多數半導體功率放大器設計的輸出級周圍。
性能分析
原型放大器似乎表現得非常好，特別是只有當我們注意到該裝置的設計相當簡單時。所示的MOSFET放大器設計電路將愉快地將35瓦RMS輸出到8歐姆負載。
總諧波失真不會超過0.05%左右。僅分析原型在1 kHz左右的信號頻率。
然而，發現該電路的開環增益在整個音頻范圍內幾乎是恒定的。
閉環頻率響應在-2 dB下測量，信號約為20 Hz和22 kHz。
放大器的信噪比（未連接揚聲器）高于80dB的數字，盡管實際上揚聲器上可能會檢測到電源發出的少量電源嗡嗡聲，但電平可能太小，在正常情況下無法聽到。
電源
上圖顯示了 35 W MOSFET 放大器設計的正確配置電源。電源可能足夠強大，可以處理設備的單聲道或立體聲模型。
電源實際上由一對高效的推挽式整流器和平滑電路組成，這些電路的輸出串聯在一起，以提供相當于單個整流器和電容濾波電路施加電位兩倍的總輸出電壓。
二極管 D4、D6 和 C10 構成電源的一個特定部分，而第二部分則由 D3、D5 和 C11 提供。這些中的每一個都提供略低于 40
伏的電壓，沒有連接負載，總電壓為 80 V。
當放大器由具有靜止狀態工作的立體聲輸入信號加載時，該值可能會降至大約 77 V，當兩個放大器通道以全功率或最大功率運行時，該值可能會降至約 60
V。
施工提示
下圖顯示了 35 W MOSFET 放大器的理想 PCB 布局。
這是針對放大器電路的一個通道，因此當需要立體聲放大器時，自然必須組裝兩個這樣的板。輸出晶體管當然不是安裝在PCB上，而是安裝在大型翅片類型上。
將晶體管固定在散熱器上時，無需為晶體管使用云母絕緣套件。這是因為MOSFET源極直接連接到其金屬片，并且這些源極引腳必須保持相互連接。
但是，由于它們不與散熱器絕緣，因此確保散熱器不會與放大器的其他各種部件發生電接觸可能確實至關重要。
此外，對于立體聲實現，不應允許用于一對放大器的各個散熱器彼此電氣接近。始終確保使用最大約 50 mm 的較短引線將輸出晶體管與 PCB
連接起來。
這對于與輸出MOSFET的柵極端子連接的引線尤其重要。由于功率MOSFET在高頻下具有高增益，較長的引線可能會嚴重影響放大器的穩定性響應，甚至觸發RF振蕩，進而可能對功率MOSFET造成永久性損壞。
話雖如此，實際上您可能會發現在準備設計以確保這些引線有效保持更短時幾乎沒有任何困難。需要注意的是，C9和R11安裝在PCB外部，并且只是在輸出插座上串聯連接。
電源構造技巧
電源電路是通過應用點對點類型布線構建的，如下圖所示。
這實際上看起來不言自明，但可以確保電容器 C10 和 C11兩種類型都由虛擬標簽組成。如果不是，使用標簽條來啟用一些連接端口可能至關重要。焊接標簽夾在 T1的一個特定安裝螺栓上，該螺栓為電源交流接地引線提供機箱連接點。
調整和設置
在打開電源之前，請務必全面檢查接線連接，因為接線錯誤可能會導致代價高昂的破壞，并且肯定是危險的。
在打開電路之前，請確保調整R10以獲得最小的電阻（完全逆時針旋轉）。
當FS1暫時取出并在保險絲座上固定一個萬用表以測量500mA FSD的情況下，當放大器上電時，儀表上必須看到大約20mA的讀數（當使用雙聲道立體聲時，這可能是40mA）。
如果您發現儀表讀數與此明顯不同，請立即關閉電源并重新檢查整個接線。相反，如果一切正常，慢慢移動R10，使儀表讀數最大化至100mA值。
如果需要立體聲放大器，則必須調整兩個通道上的R10以使電流消耗達到120mA，然后必須微調第二通道中的R10，以將電流使用量增加到2mA。完成這些操作后，您的MOSFET 放大器就可以使用了。
在執行放大器的設置程序時，請格外小心，不要接觸任何交流電源連接。
在將設備連接到電源之前，所有可能處于交流電源電位的未覆蓋的接線或電纜連接都應正確絕緣。
不用說，與每個交流操作電路一樣，它應該封閉在一個堅固的機柜中，只能借助專用螺絲刀和其他儀器組擰下，以確保沒有任何快速方法可以到達危險的電源接線，并安全地消除事故。
35 W MOSFET 功率放大器的零件清單
120W MOSFET放大器應用電路
根據電源規格，實用的 120 瓦 MOSFET 放大器電路能夠為 50 歐姆揚聲器提供約 120 瓦和 8 瓦 RMS 的輸出功率。
該設計還在輸出級中集成了MOSFET，即使在電路非常簡單的情況下也能提供卓越的整體性能。
放大器的總諧波失真不超過0.05%，但僅在電路未過載時，信噪比優于100dB。
了解 MOSFET 放大器級
如上所示，該電路是參照日立布局設計的。與上一種設計相反，該電路使用揚聲器的直流耦合，并包含具有中間0V和接地軌的雙平衡電源。
這種增強消除了對大輸出耦合電容器的依賴，以及該電容器產生的低頻性能不佳。此外，這種布局還允許電路具有不錯的電源紋波抑制能力。
除了直流耦合功能外，電路設計似乎與早期設計中使用的設計截然不同。在這里，輸入級和驅動器級都集成了差分放大器。
輸入級使用 Tr1 和 Tr2 進行配置，而驅動器級依賴于 Tr3 和 Tr4。
晶體管 Tr5 的配置類似于 Tr4的恒流集電極負載。通過放大器的信號路徑開始使用輸入耦合電容C1和RF濾波器R1/C4。R2用于將放大器的輸入偏置在中央0V電源軌道上。
Tr1作為高效的共發射極放大器接線，其輸出直接連接到Tr4，Tr6用作共發射極驅動器級。從這個階段開始，音頻信號被連接到Tr7和Tr《》，它們縱為互補的源跟隨器輸出級。
負反饋從放大器輸出端提取并與Tr2基極連接，盡管沒有通過Tr1基極到放大器輸出的信號反轉，但Tr2基極和輸出確實存在反轉。這是因為Tr2像發射器跟隨器一樣工作，完美地驅動了Tr1的發射器。
當輸入信號施加到Tr1發射極時，晶體管成功地充當了一個公共基級。因此，雖然反轉不是通過 Tr1 和 Tr2 發生的，但反轉確實通過 Tr4
發生。
此外，相位變化不會通過輸出級發生，這意味著放大器和Tr2基極往往異相，無法執行所需的負反饋。圖中所示的R6和R7值提供約28倍的電壓增益。
正如我們從之前的討論中了解到的，功率MOSFET的一個小缺點是，當它們通過傳統的B類輸出級連接時，它們的效率會低于BJT。此外，功率MOSFET的相對效率在高功率電路中變得相當糟糕，這些電路要求柵極/源極電壓為高源電流的幾個電壓。
可以假設最大輸出電壓擺幅等于電源電壓減去單個晶體管的最大柵極到源極電壓，這當然允許輸出電壓擺幅可能明顯低于施加的電源電壓。
獲得更高效率的一種直接方法是基本上在每個輸出晶體管上并聯連接幾個類似的MOSFET。然后，每個輸出MOSFET處理的最高電流量將大致減少一半，并且每個MOSFET的最大源極至柵極電壓將適當降低（同時放大器輸出電壓擺幅成比例增長）。
然而，類似的方法在應用于雙極性器件時不起作用，這主要是由于其正溫度系數特性。如果一個特定的輸出BJT開始比另一個輸出BJT消耗過多的電流（因為沒有兩個晶體管具有完全相同的特性），則一個器件開始變得比另一個器件更熱。
這種升高的溫度導致BJT的發射極/基極閾值電壓降低，因此它開始消耗更大比例的輸出電流。然后這種情況導致晶體管變得更熱，這個過程無限持續，直到其中一個輸出晶體管開始處理所有負載，而另一個保持非活動狀態。
這種問題在功率MOSFET上是看不到的，因為它們的溫度系數為負。當一個MOSFET開始變熱時，由于其負溫度系數，增加的熱量開始限制流經其漏極/源極的電流。
這會將多余的電流轉移到另一個MOSFET，MOSFET現在開始變得更熱，并且非常相似地，熱量導致通過它的電流成比例地減少。
這種情況會在器件之間產生平衡的均流和耗散，使放大器的工作更加高效和可靠。這種現象還允許MOSFET并聯，只需將柵極、源極和漏極引線連接在一起即可，而無需進行太多計算或擔心。
用于 120 W MOSFET 放大器的電源
120 W MOSFET放大器的適當設計電源電路如上所示。這看起來很像我們早期設計的電源電路。
唯一的區別是兩個平滑電容器連接處的變壓器中心抽頭電源最初被忽略了。對于本例，這習慣于提供中間的0V接地電源，而電源接地也連接到該結點而不是負電源軌。
您可以發現保險絲安裝在正極和負極導軌上。放大器提供的功率輸出在很大程度上取決于電源變壓器的規格。對于大多數要求，35 - 0 -35伏160VA環形電源變壓器實際上應該足夠了。
如果首選立體聲操作，則需要用較重的 300 VA 變壓器替換變壓器。或者，可以為每個通道使用160VA變壓器構建隔離電源單元。
這允許在靜態條件下提供大約50 V的電源電壓，盡管在滿載時，該電平可能會下降到低得多的水平。這使得通過 70 歐姆額定揚聲器獲得高達 8 瓦 RMS的輸出。
需要注意的關鍵一點是，橋式整流器中使用的1N5402二極管的最大容許電流額定值為3安培。這對于單聲道放大器來說可能足夠了，但對于立體聲版本來說可能還不夠。對于立體聲版本，二極管必須替換為6 安培二極管或 6A4 二極管。
印刷電路板布局
您可以找到一個完整的PCB，用于構建自己的120瓦MOSFET放大器電路。所示的 4 個 MOSFET 器件應連接大型翅片散熱器，其額定溫度必須至少為4.5 攝氏度/瓦。
接線注意事項
確保 MOSFET 引腳排列端子盡可能短，長度不得超過 50 mm 左右。
如果要將它們保留比這更長的時間，請確保在每個MOSFET的柵極上添加一個低值電阻（可能是50歐姆1/4瓦）。
該電阻將響應MOSFET的輸入電容，并充當低通濾波器，確保高頻信號輸入具有更好的頻率穩定性。
然而，在高頻輸入信號下，這些電阻可能會對輸出性能產生一些影響，但這實際上可能太小，幾乎不明顯。
晶體管Tr6實際上由兩個并聯連接的n溝道MOSFET組成，Tr7也是如此，它也有幾個并聯的p溝道MOSFET。
為了實現這種并聯連接，各個MOSFET對的柵極、漏極、源極簡單地相互連接，就這么簡單。
另外，請注意，電容器 C8 和電阻 R13 直接安裝在輸出插座上，而不是組裝在 PCB 上。
也許構建電源的最有效方法是硬接線，就像以前的放大器一樣。接線與前一個電路大致相同。
調整和設置
在打開完整的放大器電路之前，請確保仔細檢查每根接線幾次。
具體檢查輸出功率 MOSFET 上的電源接線和相關互連。
這些連接周圍的故障可能會很快導致放大器單元的永久性損壞。
此外，在打開已完成的電路板之前，您需要執行一些先前的調整。
首先完全逆時針旋轉R11預設，并且最初不要將揚聲器連接到設備的輸出。
接下來，代替揚聲器，將萬用表（設置為低壓直流范圍）探頭連接到放大器輸出點，并確保它顯示低靜態輸出電壓可用。
您可能會發現儀表顯示分數電壓或可能根本沒有電壓，這也很好。
如果儀表指示直流電壓較大，您必須立即關閉放大器并重新檢查接線中是否有任何可能的錯誤。
結論
在上面的文章中，我們全面討論了在確保功率放大器正確和最佳工作方面起著至關重要作用的許多參數。
所有這些參數都是標準的，因此在設計任何MOSFET功率放大器電路時都可以有效地使用和應用，無論功率和電壓規格如何。
設計人員可以使用BJT和MOSFET器件的不同特性來實現或定制所需的功率放大器電路。
審核編輯：湯梓紅
工商網監
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