電路規(guī)格下表表示的是隨身聽功率放大器的設(shè)計規(guī)格。隨身聽的輸出最大為1V。一。左右。如果電路的電壓放大度為10倍,則能夠以某種程度的音量使小型揚聲器發(fā)聲。此時,如果輸出功率為0.5W就足夠了。
表示已設(shè)計出的功率放大器的電路圖。該電路是單聲道的。為了播放立體聲,還需要另一聲道的電路。
作為整體的電路結(jié)構(gòu),用共發(fā)射極放大電路對輸入信號進行電壓放大。在共發(fā)射極電路集電極插入的偏置電路,產(chǎn)生射極跟隨器的偏置電壓,用推挽發(fā)射極跟隨器進行電流放大。
確定電源電壓
電源電壓由輸出功率來決定。
最大輸出功率PO,對于8Ω負載(揚聲器的阻抗)為0.5W。所以此時的輸出電壓Vo為:
Vo=√Po=_Z√0.5Wx8Ω
=2Vms(4.4)
Z=負載阻抗
該值為有效值,如輸入信號為正弦波,則輸出波形的峰一峰值為5.7V(≈2Vms×√2×2)。
對于輸出電壓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一發(fā)射極間的飽和電壓等。在這里,設(shè)Vcc=15V(單電源)。
共發(fā)射極放大電路的工作點
將共發(fā)射極放大電路的集電極電流設(shè)定在很大值上,比供給下級的射極跟隨器基極電流還要大得多。
當(dāng)負載為8fl、輸出功率為0.5W時,輸出電壓VO為2Vms(設(shè)波形為正弦波)。
其峰值為2.8V(≈2V×√2)。此時的負載電流(=Tr3或者Tr4的集電極電流)為350mA(一2.8V/8Ω)(也是峰值)。
在這里,設(shè)射極跟隨器使用的晶體管的hFE為100,由共發(fā)射極電路提供的基極電流為3.5mA(一350mAll00)。在模擬表示電流流動的樣子。
設(shè)共發(fā)射極電路的集電極電流比基極電流3.5mA大得多的值,為20mA。
對于Tr1,要選擇集電極電流為20mA以上、集電極一基極間電壓與集電極一發(fā)射極間電壓為15V(電源電壓)以上的器件。(選定型號為2SC2458的晶體管)
若Tr1的發(fā)射極電位太高,則不能得到大的集電極振幅;而過低時,集電極電流隨溫度的變化又增大。綜合考慮,在這里取為2V。
為了將集電極電流(一發(fā)射極電流)設(shè)定為20mA,Tr1的發(fā)射極與GND間的電阻Rs+R6取作100Ω<一2V/20mA)。
決定放大倍數(shù)的部分
若將Tr1昀集電極電位設(shè)定為8.5V,則能CY7C1011CV33-15BVIT得到最大振幅(這里略去Tr2產(chǎn)生的射極跟隨器的偏置電位)。
為了使集電極電位為8.5V,在R3上的壓降取為6.5V(=15V-8.5V)即可,所以
R3=6.5V/20mA≈330Ω(4.5)
還有,將R5+R6一lOOfl分成兩部分,令R5=22Ω,R6=75Ω,將R6用C3接地之后,該電路的交流電壓放大倍數(shù)為
Av=R3/R5=330Ω/22Ω(≈24dB)(4.6)
由于實際的放大倍數(shù)要比式(4.6)求得的值小以及射極跟隨器級發(fā)射極電阻上的損失(后述)等原因,A。的設(shè)定值要設(shè)定在比設(shè)計規(guī)格稍大的值(設(shè)計規(guī)格為10倍)。
此外,C3是對R6進行旁路,用以提高放大度的電容。R5,R6與C3形成高通濾波器。為了滿足設(shè)計規(guī)格的頻率特性,C3取為C3=330μF。
R1與R2起著決定基極電位的作用。為了使發(fā)射極電位為2V,基極電位取為2.6V(=2V+VBE)。在這里,設(shè)R1與R2上流動的電流為0.5mA,R1=24kΩ,R2=5.6kΩ。因此,該電路的輸入阻抗為4.5kΩ(=R1∥R2)。
輸入側(cè)的耦合電容Cl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(由設(shè)計規(guī)格),以此來決定C.的值。在這里取C=lOμF(截止頻率為3.5Hz)。
VR.是調(diào)整輸入電平(音量)的可變電阻,取作lOkΩ。
射極跟隨器的偏置電路
為了省略耦合電容,射極跟隨器的倔置電路插在共發(fā)射極電路的晶體管Tri的集電極與負載電阻R3之間。
在表示偏置電路各部分電壓與電流的關(guān)系。
這里選用的晶體管Tr2,只要滿足最大集電極電流在20mA以上,集電極一基極間與集電極一發(fā)射極間的最大額定值VCBO和VCEO為1.2V以上(兩個VBE)的條件,不管什么型號的器件都可以。
但是,考慮到Tr3與Tr4的熱耦合問題,通??紤]使用低頻中功率放大晶體管2SC3423。它裝在T0126的全模塑封裝中(金屬部分不露出的絕緣型模塑封裝)。
在該電路基極側(cè)(VR2與R4)流動的電流由R4決定,這里取R4=300Ω。VR2與R4流動的電流則為2mA(=0.6V/300Ω)。另一方面,Tr1的集電極電流為20mA,Tr2集電極電流則為18mA(一20mA-2mA)。
即使是這樣的電路(與放大電路一樣),在基極側(cè)流動的電流也設(shè)定為集電極電流的1/10(為了能略去基極電流)。
為了使Trz的集電極一基極間電壓為2VBE(Tr3與Tr。的VBE),使VR2的值與R4相同即可。所以,采用VR2=470Ω(500Ω也可以),使得半固定電阻的滑動頭位置在中央附近時的電阻為300Ω。
C2對偏置電路進行旁路,是為了使由Tr3與Tr4的基極“見到”的阻抗相等。由于C2的插入,高頻失真率得到改善。
C2值越大,Tr3與Tr4的基極一基極間的阻抗越低,但是太大也無意義,這里取Cz=3.3μF。
6射極跟隨器的功率損耗
該電路將電源電壓沒定15V,Tr1的集電極電位設(shè)定在8.5V。因此,如忽略Tr2引起的偏置電壓,射極跟隨器也與共發(fā)射極電路部分相同,可輸出峰值電壓為6.5V的信號。
該輸出信號驅(qū)動8Ω的負載時,約800mA(一6.5V/8Ω)的峰值電流作為集電極電流在Tr3與Tr4上流動。
另一方面,輸出電壓到達正負峰值時,在Tr3與Tr4的集電極一發(fā)射極間就直接地加了電源電壓(15V)。
通常,在考慮輸出波形為正弦波時(如該電路所示),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Pc的最大值為最大輸出功率的1/5(詳細情況見參考文獻[1])。
設(shè)輸出波形為正弦波,則該電路的最大輸出電壓為有效值4.6V。。(一6.5V/√2),所以最大輸出功率為2.65W(≈4.6V2/8Ω),Tr3與Tr4的Pc最大值為其1/5,即0.53W。
因此,Tr3與Tr4選擇集電極電流在800mA以上,集電極一基極間電壓與集電極一發(fā)射極間電壓在15V以上,Pc在0.53W以上的晶體管。
在這里,Tr3與Tr4選用低頻功率放大用的互補對2SD1406與2SB1015。兩者的特性。
Tr3與Tr4的集電極損耗合計為1.06W,所以必須要熱沉,即散熱板。在該電路中,使用了能夠?qū)?W熱量充分散熱的熱沉(MC24-L20,ryo-san,如果是同等程度的熱沉,任何一種均可)。
為了對Tr2、Tr3和Tr4進行熱耦合,將三個晶體管安裝在同一個熱沉上。
需要加以說明的是,產(chǎn)生1.06W的熱量,僅僅發(fā)生在輸出為最大輸出115的情況下。如果不經(jīng)常發(fā)出太大的聲音,Tr3與Tr4的管殼也足夠大(T0220全塑模)的話,就不需要安裝熱沉。
此時的Tr2~Tr4的熱耦合,用Tr3與Tr4將Tr2夾起來,并用螺絲固定住。
輸出電路周邊的元件
Tr3與Tr4的發(fā)射極電阻R,和R8起著限制輸出電流,吸收Tr3與Tr4的VBE值隨溫度變化的作用。但是,如該電路那樣,發(fā)射極電阻值小時,不能對溫度變化的吸收有太高的期望。R7與R8的信取得討大,則因負載電流在R7和R8流動的緣故,在該電阻上會產(chǎn)生大的功率損耗。
例如,把功率供給8Ω負載時,假設(shè)R7=R7=16Ω,則能供給負載的功率為原來輸出功率的1/2(因為電路的輸出阻抗為R7∥R8=8Ω),因而電壓放大度估計也為1/2。
因此,要將該發(fā)射極電阻設(shè)定在比所接負載電阻更小的值,即1/10以下。在該電路中是8Ω的負載(揚聲器),所以取R7=R8=0.5Ω(功率及電壓放大度都有3%的損失)。
即使在R7和R8持續(xù)流過800mApek的最大負載電流,其消耗功率卻只有0.16W(≈(800mA/√2)x0.5Ω)。所以,R7與R8用額定功率為1/4W的電阻就足夠了。
但是,1/4W、0.5Ω的電阻是很難買到的。于是,在電路制作中,用兩個1/4W、1Ω的電阻并聯(lián)連接來代用(參見照片4.1)。
C4的作用是隔直電容。C。=lOOOμF,與揚聲器的阻抗8Ω形成的高通濾波器截止頻率為19.9Hz(滿足20Hz的設(shè)計規(guī)格)。
負載電阻8Ω是很低的。當(dāng)想降低截止頻率時,無論如何要增大Ct的值。
在沒有接負載時,R9是使C4放電用的電阻(為在接通電源后,即使接上揚聲器,也不發(fā)出震動噪聲)。過大的值沒有意義,太小又發(fā)生功率損耗,這里取為R9=lkΩ。
C5是電源的去耦電容。在該電路那樣的單電源功率放大器中,由輸出端的GND(即OV)看到的Tr3與Tr4的集電極側(cè)(即電源)的阻抗在輸出信號的頻率下是非常低的。當(dāng)輸出電流大量流動時,輸出波形就會發(fā)生失真。
Tr4的集電極接GND,對于GND的阻抗為O。但Tr3的集電極接電源,故具有一定值。因此,將C5的值取得十分大,以降低對GND的低頻阻抗。這里取C5=470μF。