150W功率放大器電路

功率放大電路是輸出阻抗最小的電路，用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器等負(fù)載，這些負(fù)載需要低阻抗大功率。在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)使用推挽式 AB 類配置的功率放大器電路，以獲得 150W 的功率來驅(qū)動(dòng) 8 歐姆的負(fù)載（揚(yáng)聲器）。

功率放大器電路的原理：

該電路的基本原理是雙極結(jié)型晶體管的不同偏置方式。 麥克風(fēng)輸出的電信號(hào)非常低。使用 CE 配置的雙極結(jié)型晶體管在 A 類模式下偏壓，可將該低壓信號(hào)放大至可持續(xù)電平。在這種模式下，輸出為反相放大信號(hào)。該信號(hào)為低功耗信號(hào)。 以 AB 類配置排列的兩個(gè)達(dá)林頓功率晶體管可放大該信號(hào)的功率電平。 A 類模式配置的晶體管用于驅(qū)動(dòng)該晶體管。

功率放大器電路背后的理論：

該電路的兩個(gè)重要方面是 AB 類放大器和 A 類電壓放大器。 在 AB 類模式下，偏置的晶體管只能產(chǎn)生輸入信號(hào)一半的放大輸出信號(hào)。因此，AB 類放大器由兩個(gè)匹配的晶體管組成，其中一個(gè)對(duì)一半輸入信號(hào)導(dǎo)通，另一個(gè)對(duì)另一半輸入信號(hào)導(dǎo)通。 實(shí)用的 AB 類放大器由二極管為兩個(gè)晶體管提供偏壓，以消除交叉失真。該放大器由共發(fā)射極配置的晶體管驅(qū)動(dòng)。

在 A 類模式下偏置的晶體管可產(chǎn)生輸入信號(hào)的反相版本。但效率較低，輸出阻抗也較低。

150 瓦功率放大器電路圖：

功率放大器電路設(shè)計(jì)：

AB 類放大器級(jí)的設(shè)計(jì)：

晶體管的選擇：  這里所需的輸出功率為 150W。考慮到晶體管的功率耗散，我們假設(shè)所需功率約為 200W。這里我們選擇 +/-50V 雙電源，即 Vcc = 50V，負(fù)載為 8 歐姆。為了提高電路效率，我們選擇了一對(duì)達(dá)林頓晶體管 - TIP142（NPN）和 TIP147（PNP）。

選擇偏置電阻器：  偏置電阻上的電壓應(yīng)比 Vcc 低約 1.4V。此外，由于集電極平均電流相當(dāng)大，偏置電流也相當(dāng)小。因此需要使用大阻值電阻。這里我們使用 3K 電阻。

二極管的選擇：- 兩個(gè)二極管用于為功率晶體管提供適當(dāng)?shù)钠珘海韵徊媸д妗６O管的選擇應(yīng)確保其熱特性與晶體管的熱特性相似。這里我們使用的是 1N4007 二極管。

輸出電阻的選擇：- 兩個(gè)阻尼電阻用于盡量減小兩個(gè)匹配晶體管之間的特性差異，并提供熱補(bǔ)償。這些電阻的阻值應(yīng)較低，這里我們選擇 0.33 歐姆。

自舉電阻和電容器的選擇：- 自舉是為了增加達(dá)林頓晶體管的輸入阻抗。在這里，我們選擇一個(gè) 10uF 的電解質(zhì)電容器，使其在最低 20Hz 頻率下的電抗較小。電阻值應(yīng)較大，以提供較高的輸入阻抗。這里我們選擇 3K 電阻器。

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)級(jí)：

選擇晶體管： 這里我們選擇功率晶體管 TIP41，以提供高功率、高增益輸出。

選擇發(fā)射極電阻：  驅(qū)動(dòng)晶體管的發(fā)射極電壓是 Vcc 和 Vbe 的一半之差。由于 Vcc 為 50V，Vbe 為 0.7V，因此發(fā)射極電壓為 24.3V。由于發(fā)射極電流與晶體管靜態(tài)集電極電流相同，因此電阻 Re 的值約為 50 歐姆。不過，這里我們選擇的是 40 歐姆電阻。

耦合電容器的選擇： 耦合電容器用于將交流信號(hào)從前級(jí)放大器的輸出級(jí)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)級(jí)的輸入端。這里我們選擇一個(gè) 10uF 的電解質(zhì)電容器。

音頻前置放大器級(jí)的設(shè)計(jì)：

晶體管的選擇：  由于這里的 Vcc 電壓約為 50V，因此我們要選擇一個(gè)集電極至發(fā)射極最大開放源電壓大于 Vcc 的晶體管。為此，NPN 晶體管 BC546 符合我們的要求。

選擇負(fù)載電阻 R3： 從 BC546 的數(shù)據(jù)表中可以看出，其靜態(tài)集電極電流約為 2mA。 所選負(fù)載電阻的值應(yīng)為：當(dāng) 2mA 電流通過該電阻時(shí)，其兩端的電壓為 Vcc 的一半。因此，負(fù)載電阻為 12.5K。這里我們選擇 10K 電阻器。

選擇偏置電阻 R1 和 R2： 假定偏置電流為基極電流的 10 倍。由于 BC546 的小信號(hào)增益約為 125，基極電流約為 0.016mA，偏置電流為 0.16mA。 此外，基極電壓比發(fā)射極電壓高 0.7V。假設(shè)發(fā)射極電壓 Ve 為 Vcc 的 12%，即 6V。

由此得出

R1 = (Vcc-Vb)/Ie = 24.5K。這里我們選擇 25K 電阻器

R2 = Vb/Ie = 3.35K。這里我們選擇 3K 電阻器。

選擇反饋電阻 R5：這里我們假設(shè)所需的增益為 Av = 50。由于負(fù)載電阻約為 10K，因此計(jì)算得出反饋電阻的值約為 200 歐姆。

發(fā)射極電阻器 R4 的選擇：發(fā)射極電阻器的總值由 Ve/Ie 確定，即 3K。但是，由于該電阻與反饋電阻共用，因此發(fā)射極電阻約為 3K-200 = 2.8K。在此，我們選擇 2K 電阻器。

選擇發(fā)射極電容器： 該電容器的電抗值應(yīng)小于發(fā)射極總電阻。這里我們選擇一個(gè) 0.01uF 的電解質(zhì)電容器。

選擇耦合電容器： 耦合電容器為 10uF 的電解質(zhì)電容器。

測(cè)試功率放大器電路：

電路設(shè)計(jì)完成并在 Multisim 上繪制后，將交流信號(hào)電壓源連接到前置放大器級(jí)的耦合電容器上，以提供輸入。輸入設(shè)置為 4Vpp、1kHz。輸出通過連接瓦特計(jì)來確定，電壓端子連接在 8 歐姆的負(fù)載電阻上，電流端子連接在輸出端子和負(fù)載電阻之間。 在這里，我們觀察到最大輸出功率約為 200W。

功率放大器電路的應(yīng)用：

在音頻放大中，該電路可用于驅(qū)動(dòng)低輸入阻抗的揚(yáng)聲器。

我們還可以使用該電路驅(qū)動(dòng)大功率天線進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

局限性：

此電路為理論電路，輸出含有失真。

使用 BJT 等線性器件會(huì)導(dǎo)致更多功率耗散，從而降低系統(tǒng)效率。