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小型功率放大器的设计方法

发布时间:2020-07-21 17:32:21 阅读: 来源:衣帽架厂家

电路规格下表表示的是随身听功率放大器的设计规格。随身听的输出最大为1V。一。左右。如果电路的电压放大度为10倍,则能够以某种程度的音量使小型扬声器发声。此时,如果输出功率为0.5W就足够了。

本文引用地址:表示已设计出的功率放大器的电路图。该电路是单声道的。为了播放立体声,还需要另一声道的电路。

作为整体的电路结构,用共发射极放大电路对输入信号进行电压放大。在共发射极电路集电极插入的偏置电路,产生射极跟随器的偏置电压,用推挽发射极跟随器进行电流放大。

确定电源电压

电源电压由输出功率来决定。

最大输出功率PO,对于8Ω负载(扬声器的阻抗)为0.5W。所以此时的输出电压Vo为:

Vo=√Po=_Z√0.5Wx8Ω

=2Vms(4.4)

Z=负载阻抗

该值为有效值,如输入信号为正弦波,则输出波形的峰一峰值为5.7V(≈2Vms×√2×2)。

对于输出电压5.7V,将电源电压Vcc的值设定在电路产生的数伏损失以上,其中包括共发射极电路发射极电阻上产生的压降、射极跟随器发射极电阻产生的压降以及晶体管集电极一发射极间的饱和电压等。在这里,设Vcc=15V(单电源)。

共发射极放大电路的工作点

将共发射极放大电路的集电极电流设定在很大值上,比供给下级的射极跟随器基极电流还要大得多。

当负载为8fl、输出功率为0.5W时,输出电压VO为2Vms(设波形为正弦波)。

其峰值为2.8V(≈2V×√2)。此时的负载电流(=Tr3或者Tr4的集电极电流)为350mA(一2.8V/8Ω)(也是峰值)。

在这里,设射极跟随器使用的晶体管的hFE为100,由共发射极电路提供的基极电流为3.5mA(一350mAll00)。在模拟表示电流流动的样子。

设共发射极电路的集电极电流比基极电流3.5mA大得多的值,为20mA。

对于Tr1,要选择集电极电流为20mA以上、集电极一基极间电压与集电极一发射极间电压为15V(电源电压)以上的器件。(选定型号为2SC2458的晶体管)

若Tr1的发射极电位太高,则不能得到大的集电极振幅;而过低时,集电极电流随温度的变化又增大。综合考虑,在这里取为2V。

为了将集电极电流(一发射极电流)设定为20mA,Tr1的发射极与GND间的电阻Rs+R6取作100Ω一2V/20mA)。

决定放大倍数的部分

若将Tr1昀集电极电位设定为8.5V,则能CY7C1011CV33-15BVIT得到最大振幅(这里略去Tr2产生的射极跟随器的偏置电位)。

为了使集电极电位为8.5V,在R3上的压降取为6.5V(=15V-8.5V)即可,所以

R3=6.5V/20mA≈330Ω(4.5)

还有,将R5+R6一lOOfl分成两部分,令R5=22Ω,R6=75Ω,将R6用C3接地之后,该电路的交流电压放大倍数为

Av=R3/R5=330Ω/22Ω(≈24dB)(4.6)

由于实际的放大倍数要比式(4.6)求得的值小以及射极跟随器级发射极电阻上的损失(后述)等原因,A。的设定值要设定在比设计规格稍大的值(设计规格为10倍)。

此外,C3是对R6进行旁路,用以提高放大度的电容。R5,R6与C3形成高通滤波器。为了满足设计规格的频率特性,C3取为C3=330μF。

R1与R2起着决定基极电位的作用。为了使发射极电位为2V,基极电位取为2.6V(=2V+VBE)。在这里,设R1与R2上流动的电流为0.5mA,R1=24kΩ,R2=5.6kΩ。因此,该电路的输入阻抗为4.5kΩ(=R1∥R2)。

输入侧的耦合电容Cl与共发射极电路的输入阻抗形成的高通滤波器的截止频率为20Hz以下(由设计规格),以此来决定C.的值。在这里取C=lOμF(截止频率为3.5Hz)。

VR.是调整输入电平(音量)的可变电阻,取作lOkΩ。

射极跟随器的偏置电路

为了省略耦合电容,射极跟随器的倔置电路插在共发射极电路的晶体管Tri的集电极与负载电阻R3之间。

在表示偏置电路各部分电压与电流的关系。

这里选用的晶体管Tr2,只要满足最大集电极电流在20mA以上,集电极一基极间与集电极一发射极间的最大额定值VCBO和VCEO为1.2V以上(两个VBE)的条件,不管什么型号的器件都可以。

但是,考虑到Tr3与Tr4的热耦合问题,通常考虑使用低频中功率放大晶体管2SC3423。它装在T0126的全模塑封装中(金属部分不露出的绝缘型模塑封装)。

在该电路基极侧(VR2与R4)流动的电流由R4决定,这里取R4=300Ω。VR2与R4流动的电流则为2mA(=0.6V/300Ω)。另一方面,Tr1的集电极电流为20mA,Tr2集电极电流则为18mA(一20mA-2mA)。

即使是这样的电路(与放大电路一样),在基极侧流动的电流也设定为集电极电流的1/10(为了能略去基极电流)。

为了使Trz的集电极一基极间电压为2VBE(Tr3与Tr。的VBE),使VR2的值与R4相同即可。所以,采用VR2=470Ω(500Ω也可以),使得半固定电阻的滑动头位置在中央附近时的电阻为300Ω。

C2对偏置电路进行旁路,是为了使由Tr3与Tr4的基极“见到”的阻抗相等。由于C2的插入,高频失真率得到改善。

C2值越大,Tr3与Tr4的基极一基极间的阻抗越低,但是太大也无意义,这里取Cz=3.3μF。

6射极跟随器的功率损耗

该电路将电源电压没定15V,Tr1的集电极电位设定在8.5V。因此,如忽略Tr2引起的偏置电压,射极跟随器也与共发射极电路部分相同,可输出峰值电压为6.5V的信号。

该输出信号驱动8Ω的负载时,约800mA(一6.5V/8Ω)的峰值电流作为集电极电流在Tr3与Tr4上流动。

另一方面,输出电压到达正负峰值时,在Tr3与Tr4的集电极一发射极间就直接地加了电源电压(15V)。

通常,在考虑输出波形为正弦波时(如该电路所示),在进行B类工作的推挽射极跟随器中,每一个晶体管的集电极损耗Pc的最大值为最大输出功率的1/5(详细情况见参考文献[1])。

设输出波形为正弦波,则该电路的最大输出电压为有效值4.6V。。(一6.5V/√2),所以最大输出功率为2.65W(≈4.6V2/8Ω),Tr3与Tr4的Pc最大值为其1/5,即0.53W。

因此,Tr3与Tr4选择集电极电流在800mA以上,集电极一基极间电压与集电极一发射极间电压在15V以上,Pc在0.53W以上的晶体管。

在这里,Tr3与Tr4选用低频功率放大用的互补对2SD1406与2SB1015。两者的特性。

Tr3与Tr4的集电极损耗合计为1.06W,所以必须要热沉,即散热板。在该电路中,使用了能够对1W热量充分散热的热沉(MC24-L20,ryo-san,如果是同等程度的热沉,任何一种均可)。

为了对Tr2、Tr3和Tr4进行热耦合,将三个晶体管安装在同一个热沉上。

需要加以说明的是,产生1.06W的热量,仅仅发生在输出为最大输出115的情况下。如果不经常发出太大的声音,Tr3与Tr4的管壳也足够大(T0220全塑模)的话,就不需要安装热沉。

此时的Tr2~Tr4的热耦合,用Tr3与Tr4将Tr2夹起来,并用螺丝固定住。

输出电路周边的元件

Tr3与Tr4的发射极电阻R,和R8起着限制输出电流,吸收Tr3与Tr4的VBE值随温度变化的作用。但是,如该电路那样,发射极电阻值小时,不能对温度变化的吸收有太高的期望。R7与R8的信取得讨大,则因负载电流在R7和R8流动的缘故,在该电阻上会产生大的功率损耗。

例如,把功率供给8Ω负载时,假设R7=R7=16Ω,则能供给负载的功率为原来输出功率的1/2(因为电路的输出阻抗为R7∥R8=8Ω),因而电压放大度估计也为1/2。

因此,要将该发射极电阻设定在比所接负载电阻更小的值,即1/10以下。在该电路中是8Ω的负载(扬声器),所以取R7=R8=0.5Ω(功率及电压放大度都有3%的损失)。

即使在R7和R8持续流过800mApek的最大负载电流,其消耗功率却只有0.16W(≈(800mA/√2)x0.5Ω)。所以,R7与R8用额定功率为1/4W的电阻就足够了。

但是,1/4W、0.5Ω的电阻是很难买到的。于是,在电路制作中,用两个1/4W、1Ω的电阻并联连接来代用(参见照片4.1)。

C4的作用是隔直电容。C。=lOOOμF,与扬声器的阻抗8Ω形成的高通滤波器截止频率为19.9Hz(满足20Hz的设计规格)。

负载电阻8Ω是很低的。当想降低截止频率时,无论如何要增大Ct的值。

在没有接负载时,R9是使C4放电用的电阻(为在接通电源后,即使接上扬声器,也不发出震动噪声)。过大的值没有意义,太小又发生功率损耗,这里取为R9=lkΩ。

C5是电源的去耦电容。在该电路那样的单电源功率放大器中,由输出端的GND(即OV)看到的Tr3与Tr4的集电极侧(即电源)的阻抗在输出信号的频率下是非常低的。当输出电流大量流动时,输出波形就会发生失真。

Tr4的集电极接GND,对于GND的阻抗为O。但Tr3的集电极接电源,故具有一定值。因此,将C5的值取得十分大,以降低对GND的低频阻抗。这里取C5=470μF。

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