功率放大電路的關(guān)鍵問(wèn)題 功率放大器的設(shè)計(jì)方法

一、功率放大電路的關(guān)鍵問(wèn)題

我們常用的喇叭(揚(yáng)聲器)常常需要使用功率放大器才能使其發(fā)出聲音，隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在有很多輸出功率大且集成在封裝的IC可以作為功率放大器，并且功率放大器會(huì)隨著輸出功率的增大而發(fā)熱，這可能導(dǎo)致在IC內(nèi)部電性能發(fā)生變化，所以在設(shè)計(jì)中，需要注意因溫度引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。這里，功率放大電路使用共發(fā)射極放大電路與射極跟隨器相組合，來(lái)設(shè)計(jì)、制作使揚(yáng)聲器發(fā)聲的簡(jiǎn)單功率放大器。

設(shè)計(jì)之前需要考慮功率放大電路的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1、電壓放大與電流放大;

2、簡(jiǎn)單的推挽電路;

3、對(duì)開(kāi)關(guān)失真進(jìn)行修真;

4、防止熱擊穿;

5、抑制空載電流隨溫度的變動(dòng)

電壓放大與電流放大

圖1-1表示功率放大電路的框圖，將輸入信號(hào)的電壓放大之后進(jìn)行電流放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器等負(fù)載。

圖1-1 功率放大電路的框圖

制作電壓放大級(jí)，通?？捎霉舶l(fā)射極或者共基極以及源接地或者柵接地的有電壓增益的電路。這些電路僅進(jìn)行電壓放大，因電路的電流小，所以沒(méi)有發(fā)熱的問(wèn)題。

制作電流放大級(jí)，要對(duì)電壓放大級(jí)放大后的電平信號(hào)進(jìn)行處理，且由于進(jìn)行電流放大需流過(guò)大電流，常采用射極跟隨器的方式，所以晶體管變得很熱，存在嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)題。

簡(jiǎn)單的推挽電路

為了增大射擊跟隨器的輸出電流，常采用推挽的方式，基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示：

圖1-2 推挽電路的基本結(jié)構(gòu)

圖1-2中無(wú)信號(hào)時(shí)，三極管Tr1和Tr2截止、空載電流沒(méi)有流動(dòng)的情況，這種情況不需要考慮溫度穩(wěn)定性的問(wèn)題。但是這種電路存在開(kāi)關(guān)失真大的缺點(diǎn)，所以需要對(duì)其進(jìn)行修正。

對(duì)開(kāi)關(guān)失真進(jìn)行修改

圖1-3左邊是對(duì)晶體管的基極-發(fā)射極間電壓Vbe用二極管的正向壓降Vf進(jìn)行抵消、進(jìn)而來(lái)消除開(kāi)關(guān)失真的電路。

晶體管Vbe的值具有溫度越高就越小的負(fù)溫度系數(shù)(-2.5mV/℃)。因此，由這樣的電路取出大量負(fù)載電流時(shí)，三極管Tr1和Tr2的溫度就升高，Vbe的值就變小，然而，即使Tr1和Tr2的溫度變高，二極管D1和D2上流動(dòng)的電流變化也不大，所以其正向壓降Vf也幾乎是一定值，也就是Vf≈Vbe的關(guān)系被破壞，而成為Vf>Vbe。這樣一來(lái)，在Tr1和Tr2中，與Vf和Vbe之差相對(duì)應(yīng)的基極電流流動(dòng)，為基極電流提供了Hfe倍的集電極電流作為空載電流而流動(dòng)，這樣，進(jìn)一步增加了集電極電流，使得集體管的溫度變得更高，Vf和Vbe的電壓差變大，集電極電流變得更大，最后導(dǎo)致Tr1和Tr2發(fā)生熱擊穿，所以需要采取措施對(duì)熱擊穿進(jìn)行保護(hù)。

圖1-3 加二極管修正開(kāi)關(guān)失真

防止熱擊穿

圖1-4是在圖1-3電路中接入發(fā)射極電阻來(lái)吸收Vf與Vbe的電壓差，從而限制發(fā)射極電流的電路?？蛰d時(shí)的集電極電流被限制在(Vf-Vbe)/R,該電路比圖1-3更加安全，但想減少空載時(shí)的集電極電流，則必須增大R的值。

例如，Vf與Vbe的電壓差為100mV時(shí)(D1，D2與Tr1、Tr2的溫度差40℃，約產(chǎn)生100mV的電壓差)，為了將空載時(shí)的集電極電流控制在在10MA，則必須設(shè)定R=10Ω。

這樣一來(lái)，即使射極跟隨器的輸出阻抗為0，該電路的輸出阻抗也為Z0=10Ω，因該發(fā)射極電阻引發(fā)的損失，在大電流輸出的電路中就不能驅(qū)動(dòng)如揚(yáng)聲器那樣的低阻抗負(fù)載(揚(yáng)聲器的阻抗為6~8Ω)。

但是，該電路因溫度產(chǎn)生的電壓差僅由電阻吸收，所以沒(méi)有根本地解決空載電流隨溫度變動(dòng)的問(wèn)題。

圖1-4 防止熱擊穿電路

抑制空載電流隨溫度的變化

圖1-5是在射極跟隨器的晶體管與偏置電路中使用晶體管進(jìn)行熱耦合的電路。隨著溫度的變化，偏置電壓發(fā)生變化，以達(dá)到根本解決空載電流隨溫度變動(dòng)的問(wèn)題。

圖1-5 溫度穩(wěn)定度好的偏置電路

在該電路中，如設(shè)Tr1的基極-發(fā)射極間電壓為Vbe，則Tr1的基極偏置電路Ra、Rb上流動(dòng)的電流i為：

另一方面，Tr1的集電極-發(fā)射極間電壓Vb(約等于Tr2與Tr3的偏置電壓)為：

將式(1.2)代入到式(1.1)中，得：

總之，改變Ra與Rb之比，可以將Vb設(shè)定為Vbe1的任意倍。在圖1-5的電路中，必須對(duì)Tr2與Tr3的基極-基極間電壓設(shè)定在晶體管的兩個(gè)Vbe上(=Vbe2+Vbe3)。因此，如設(shè)Ra=Rb，則Vb=2Vbe1(2個(gè)Vbe)，從而取得電壓的平衡(這里，認(rèn)為Vbe1=Vbe2=Vbe3)。進(jìn)而，由于Tr1~Tr3是熱耦合的(例如，預(yù)先將管殼靠近，使它們成為相同的溫度)，即使Vbe2與Vbe3隨溫度而變化，Vbe1也同樣發(fā)生變化，一直維持Vb=2Vbe1=Vbe2+Vbe3的關(guān)系。這樣就解決了電路中熱擊穿的問(wèn)題。

二、功率放大器的設(shè)計(jì)方法

可能對(duì)于不了解隨身聽(tīng)的朋友來(lái)說(shuō)，并不知道電壓幅值1Vp-p、電壓放大倍數(shù)為10、輸出功率為0.5W，所以這放在后面補(bǔ)充，這里只需要知道后續(xù)的設(shè)計(jì)就是圍繞這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了方便看懂分析原理，先貼上整體電路圖，圖1-1是完成小型功率放大器電路圖：

圖1-1 整體電路圖

整體分析思路為：

1、確定功率放大器的設(shè)計(jì)規(guī)格;2、確定電源電壓;3、確定共發(fā)射極放大電路的工作點(diǎn);4、確定共射極放大電路中元器件的具體參數(shù);5、確定射極跟隨器的偏置電路;6、推斷射極跟隨器的功率損耗;

01、確定功率放大器的射擊規(guī)格

電壓增益：10倍(20dB左右)

輸出功率：0.5W以上(8Ω負(fù)載)

頻率特性：20Hz~20kHz(-3dB帶寬)

失真率(THD)：1%以下

其中電壓增益Z倍與KdB之間的關(guān)系為：

揚(yáng)聲器8Ω負(fù)載的功率大概為0.5W，通常揚(yáng)聲器的功率越大，其內(nèi)部電阻就越小。

02、確定電源電壓

電源電壓是由輸出功率Po來(lái)決定的，對(duì)于只有8Ω負(fù)載的揚(yáng)聲器，其功率一般為0.5W，所以此時(shí)電路應(yīng)輸出電壓Vo為：

其中Z表示揚(yáng)聲器的阻抗，算出來(lái)的輸出電壓Vo該值是一個(gè)有效值，如果輸入信號(hào)是正弦波，則輸出波形的峰峰值電壓應(yīng)為：

對(duì)于輸出電壓為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-發(fā)射極間的飽和電壓等，所以，需要采用15V的電源電壓。

03、確定共發(fā)射極放大電路的工作點(diǎn)

共發(fā)射極放大電路可以提供電壓信號(hào)，但是不具備電流驅(qū)動(dòng)能力，所以需要在后面添加射極跟隨器增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力，所以在實(shí)際中需要將共發(fā)射極放大電路的集電極電流設(shè)定在很大的值上，以保證供給下級(jí)的射極跟隨器基極電流還要大很多。當(dāng)負(fù)載為8Ω、輸出功率為0.5W時(shí)，輸出電壓Vo為2Vrms(設(shè)定波形為正弦波，但實(shí)際的波形不是正弦)，其峰值為2.8V(5.7V的一半)，此時(shí)負(fù)載的電流為：

如果，假設(shè)射極跟隨器使用的晶體管的放大倍數(shù)為100倍，那么由共射極電路提供的基極電路為：

兩個(gè)電路的電流需求關(guān)系如圖1-2所示：

圖1-2 電流需求關(guān)系圖

圖1-3是兩個(gè)電路具體電路圖：

圖1-3 提供給射極跟隨器的電流

在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要共發(fā)射極電路的集電極電流比射極跟隨器的基極電流3.5mA大的多，假設(shè)定為20mA。

前兩步確定好電源電壓和共發(fā)射極電路的工作狀態(tài)后需要對(duì)共發(fā)射極電路中的元器件進(jìn)行選型，在圖1-1中對(duì)于Tr1，要選擇集電極電流為20MA以上，且集電極-基極間電壓Vcbo和集電極-發(fā)射極Vceo之間的電壓要大于15V的器件。

同時(shí)，還需要考慮三極管Tr1的發(fā)射極電位，如果其電位太高，就不能得到大的集電極振幅(輸出波形電壓幅值小);如果電位太低，那么集電極電流隨溫度的變化又增大，綜合考慮定發(fā)射極電位為2V。

因?yàn)門r1的集電極電流為20mA，所以Tr1的發(fā)射極與GND之間的電阻取值：

04、確定共發(fā)射極放大電路中具體元器件的參數(shù)值

如圖1-4所示，若將Tr1的集電極電位設(shè)定為8.5V，則能得到最大振幅(這里完全是根據(jù)波形假定)。為了使集電極電位為8.5V左右，所以電阻R3上的壓降為6.5V(15V-8.5V)即可，所以電阻R3的值為：

圖1-4 Tr1的集電極電位與輸出信號(hào)的振幅

在共發(fā)射極電路中，為了提高其放大倍數(shù)，通常需要將Tr1的發(fā)射極與GND之間的電阻分為兩個(gè)部分，為了使其放大倍數(shù)在20dB左右，這里設(shè)定R5=22Ω，R6=75Ω，將電阻R6用電容C3接地，可以提高電路的電壓放大倍數(shù)，其值為：

換算成增益為：

24dB>20dB，這是因?yàn)閷?shí)際的放大倍數(shù)要比式(1.9)求得的值小以及射極跟隨器中發(fā)射極電阻上損失等原因，所以交流放大倍數(shù)要比設(shè)計(jì)規(guī)格稍大。

電容C3是為了對(duì)電阻R6進(jìn)行旁路，以提高放大電路的交流放大倍數(shù)，其中電阻R5和R6與C3形成高通濾波器，為了使其滿足設(shè)計(jì)規(guī)格的頻率特性，電容C3取330uF。

基極電位為：

設(shè)定電阻R1和R2上流動(dòng)的電流為0.5mA，所以電阻R1和電阻R2的取值分別為：

電路的輸入阻抗為：

輸入側(cè)的耦合電容C1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，由此來(lái)決定C1的值，這里取C1為10uF，截止頻率為3.5Hz。

其中圖1-1中電阻VR1是調(diào)整輸入音量的可變電阻，取作10kΩ。

三、功率放大器的設(shè)計(jì)方法2

同上期一樣，為了方便看懂分析原理，先貼上整體電路圖，圖1-1是完成小型功率放大器電路圖：

圖1-1 整體電路圖

01、設(shè)置射極跟隨器的偏置電路

圖1-1中射極跟隨器的偏置電路設(shè)置在共發(fā)射極電路的晶體管Tr1的集電極與負(fù)載電阻R3之間，上期求出了共發(fā)射極電路的集電極流過(guò)的電流為20mA，所以選用的偏置電路中的晶體管要求最大集電極電流在20mA以上，并且偏置電路是為推挽輸出電路提供偏置的，所以也要求選用的晶體管Tr2的集電極-基極間Vcbo與集電極-發(fā)射極Vceo間的最大電壓為1.2V以上。

圖1-2是偏置電路結(jié)構(gòu)，該電路的基極側(cè)流過(guò)的電流是由電阻R4決定的，這里取R4為300Ω(為了好分析)，那么電阻R4之間流過(guò)電流為：

圖1-2 射極跟隨器偏置電路的各部分電壓與電流

另一方面，晶體管Tr1的集電極電流總共為20mA，所以晶體管Tr2集電極電流為18mA,為了使Tr2的集電極-基極間電壓為2Vbe，由第一期求得公式：

可知，只要使得R4和VR2的值相等即可，其中(VR2表示RA，R4表示RB)，可以采用470歐姆的滑動(dòng)變阻器自行調(diào)節(jié)。

電容C2是對(duì)偏置電路進(jìn)行旁路，為了使推挽輸出電路中晶體管Tr3和Tr4的基極“見(jiàn)到”的阻抗相等，同時(shí)電容C2對(duì)，電路的高頻失真率也有所改善(也不懂)，C2的取值越大，那么Tr3和Tr4的基極間的阻抗越低(電容越大，容抗越小)，但是太大也沒(méi)什么意義，所以這里取電容C2為2.2uF。

02、射擊跟隨器的功率損耗計(jì)算

整體電路的電源電壓為15V，晶體管Tr1的集電極電位設(shè)定為8.5V，所以，如果忽略晶體管Tr2引起的偏置電壓，那么射極跟隨器也與共發(fā)射極電路部分是相同的，圖見(jiàn)1-3所示：

圖1-3 信號(hào)振幅

從圖1-3可以得出，射極跟隨器最后輸出電壓幅值為6.5V，當(dāng)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)8Ω的揚(yáng)聲器負(fù)載時(shí)，那么需要驅(qū)動(dòng)的電流為：

這個(gè)輸出電流作為集電極電流在晶體管Tr3和Tr4上流動(dòng)，另一方面，當(dāng)輸出電壓達(dá)到正負(fù)的峰值時(shí)，那么兩個(gè)晶體管集電極-發(fā)射極之間的最大電壓為15V。

當(dāng)輸出波形是正弦波時(shí)，則該電路的最大輸出電壓有效值為：

最大輸出功率為：

而Tr3和Tr4的功率最大值為最大輸出功率的1/5，所以兩個(gè)晶體管各自的功率為0.53W。【通常，在考慮輸出波形為正弦波時(shí)，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功率的最大值為最大輸出功率的1/5】

因此，Tr3與Tr4應(yīng)該選擇集電極電流在800mA以上，集電極-基極間電壓與集電極-發(fā)射極間電壓為15V以上，功率在0.53W以上，同時(shí)，由于兩個(gè)晶體管最后的損耗為1.06W，所以必須要使用散熱板。

03、總結(jié)設(shè)計(jì)方法

在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，首先需要對(duì)功率器的規(guī)格進(jìn)行定型，包括(增益、功率、頻率、失真率)，然后分析整體電路使用的電源電壓，接著選型共射極放大電路中NPN晶體管，并對(duì)其中各元件進(jìn)行參數(shù)選型，之后為了消除最后推挽輸出電路的開(kāi)關(guān)失真和防熱擊穿，需要設(shè)計(jì)偏置電路，最后從功率的方面分析推挽輸出電路。