一种快速导通MOSFET放大电路及功率放大器的制作方法

本申请涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种快速导通MOSFET放大电路及功率放大器。

背景技术：

功率放大电路广泛地应用在音频等模拟信号放大及处理领域，目前广泛采用三极管进行功率放大电路设计，但随着对放大电路输出功率越来越大的需求，三极管放大电路由于自身的特性已越来越难以满足大功率输出的需求：首先，三极管属于电流放大型元件，输出功率越大，所需的基极电流就越大，控制电路功耗越大；其次，大功率三极管由于制造工艺限制，放大倍数都比较低，这就进一步需要增加基极电流，从而使得控制电路功耗进一步增大，不得不采用多级驱动，这就增加了系统复杂度，增加了设备的体积和重量。

为了克服大功率功率放大电路控制电路功耗大引起的问题，近年来人们采用MOSFET代替三极管进行功率放大电路设计，MOSFET属于电压控制型元件，改变栅极的电压信号即可实现对输出功率的控制，控制所需功率很小甚至可以忽略不计，从而很大幅度地减少了控制电路功耗，简化了控制电路设计。但是MOSFET的栅极开启电压一般为2V-5V，明显高于三极管0.6V左右的开启电压，存在着较大的控制死区，对驱动信号的响应速度慢，这就限制了MOSFET功率放大电路的发展应用。

技术实现要素：

本申请提供了一种快速导通MOSFET放大电路及功率放大器，以实现MOS管跟随驱动信号快速导通，提高放大电路的快速响应功能。

根据本实用新型实施例的第一方面，提供了一种快速导通MOSFET放大电路，所述电路包括第一MOSFET管、第一电压源、第一驱动信号源、第一直流电源、第一电容和第一三级管，其中：

所述第一驱动信号源的输出端连接所述第一三级管的基极、所述第一三级管的射极连接所述第一MOSFET管的栅极；

所述第一电容的一端分别连接所述第一三级管的集电极和所述第一直流电源的输出端、另一端接地；

所述第一MOSFET管的漏极连接所述第一电压源的输出端、源极接地。

优选地，所述电路还包括由第二三级管和第三三极管组成的图腾柱驱动单元、第二直流电源以及第一电阻，其中：

所述第一电阻的一端连接所述第一驱动信号源的输出端、另一端分别连接所述第二三级管和第三三极管的基极；

所述第二三级管的集电极连接所述第二直流电源的输出端、射极连接分别连接所述第一MOSFET管的栅极、所述第三三极管的射极和所述第一三极管的射极；

所述第三三极管的集电极接地。

优选地，所述第一电容包括多个并联的子电容。

优选地，所述电路还包括第二MOSFET管、第二电压源、第二驱动信号源、第三直流电源、第二电容和第四三级管，其中：

所述第二驱动信号源的输出端连接所述第四三级管的基极、所述第四三级管的射极连接所述第二MOSFET管的栅极；

所述第二电容的一端分别连接所述第四三级管的集电极和所述第三直流电源的输出端、另一端接地；

所述第二MOSFET管的漏极连接所述第二电压源的输出端、源极接地，所述第二MOSFET管的与所述第一MOSFET管的导通特性相反。

优选地，所述电路还包括由第五三级管和第六三极管组成的图腾柱驱动单元、第四直流电源以及第二电阻，其中：

所述第二电阻的一端连接所述第二驱动信号源的输出端、另一端分别连接所述第五三级管和第六三极管的基极；

所述第五三级管的集电极连接第四直流电源、射极连接分别连接所述第一MOSFET管的栅极、所述第六三极管的射极和所述第一三极管的射极；

所述第六三极管的集电极接地。

根据本实用新型实施例的第二方面，还提供了一种功率放大器，该放大器包括本实用新型实施例第一方面提供的快速导通MOSFET放大电路。

由以上技术方案可见，本实用新型实施例提供的一种快速导通MOSFET放大电路及功率放大器，当第一驱动信号源输出驱动信号时，首先使第一三极管导通，进而第一电容可以向第一MOSFET管的栅极充电，这个充电是脉冲式的，因为随着第一MOSFET管的栅极电位变化，第一三极管的射极与集电极之间的电压差值减小，进而截至，第一电容向第一MOSFET管的充电结束，此时第一MOSFET管的漏极与源极已处于持续导通的状态；通过上述电容形成的脉冲电流，MOSFET管可以快速的形成导电沟道，进而适应驱动信号的摆率，进而可以解决驱动电源到MOS的栅极如果路径太长，驱动电源无法瞬时(纳秒级)提供足够的能量到MOS的栅极问题，本实用新型实施例在MOSFET管的栅极和源极之间并联一寄生电抗极小的电容，能瞬时提供驱动能量，即提高摆率，将使高频的功率放大器易于实现，能够更好的跟随驱动信号的状态，提高产品的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的快速导通MOSFET放大电路的基本结构示意图；

图2为本实用新型实施例二提供的快速导通MOSFET放大电路的基本结构示意图；

图3为本实用新型实施例二提供的快速导通MOSFET放大电路的仿真电路图；

图4为图3中仿真电路的N型MOS管的驱动波形图；

图5为图3中仿真电路的P型MOS管的驱动波形图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1为本实用新型实施例一提供的快速导通MOSFET放大电路的基本结构示意图。如图1所示，该电路包括第一MOSFET管MOS1、第一电压源POWER1、第一驱动信号源DR1、用于为第一电容C1供电的第一直流电源DC1、第一电容C1和第一三级管Q1。

其中,第一驱动信号源DR1的输出端连接第一三级管Q1的基极、第一三级管Q1的射极连接第一MOSFET管MOS1的栅极；第一电容C1的一端分别连接第一三级管Q1的集电极和第一直流电源DC1的输出端、另一端接地；第一MOSFET管MOS1的漏极连接第一电压源POWER1的输出端、源极接地。

本实施例以第一MOSFET管MOS1为N型MOS管为例，当第一驱动信号源DR1输出正驱动信号时，第一三极管Q1导通，进而第一电容C1可以向第一MOSFET管MOS1的栅极充电，并且，这个充电是脉冲式的，因为随着第一MOSFET管MOS1的栅极电位变化，第一三极管Q1的射极与集电极之间的电压差值减小，进而截至，第一电容C1向第一MOSFET管MOS1的充电便结束，此时第一MOSFET管MOS1的漏极与源极已处于持续导通的状态；通过上述电容形成的脉冲电流，MOSFET管可以快速的形成导电沟道，进而适应驱动信号的摆率，能够更好的跟随驱动信号的状态，提高产品的性能。

进一步的，为了提供上述电路的驱动能力，上述电路还包括由第二三级管Q2和第三三极管Q3组成的图腾柱驱动单元、用于为上述图腾柱驱动单元供电的第二直流电源DC2以及用于限流的第一电阻R1。

其中，第一电阻R1的一端连接第一驱动信号源DR1的输出端、另一端分别连接第二三级管Q2和第三三极管Q3的基极；第二三级管Q2的集电极连接第二直流电源DC2的输出端、射极连接分别连接第一MOSFET管MOS1的栅极、第三三极管Q3的射极和第一三极管Q1的射极；第三三极管Q3的集电极接地。

当第一驱动信号源DR1输出正驱动信号时，电流经过第一电阻R1和第二三级管Q2的B极、E极，所形成的压降使第一三极管Q1导通，第一电容C1向第一MOSFET管MOS1的栅极充电，这个充电是脉冲式的，随着第一MOSFET管MOS1的栅极电位升高，流过第一电阻R1和第二三级管Q2的电流减小，基于这个电流的压降减小，第一三极管Q1截至，充电结束，此时第一MOSFET管MOS1的漏极与源极已处于持续导通的状态。

进一步的，本实施例里中的第一电容C1包括多个并联的子电容，以增大总的容值，减小电容的ESR值，以适应高频开关。

图2为本实用新型实施例二提供的快速导通MOSFET放大电路的基本结构示意图。如图2所示，该电路是由P沟道+N沟道MOS管组成的互补型共源极单端推挽功率放大电路。

该电路与实施例一的区别在于，还包括第二MOSFET管MOS2、第二电压源POWER2、第二驱动信号源DR2、用于为第二电容C2供电的第三直流电源DR3、第二电容C2和第四三级管Q4。

其中，第二驱动信号源DR2的输出端连接第四三级管Q4的基极、第四三级管Q的射极连接第二MOSFET管MOS2的栅极；第二电容C2的一端分别连接第四三级管Q的集电极和第三直流电源DR3的输出端、另一端接地；第二MOSFET管MOS2的漏极连接第二电压源POWER2的输出端、源极接地。

同样的，为了提供上述电路的驱动能力，该电路还包括由第五三级管Q5和第六三极管Q6组成的图腾柱驱动单元、第四直流电源DC4以及限流的第二电阻R2。其中，第二电阻R2的一端连接第二驱动信号源DR2的输出端、另一端分别连接第五三级管Q5和第六三极管Q6的基极；第五三级管Q5的集电极连接第四直流电源D4、射极连接分别连接第一MOSFET管MOS1的栅极、第六三极管Q6的射极和第一三极管Q1的射极；第六三极管Q6的集电极接地。

本实施例以第一MOSFET管MOS1为N型MOS管、第二MOSFET管MOS2为P型MOS管为例。当第一驱动信号源DR1输出正驱动信号时，第一三极管Q1导通，进而第一电容C1可以向第一MOSFET管MOS1的栅极充电，并且，这个充电是脉冲式的，因为随着第一MOSFET管MOS1的栅极电位变化，第一三极管Q1的射极与集电极之间的电压差值减小，进而截至，第一电容C1向第一MOSFET管MOS1的充电便结束，此时第一MOSFET管MOS1的漏极与源极已处于持续导通的状态。

当第二驱动信号源DR2输出负信号时，电流经过第六三极管Q6的E极、B极和第二电阻R2，所形成的压降使第四三级管Q4导通，第二电容C2向第二MOSFET管MOS2的栅极脉冲充电，随着第二MOSFET管MOS2的栅极电位降低，流过第六三极管Q6和第二电阻R2的电流减小，基于这个电流的压降减小，第四三级管Q4截至，充电结束，此时第二MOSFET管MOS2的漏极与源极处于导通状态

因此，通过上述电容形成的脉冲电流，MOSFET管可以快速的形成导电沟道，进而适应驱动信号的摆率，能够更好的跟随驱动信号的状态，提高产品的性能。

利用上述电路，本实施例还对实施例二中的电路进行仿真实验。图3为本实用新型实施例二提供的快速导通MOSFET放大电路的仿真电路图。如图3所示，主回路选用的MOS FET管为IXYS公司的IXTK170N10P和IXTK170P10P，栅源极寄生电容CISS分别为6nf和12.6nf，电压源50VDC，负载电阻为1.0欧姆，电流为50A。驱动电路信号源为500KHZ，幅值10V的方波信号，其它元件的电阻值、电容值以及型号设计可以参考图3。

图4为图3中仿真电路的N型MOS管的驱动波形图。如图4所示，在第一电容C1，第一三极管Q1组成的辅助电路的作用下，添加辅助电路后的响应曲线VN1-G-2比添加辅助电路前的响应曲线VN1-G-1对驱动DR+响应速度明显提高，VN1-G-2达到12V延时4ns，VN1-G-1达到12V延时30ns，提高了7.5倍，说明由第一电容C1和第一三极管Q1组成电路对加快N管MOS响应驱动信号有明显的作用

图5为图3中仿真电路的P型MOS管的驱动波形图。如图5所示，在增加辅助电路前VP1-G-1达到-12V延时68ns，在第二电容C2和第四三极管Q4辅助电路的作用下，VP1-G-2对驱动信号响应速度明显提高，VN1-G-2达到12V延时28ns，提高了2.4倍，说明由第二电容C2和第四三极管Q4组成电路对加快P管MOS管响应驱动信号有明显的作用。

由以上仿真结果可知，MOSFET管快速开通电路对MOS管的驱动响应速度作用明显，同时，因为N管MOS的寄生电容较P管的寄生电容小，所以添加辅助电路后的效果较好。

基于上述快速导通MOSFET放大电路，还提供了一种功率放大器，该放大器包括上述实施例提供的快速导通MOSFET放大电路。

本实施例提供的放大电路，全部采用分立器件完成，具有结构简单、可靠性高、抗干扰能力强、成本低廉的优点。在实际PCB布板中，考虑将瓷片电容贴在MOS管栅极附近，这样能起到更好的效果。同时由此引入的寄生参数小，不影响原电路的设计参数。在B类或者AB类放大器应用中,此电路抑制过零失真有良好的效果。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里实用新型的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未实用新型的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。