一、功率放大電路的關鍵問題

我們常用的喇叭(揚聲器)常常需要使用功率放大器才能使其發出聲音，隨著科技的發展，現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，并且功率放大器會隨著輸出功率的增大而發熱，這可能導致在IC內部電性能發生變化，所以在設計中，需要注意因溫度引起的穩定性問題。這里，功率放大電路使用共發射極放大電路與射極跟隨器相組合，來設計、制作使揚聲器發聲的簡單功率放大器。

設計之前需要考慮功率放大電路的幾個關鍵問題：

1、電壓放大與電流放大;

2、簡單的推挽電路;

3、對開關失真進行修真;

4、防止熱擊穿;

5、抑制空載電流隨溫度的變動

電壓放大與電流放大

圖1-1表示功率放大電路的框圖，將輸入信號的電壓放大之后進行電流放大以驅動揚聲器等負載。

圖1-1 功率放大電路的框圖

制作電壓放大級，通常可用共發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。這些電路僅進行電壓放大，因電路的電流小，所以沒有發熱的問題。

制作電流放大級，要對電壓放大級放大后的電平信號進行處理，且由于進行電流放大需流過大電流，常采用射極跟隨器的方式，所以晶體管變得很熱，存在嚴重的發熱問題。

簡單的推挽電路

為了增大射擊跟隨器的輸出電流，常采用推挽的方式，基本結構如圖1-2所示：

圖1-2 推挽電路的基本結構

圖1-2中無信號時，三極管Tr1和Tr2截止、空載電流沒有流動的情況，這種情況不需要考慮溫度穩定性的問題。但是這種電路存在開關失真大的缺點，所以需要對其進行修正。

對開關失真進行修改

圖1-3左邊是對晶體管的基極-發射極間電壓Vbe用二極管的正向壓降Vf進行抵消、進而來消除開關失真的電路。

晶體管Vbe的值具有溫度越高就越小的負溫度系數(-2.5mV/℃)。因此，由這樣的電路取出大量負載電流時，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的關系被破壞，而成為Vf>Vbe。這樣一來，在Tr1和Tr2中，與Vf和Vbe之差相對應的基極電流流動，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，這樣，進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，最后導致Tr1和Tr2發生熱擊穿，所以需要采取措施對熱擊穿進行保護。

圖1-3 加二極管修正開關失真

防止熱擊穿

圖1-4是在圖1-3電路中接入發射極電阻來吸收Vf與Vbe的電壓差，從而限制發射極電流的電路。空載時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(D1，D2與Tr1、Tr2的溫度差40℃，約產生100mV的電壓差)，為了將空載時的集電極電流控制在在10MA，則必須設定R=10Ω。

這樣一來，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，因該發射極電阻引發的損失，在大電流輸出的電路中就不能驅動如揚聲器那樣的低阻抗負載(揚聲器的阻抗為6~8Ω)。

但是，該電路因溫度產生的電壓差僅由電阻吸收，所以沒有根本地解決空載電流隨溫度變動的問題。

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行熱耦合的電路。隨著溫度的變化，偏置電壓發生變化，以達到根本解決空載電流隨溫度變動的問題。

圖1-5 溫度穩定度好的偏置電路

在該電路中，如設Tr1的基極-發射極間電壓為Vbe，則Tr1的基極偏置電路Ra、Rb上流動的電流i為：

另一方面，Tr1的集電極-發射極間電壓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設定為Vbe1的任意倍。在圖1-5的電路中，必須對Tr2與Tr3的基極-基極間電壓設定在晶體管的兩個Vbe上(=Vbe2+Vbe3)。因此，如設Ra=Rb，則Vb=2Vbe1(2個Vbe)，從而取得電壓的平衡(這里，認為Vbe1=Vbe2=Vbe3)。進而，由于Tr1~Tr3是熱耦合的(例如，預先將管殼靠近，使它們成為相同的溫度)，即使Vbe2與Vbe3隨溫度而變化，Vbe1也同樣發生變化，一直維持Vb=2Vbe1=Vbe2+Vbe3的關系。這樣就解決了電路中熱擊穿的問題。

二、功率放大器的設計方法

可能對于不了解隨身聽的朋友來說，并不知道電壓幅值1Vp-p、電壓放大倍數為10、輸出功率為0.5W，所以這放在后面補充，這里只需要知道后續的設計就是圍繞這幾個參數進行設計。

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計規格;2、確定電源電壓;3、確定共發射極放大電路的工作點;4、確定共射極放大電路中元器件的具體參數;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格

電壓增益：10倍(20dB左右)

輸出功率：0.5W以上(8Ω負載)

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之間的關系為：

揚聲器8Ω負載的功率大概為0.5W，通常揚聲器的功率越大，其內部電阻就越小。

02、確定電源電壓

電源電壓是由輸出功率Po來決定的，對于只有8Ω負載的揚聲器，其功率一般為0.5W，所以此時電路應輸出電壓Vo為：

其中Z表示揚聲器的阻抗，算出來的輸出電壓Vo該值是一個有效值，如果輸入信號是正弦波，則輸出波形的峰峰值電壓應為：

對于輸出電壓為5.7V，將電源電壓Vcc的值設定在電路產生的數伏損失以上，其中包括共發射極電路發射極電阻上產生的壓降、射極跟隨器發射極電阻產生的壓降以及晶體管集電極-發射極間的飽和電壓等，所以，需要采用15V的電源電壓。

03、確定共發射極放大電路的工作點

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

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

兩個電路的電流需求關系如圖1-2所示：

圖1-2 電流需求關系圖

圖1-3是兩個電路具體電路圖：

圖1-3 提供給射極跟隨器的電流

在實際應用中，往往需要共發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，假設定為20mA。

前兩步確定好電源電壓和共發射極電路的工作狀態后需要對共發射極電路中的元器件進行選型，在圖1-1中對于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-發射極Vceo之間的電壓要大于15V的器件。

同時，還需要考慮三極管Tr1的發射極電位，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，綜合考慮定發射極電位為2V。

因為Tr1的集電極電流為20mA，所以Tr1的發射極與GND之間的電阻取值：

04、確定共發射極放大電路中具體元器件的參數值

如圖1-4所示，若將Tr1的集電極電位設定為8.5V，則能得到最大振幅(這里完全是根據波形假定)。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的振幅

在共發射極電路中，為了提高其放大倍數，通常需要將Tr1的發射極與GND之間的電阻分為兩個部分，為了使其放大倍數在20dB左右，這里設定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，其值為：

換算成增益為：

24dB>20dB，這是因為實際的放大倍數要比式(1.9)求得的值小以及射極跟隨器中發射極電阻上損失等原因，所以交流放大倍數要比設計規格稍大。

電容C3是為了對電阻R6進行旁路，以提高放大電路的交流放大倍數，其中電阻R5和R6與C3形成高通濾波器，為了使其滿足設計規格的頻率特性，電容C3取330uF。

基極電位為：

設定電阻R1和R2上流動的電流為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：

輸入側的耦合電容C1與共發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是調整輸入音量的可變電阻，取作10kΩ。

三、功率放大器的設計方法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置在共發射極電路的晶體管Tr1的集電極與負載電阻R3之間，上期求出了共發射極電路的集電極流過的電流為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-發射極Vceo間的最大電壓為1.2V以上。

圖1-2是偏置電路結構，該電路的基極側流過的電流是由電阻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歐姆的滑動變阻器自行調節。

電容C2是對偏置電路進行旁路，為了使推挽輸出電路中晶體管Tr3和Tr4的基極“見到”的阻抗相等，同時電容C2對，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算

整體電路的電源電壓為15V，晶體管Tr1的集電極電位設定為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射極電路部分是相同的，圖見1-3所示：

圖1-3 信號振幅

從圖1-3可以得出，射極跟隨器最后輸出電壓幅值為6.5V，當輸出信號驅動8Ω的揚聲器負載時，那么需要驅動的電流為：

這個輸出電流作為集電極電流在晶體管Tr3和Tr4上流動，另一方面，當輸出電壓達到正負的峰值時，那么兩個晶體管集電極-發射極之間的最大電壓為15V。

當輸出波形是正弦波時，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，在進行B類工作的推挽射極跟隨器中，每一個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-發射極間電壓為15V以上，功率在0.53W以上，同時，由于兩個晶體管最后的損耗為1.06W，所以必須要使用散熱板。

03、總結設計方法

在設計功率放大器時，首先需要對功率器的規格進行定型，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，并對其中各元件進行參數選型，之后為了消除最后推挽輸出電路的開關失真和防熱擊穿，需要設計偏置電路，最后從功率的方面分析推挽輸出電路。