小型功率放大器的设计与制作——功率放大器的设计方法

Xiaoxiaodawei

上期介绍了设计功率放大器中需要注意的几个关键问题，包括了推挽电路、开关电路失真分析、防热击穿分析以及抑制空载电流随温度的变动。以前常用的随身听也是小型功率放大器的应用，且随身听输出的电压幅值一般在1Vp-p左右，因此电路的电压放大倍数为10倍就能以某种程度的音量使小型扬声器发声了，因此，此时的输出功率为0.5W就足够了。

关键词：电压幅值；电压放大倍数、输出功率

可能对于不了解随身听的朋友来说，并不知道电压幅值1Vp-p、电压放大倍数为10、输出功率为0.5W，所以这放在后面补充，这里只需要知道后续的设计就是围绕这几个参数进行设计。

为了方便看懂分析原理，先贴上整体电路图，图1-1是完成小型功率放大器电路图：

 图1-1 整体电路图

整体分析思路为：

1、确定功率放大器的设计规格；2、确定电源电压；3、确定共发射极放大电路的工作点；4、确定共射极放大电路中元器件的具体参数；5、确定射极跟随器的偏置电路；6、推断射极跟随器的功率损耗；

一、确定功率放大器的设计规格

      电压增益：10倍（20dB左右）

         输出功率：0.5W以上（8Ω负载）

          频率特性：20Hz~20kHz(-3dB带宽)

失真率（THD）：1%以下

其中电压增益Z倍与KdB之间的关系为：

扬声器8Ω负载的功率大概为0.5W，通常扬声器的功率越大，其内部电阻就越小。

二、确定电源电压

电源电压是由输出功率Po来决定的，对于只有8Ω负载的扬声器，其功率一般为0.5W，所以此时电路应输出电压Vo为：

 其中Z表示扬声器的阻抗，算出来的输出电压Vo该值是一个有效值，如果输入信号是正弦波，则输出波形的峰峰值电压应为：

对于输出电压为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-发射极间的饱和电压等，所以，需要采用15V的电源电压。

三、确定共发射极放大电路的工作点

共发射极放大电路可以提供电压信号，但是不具备电流驱动能力，所以需要在后面添加射极跟随器增强其驱动能力，所以在实际中需要将共发射极放大电路的集电极电流设定在很大的值上，以保证供给下级的射极跟随器基极电流还要大很多。当负载为8Ω、输出功率为0.5W时，输出电压Vo为2Vrms（设定波形为正弦波，但实际的波形不是正弦），其峰值为2.8V（5.7V的一半），此时负载的电流为：

 如果，假设射极跟随器使用的晶体管的放大倍数为100倍，那么由共射极电路提供的基极电路为：

 两个电路的电流需求关系如图1-2所示：

图1-2 电流需求关系图

图1-3是两个电路具体电路图：

图1-3 提供给射极跟随器的电流

在实际应用中，往往需要共发射极电路的集电极电流比射极跟随器的基极电流3.5mA大的多，假设定为20mA。

前两步确定好电源电压和共发射极电路的工作状态后需要对共发射极电路中的元器件进行选型，在图1-1中对于Tr1，要选择集电极电流为20MA以上，且集电极-基极间电压Vcbo和集电极-发射极Vceo之间的电压要大于15V的器件。

同时，还需要考虑三极管Tr1的发射极电位，如果其电位太高，就不能得到大的集电极振幅（输出波形电压幅值小）；如果电位太低，那么集电极电流随温度的变化又增大，综合考虑定发射极电位为2V。

因为Tr1的集电极电流为20mA，所以Tr1的发射极与GND之间的电阻取值：

四、确定共发射极放大电路具体元器件的参数值

如图1-4所示，若将Tr1的集电极电位设定为8.5V，则能得到最大振幅（这里完全是根据波形假定）。为了使集电极电位为8.5V左右，所以电阻R3上的压降为6.5V（15V-8.5V）即可，所以电阻R3的值为：

 

图1-4 Tr1的集电极电位与输出信号的振幅

在共发射极电路中，为了提高其放大倍数，通常需要将Tr1的发射极与GND之间的电阻分为两个部分，为了使其放大倍数在20dB左右，这里设定R5=22Ω，R6=75Ω，将电阻R6用电容C3接地，可以提高电路的电压放大倍数，其值为：

 换算成增益为：

24dB>20dB，这是因为实际的放大倍数要比式（1.9）求得的值小以及射极跟随器中发射极电阻上损失等原因，所以交流放大倍数要比设计规格稍大。

电容C3是为了对电阻R6进行旁路，以提高放大电路的交流放大倍数，其中电阻R5和R6与C3形成高通滤波器，为了使其满足设计规格的频率特性，电容C3取330uF。

基极电位为：

 设定电阻R1和R2上流动的电流为0.5mA，所以电阻R1和电阻R2的取值分别为：

 电路的输入阻抗为：

输入侧的耦合电容C1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，由此来决定C1的值，这里取C1为10uF，截止频率为3.5Hz。

其中图1-1中电阻VR1是调整输入音量的可变电阻，取作10kΩ。

第五步和第六步在下一章节进行分析，这一章节的目的主要是：首先确定电源电压，然后确定共射极放大电路的晶体管，最后确定放大电路中电阻和电容的值！

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