小型功率放大器的設(shè)計(jì)方法

電路規(guī)格下表表示的是隨身聽(tīng)功率放大器的設(shè)計(jì)規(guī)格。隨身聽(tīng)的輸出最大為1V。一。左右。如果電路的電壓放大度為10倍，則能夠以某種程度的音量使小型揚(yáng)聲器發(fā)聲。此時(shí)，如果輸出功率為0.5W就足夠了。

表示已設(shè)計(jì)出的功率放大器的電路圖。該電路是單聲道的。為了播放立體聲，還需要另一聲道的電路。

作為整體的電路結(jié)構(gòu)，用共發(fā)射極放大電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電壓放大。在共發(fā)射極電路集電極插入的偏置電路，產(chǎn)生射極跟隨器的偏置電壓，用推挽發(fā)射極跟隨器進(jìn)行電流放大。

確定電源電壓

電源電壓由輸出功率來(lái)決定。

最大輸出功率PO，對(duì)于8Ω負(fù)載（揚(yáng)聲器的阻抗）為0.5W。所以此時(shí)的輸出電壓Vo為：

Vo=√Po=_Z√0.5Wx8Ω

=2Vms(4.4)

Z=負(fù)載阻抗

該值為有效值，如輸入信號(hào)為正弦波，則輸出波形的峰一峰值為5.7V(≈2Vms×√2×2)。

對(duì)于輸出電壓5.7V，將電源電壓Vcc的值設(shè)定在電路產(chǎn)生的數(shù)伏損失以上，其中包括共發(fā)射極電路發(fā)射極電阻上產(chǎn)生的壓降、射極跟隨器發(fā)射極電阻產(chǎn)生的壓降以及晶體管集電極一發(fā)射極間的飽和電壓等。在這里，設(shè)Vcc=15V(單電源)。

共發(fā)射極放大電路的工作點(diǎn)

將共發(fā)射極放大電路的集電極電流設(shè)定在很大值上，比供給下級(jí)的射極跟隨器基極電流還要大得多。

當(dāng)負(fù)載為8fl、輸出功率為0.5W時(shí)，輸出電壓VO為2Vms（設(shè)波形為正弦波）。

其峰值為2.8V(≈2V×√2)。此時(shí)的負(fù)載電流（=Tr3或者Tr4的集電極電流）為350mA(一2.8V／8Ω)（也是峰值）。

在這里，設(shè)射極跟隨器使用的晶體管的hFE為100，由共發(fā)射極電路提供的基極電流為3.5mA(一350mAll00)。在模擬表示電流流動(dòng)的樣子。

設(shè)共發(fā)射極電路的集電極電流比基極電流3.5mA大得多的值，為20mA。

對(duì)于Tr1，要選擇集電極電流為20mA以上、集電極一基極間電壓與集電極一發(fā)射極間電壓為15V(電源電壓)以上的器件。（選定型號(hào)為2SC2458的晶體管）

若Tr1的發(fā)射極電位太高，則不能得到大的集電極振幅；而過(guò)低時(shí)，集電極電流隨溫度的變化又增大。綜合考慮，在這里取為2V。

為了將集電極電流（一發(fā)射極電流）設(shè)定為20mA，Tr1的發(fā)射極與GND間的電阻Rs+R6取作100Ω一2V／20mA）。

決定放大倍數(shù)的部分

若將Tr1昀集電極電位設(shè)定為8.5V，則能CY7C1011CV33-15BVIT得到最大振幅（這里略去Tr2產(chǎn)生的射極跟隨器的偏置電位）。

為了使集電極電位為8.5V，在R3上的壓降取為6.5V(=15V-8.5V)即可，所以

R3=6.5V/20mA≈330Ω(4.5)

還有，將R5+R6一lOOfl分成兩部分，令R5=22Ω，R6=75Ω，將R6用C3接地之后，該電路的交流電壓放大倍數(shù)為

Av=R3/R5=330Ω/22Ω(≈24dB)(4.6)

由于實(shí)際的放大倍數(shù)要比式(4.6)求得的值小以及射極跟隨器級(jí)發(fā)射極電阻上的損失（后述）等原因，A。的設(shè)定值要設(shè)定在比設(shè)計(jì)規(guī)格稍大的值（設(shè)計(jì)規(guī)格為10倍）。

此外，C3是對(duì)R6進(jìn)行旁路，用以提高放大度的電容。R5，R6與C3形成高通濾波器。為了滿足設(shè)計(jì)規(guī)格的頻率特性，C3取為C3=330μF。

R1與R2起著決定基極電位的作用。為了使發(fā)射極電位為2V，基極電位取為2.6V（=2V+VBE）。在這里，設(shè)R1與R2上流動(dòng)的電流為0.5mA，R1=24kΩ，R2=5.6kΩ。因此，該電路的輸入阻抗為4.5kΩ（=R1∥R2）。

輸入側(cè)的耦合電容Cl與共發(fā)射極電路的輸入阻抗形成的高通濾波器的截止頻率為20Hz以下（由設(shè)計(jì)規(guī)格），以此來(lái)決定C．的值。在這里取C=lOμF（截止頻率為3.5Hz）。

VR．是調(diào)整輸入電平（音量）的可變電阻，取作lOkΩ。

射極跟隨器的偏置電路

為了省略耦合電容，射極跟隨器的倔置電路插在共發(fā)射極電路的晶體管Tri的集電極與負(fù)載電阻R3之間。

在表示偏置電路各部分電壓與電流的關(guān)系。

這里選用的晶體管Tr2，只要滿足最大集電極電流在20mA以上，集電極一基極間與集電極一發(fā)射極間的最大額定值VCBO和VCEO為1.2V以上（兩個(gè)VBE）的條件，不管什么型號(hào)的器件都可以。

但是，考慮到Tr3與Tr4的熱耦合問(wèn)題，通常考慮使用低頻中功率放大晶體管2SC3423。它裝在T0126的全模塑封裝中（金屬部分不露出的絕緣型模塑封裝）。

在該電路基極側(cè)（VR2與R4）流動(dòng)的電流由R4決定，這里取R4=300Ω。VR2與R4流動(dòng)的電流則為2mA(=0.6V／300Ω)。另一方面,Tr1的集電極電流為20mA，Tr2集電極電流則為18mA(一20mA-2mA)。

即使是這樣的電路（與放大電路一樣），在基極側(cè)流動(dòng)的電流也設(shè)定為集電極電流的1/10（為了能略去基極電流）。

為了使Trz的集電極一基極間電壓為2VBE（Tr3與Tr。的VBE），使VR2的值與R4相同即可。所以，采用VR2=470Ω（500Ω也可以)，使得半固定電阻的滑動(dòng)頭位置在中央附近時(shí)的電阻為300Ω。

C2對(duì)偏置電路進(jìn)行旁路，是為了使由Tr3與Tr4的基極“見(jiàn)到”的阻抗相等。由于C2的插入，高頻失真率得到改善。

C2值越大，Tr3與Tr4的基極一基極間的阻抗越低，但是太大也無(wú)意義，這里取Cz=3.3μF。

6射極跟隨器的功率損耗

該電路將電源電壓沒(méi)定15V，Tr1的集電極電位設(shè)定在8.5V。因此，如忽略Tr2引起的偏置電壓，射極跟隨器也與共發(fā)射極電路部分相同，可輸出峰值電壓為6.5V的信號(hào)。

該輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)8Ω的負(fù)載時(shí)，約800mA（一6.5V/8Ω）的峰值電流作為集電極電流在Tr3與Tr4上流動(dòng)。

另一方面，輸出電壓到達(dá)正負(fù)峰值時(shí)，在Tr3與Tr4的集電極一發(fā)射極間就直接地加了電源電壓(15V)。

通常，在考慮輸出波形為正弦波時(shí)（如該電路所示），在進(jìn)行B類工作的推挽射極跟隨器中，每一個(gè)晶體管的集電極損耗Pc的最大值為最大輸出功率的1/5(詳細(xì)情況見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1])。

設(shè)輸出波形為正弦波，則該電路的最大輸出電壓為有效值4.6V。。（一6.5V／√2），所以最大輸出功率為2.65W(≈4.6V2/8Ω)，Tr3與Tr4的Pc最大值為其1/5，即0.53W。

因此，Tr3與Tr4選擇集電極電流在800mA以上，集電極一基極間電壓與集電極一發(fā)射極間電壓在15V以上，Pc在0.53W以上的晶體管。

在這里，Tr3與Tr4選用低頻功率放大用的互補(bǔ)對(duì)2SD1406與2SB1015。兩者的特性。

Tr3與Tr4的集電極損耗合計(jì)為1.06W，所以必須要熱沉，即散熱板。在該電路中，使用了能夠?qū)?W熱量充分散熱的熱沉（MC24-L20，ryo-san，如果是同等程度的熱沉，任何一種均可）。

為了對(duì)Tr2、Tr3和Tr4進(jìn)行熱耦合，將三個(gè)晶體管安裝在同一個(gè)熱沉上。

需要加以說(shuō)明的是，產(chǎn)生1.06W的熱量，僅僅發(fā)生在輸出為最大輸出115的情況下。如果不經(jīng)常發(fā)出太大的聲音，Tr3與Tr4的管殼也足夠大(T0220全塑模)的話，就不需要安裝熱沉。

此時(shí)的Tr2～Tr4的熱耦合，用Tr3與Tr4將Tr2夾起來(lái)，并用螺絲固定住。

輸出電路周邊的元件

Tr3與Tr4的發(fā)射極電阻R，和R8起著限制輸出電流，吸收Tr3與Tr4的VBE值隨溫度變化的作用。但是，如該電路那樣，發(fā)射極電阻值小時(shí)，不能對(duì)溫度變化的吸收有太高的期望。R7與R8的信取得討大，則因負(fù)載電流在R7和R8流動(dòng)的緣故，在該電阻上會(huì)產(chǎn)生大的功率損耗。

例如，把功率供給8Ω負(fù)載時(shí)，假設(shè)R7=R7=16Ω，則能供給負(fù)載的功率為原來(lái)輸出功率的1／2（因?yàn)殡娐返妮敵鲎杩篂镽7∥R8=8Ω），因而電壓放大度估計(jì)也為1／2。

因此，要將該發(fā)射極電阻設(shè)定在比所接負(fù)載電阻更小的值，即1/10以下。在該電路中是8Ω的負(fù)載（揚(yáng)聲器），所以取R7=R8=0.5Ω（功率及電壓放大度都有3%的損失）。

即使在R7和R8持續(xù)流過(guò)800mApek的最大負(fù)載電流，其消耗功率卻只有0.16W(≈(800mA／√2)x0.5Ω)。所以，R7與R8用額定功率為1／4W的電阻就足夠了。

但是，1／4W、0.5Ω的電阻是很難買到的。于是，在電路制作中，用兩個(gè)1/4W、1Ω的電阻并聯(lián)連接來(lái)代用（參見(jiàn)照片4.1）。

C4的作用是隔直電容。C。=lOOOμF，與揚(yáng)聲器的阻抗8Ω形成的高通濾波器截止頻率為19.9Hz(滿足20Hz的設(shè)計(jì)規(guī)格)。

負(fù)載電阻8Ω是很低的。當(dāng)想降低截止頻率時(shí)，無(wú)論如何要增大Ct的值。

在沒(méi)有接負(fù)載時(shí)，R9是使C4放電用的電阻（為在接通電源后，即使接上揚(yáng)聲器，也不發(fā)出震動(dòng)噪聲）。過(guò)大的值沒(méi)有意義，太小又發(fā)生功率損耗，這里取為R9=lkΩ。

C5是電源的去耦電容。在該電路那樣的單電源功率放大器中，由輸出端的GND(即OV)看到的Tr3與Tr4的集電極側(cè)（即電源）的阻抗在輸出信號(hào)的頻率下是非常低的。當(dāng)輸出電流大量流動(dòng)時(shí)，輸出波形就會(huì)發(fā)生失真。

Tr4的集電極接GND，對(duì)于GND的阻抗為O。但Tr3的集電極接電源，故具有一定值。因此，將C5的值取得十分大，以降低對(duì)GND的低頻阻抗。這里取C5=470μF。