下面圖 1 中的第一個設計描述了一個基本的、真正的互補 10 W MOSFET 放大器的電路設計。這是一種眾所周知的配置,其中公共發射極輸入級(Tr1)直接驅動公共發射極驅動器級(Tr2)。隨后,這將操作幾個互補的發射極跟隨器輸出晶體管,或在這種情況下的互補源跟隨器輸出晶體管。
反饋偏置
由于R6通過放大器輸出(Tr3和Tr4源)向Tr1的發射極提供的反饋,因此直流時幾乎存在100%的負反饋。
這使得輸出偏置變得簡單,并且大約是電源電位的一半,因為只需要使用電阻分壓器將輸入(Tr1的基極)偏置到該電平。R1、R2、R3和C2構成偏置電路。R1和C2濾除任何嗡嗡聲或噪聲,否則這些嗡嗡聲或噪聲會通過偏置網絡流經電源線到達放大器的輸入端。
通常,輸出電壓擺幅(以及功率)將偏置到電源電壓的1/2,以避免削波和明顯失真。正如我們稍后將看到的,在這種情況下,最好的結果來自稍大的靜態輸出電壓,以便電路適當偏置。
R4是Tr1的集電極負載,其值約為1mA,可將Tr1的集電極電流保持在合理水平。Tr2的主集電極負載為R7,R8也包含在Tr2的集電極負載中。R8通過輸出晶體管調節靜態偏置電流,并設置為消耗約30mA的總靜態電流。
盡管如果輸出晶體管使用雙極性器件,則對偏置電路使用一個或多個晶體管以實現溫度補償是正常的。
這里沒有必要這樣做,因為兩個輸出MOSFET具有負溫度系數,因此一旦它們在工作時過熱,最終會導致靜態輸出電流的小幅下降。
因此,不存在熱失控的危險,也不需要溫度控制,因為在輸出MOSFET升溫時輸出偏置電流的微小降低沒有實際影響。
場效應管與苯二甲基苯乙烯
與類似電路中的雙極器件相比,這種設計中采用的MOSFET的一個缺點是效率降低。在發射極跟隨器配置中使用時,晶體管基極的輸入電壓會導致發射極輸出電壓大致相等的變化,BJT的基極和發射極引腳之間的壓降僅為約0.65伏。
電壓增益并不完全統一,但通常約為0.98,這對于此類電路中的高效率來說是可以接受的,當放大器完全供電時,輸出電壓擺幅與電源電壓電平不太遠。
與BJT不同,MOSFET器件的柵極閾值電壓略高于BJT器件中的相應電壓,從而降低了輸出電壓偏移。
也就是說,對于雙極性功率放大器,通常為每個輸出器件采用達林頓對或其他類似配置,從而使基極閾值電壓增加兩倍。
然而,MOSFET器件仍然可能表現出較低的效率,因為它們需要一個大的柵極到源極電壓來使其強烈偏置到導通中,而雙極性器件只需要略高于其基極閾值電壓的基極至發射極電壓即可達到等效的導通程度。
當采用源極跟隨器模式時,MOSFET 器件提供的電壓增益明顯低于單位電壓增益,并且柵極至源極兩端的壓降隨著輸出電流的上升而變得更高。
使用引導
引導方法是減少此問題的一種方法,C5 和 D1 在此體系結構中提供了引導。當電路空閑時,D1允許電流流過R7、R8和Tr2,因此對電路的影響最小。一旦輸出變為正,C5將電壓增量鏈接到D1和R7的結點。
因此,驅動器級的電源電壓通過相當于正向輸出信號輸出電壓變化的值(減去D1約0.5 V的壓降)完美增加。
自舉信號應與正電源電壓隔離,因此必須增加D1。D1位置的電阻器是此類電路的標準配置(在雙極性設計中也廣泛使用以增強輸出功率)。
但是,如果D1使用電阻,則C5電容將面臨較低的阻抗,并且需要是較大值的電容,以保證在較低頻率下獲得更好的性能。
包括自舉網絡的想法是,它允許Tr3獲得大于正電源電壓的柵極電壓。因此,即使其柵極和源極端子之間的壓降為數伏,它也能夠產生幾乎等于正電源軌電壓的源電位。
自舉方法的一個缺點是,它只在一組半周期中產生預期的影響,在本例中為正半周期。由于Tr2的集電極電壓不能完全滑落到負電源電壓,因此Tr4可獲得的最小驅動電壓仍為0V,實際上略高。
當最低柵極電壓略高于0V時,Tr4在高輸出電流情況下的最低源電壓必須比該柵極電壓低許多伏。
為了補償這一點,必須使用比通常用于具有此額定功率和負載阻抗的放大器略高的電源電壓。如前所述,輸出偏置到略高于電源電壓的一半,這是必需的,否則輸出會在正輸出峰值削波之前很久就削波于負峰值。
將輸出偏置為幾伏電壓,超過源電壓的一半,可確保在給定電源電壓下實現幾乎對稱的削波和最高輸出功率。
效率和增益
在所述設置下,放大器的電壓增益大致相當于R6除以R5,或約10倍(20dB)。但是,通過改變R5的值,可以在合理的范圍內調整電路的電壓增益以滿足特定需求。就像任何音頻放大器布局一樣,效率可能因樣本而異。
盡管如此,該設計的失真水平似乎與基本BJT電路相當,在所有輸入功率范圍內的有效諧波失真均低于0.1%。
電路的開環增益(即沒有負反饋時的電壓)在整個音頻頻譜上幾乎是恒定的,因此在增加音頻頻率時應該幾乎沒有下降。這種設計中沒有任何部件可以實現高頻滾降或相位校正,這可能會讓習慣于這種BJT系統的讀者感到驚訝。
功率輸出
當使用 30 伏(負載)電源時,電路的輸出功率通常在 6 至 7 瓦 RMS 左右,進入 8 歐姆揚聲器。大約 36 伏的電源可以產生大約 10 瓦 RMS 的更大輸出功率,這大約是不得超過的最高負載電源電壓。
值得注意的是,輸出設備(特別是Tr4)會產生大量熱量,因此需要將它們安裝在大型散熱器上。
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