小型功率放大器的設(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?。蝗绻娢惶?，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。