150W功率放大器電路

功率放大電路是輸出阻抗最小的電路，用于驅動揚聲器等負載，這些負載需要低阻抗大功率。在這里，我們設計了一個使用推挽式 AB 類配置的功率放大器電路，以獲得 150W 的功率來驅動 8 歐姆的負載（揚聲器）。

功率放大器電路的原理：

該電路的基本原理是雙極結型晶體管的不同偏置方式。 麥克風輸出的電信號非常低。使用 CE 配置的雙極結型晶體管在 A 類模式下偏壓，可將該低壓信號放大至可持續電平。在這種模式下，輸出為反相放大信號。該信號為低功耗信號。 以 AB 類配置排列的兩個達林頓功率晶體管可放大該信號的功率電平。 A 類模式配置的晶體管用于驅動該晶體管。

功率放大器電路背后的理論：

該電路的兩個重要方面是 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生輸入信號一半的放大輸出信號。因此，AB 類放大器由兩個匹配的晶體管組成，其中一個對一半輸入信號導通，另一個對另一半輸入信號導通。 實用的 AB 類放大器由二極管為兩個晶體管提供偏壓，以消除交叉失真。該放大器由共發射極配置的晶體管驅動。

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

150 瓦功率放大器電路圖：

功率放大器電路設計：

AB 類放大器級的設計：

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

選擇偏置電阻器：  偏置電阻上的電壓應比 Vcc 低約 1.4V。此外，由于集電極平均電流相當大，偏置電流也相當小。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：- 兩個二極管用于為功率晶體管提供適當的偏壓，以消除交叉失真。二極管的選擇應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：- 兩個阻尼電阻用于盡量減小兩個匹配晶體管之間的特性差異，并提供熱補償。這些電阻的阻值應較低，這里我們選擇 0.33 歐姆。

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

設計驅動級：

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。

選擇發射極電阻：  驅動晶體管的發射極電壓是 Vcc 和 Vbe 的一半之差。由于 Vcc 為 50V，Vbe 為 0.7V，因此發射極電壓為 24.3V。由于發射極電流與晶體管靜態集電極電流相同，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從前級放大器的輸出級傳輸到驅動級的輸入端。這里我們選擇一個 10uF 的電解質電容器。

音頻前置放大器級的設計：

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集電極至發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。

選擇負載電阻 R3： 從 BC546 的數據表中可以看出，其靜態集電極電流約為 2mA。 所選負載電阻的值應為：當 2mA 電流通過該電阻時，其兩端的電壓為 Vcc 的一半。因此，負載電阻為 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，基極電壓比發射極電壓高 0.7V。假設發射極電壓 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：這里我們假設所需的增益為 Av = 50。由于負載電阻約為 10K，因此計算得出反饋電阻的值約為 200 歐姆。

發射極電阻器 R4 的選擇：發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，因此發射極電阻約為 3K-200 = 2.8K。在此，我們選擇 2K 電阻器。

選擇發射極電容器： 該電容器的電抗值應小于發射極總電阻。這里我們選擇一個 0.01uF 的電解質電容器。

選擇耦合電容器： 耦合電容器為 10uF 的電解質電容器。

測試功率放大器電路：

電路設計完成并在 Multisim 上繪制后，將交流信號電壓源連接到前置放大器級的耦合電容器上，以提供輸入。輸入設置為 4Vpp、1kHz。輸出通過連接瓦特計來確定，電壓端子連接在 8 歐姆的負載電阻上，電流端子連接在輸出端子和負載電阻之間。 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用：

在音頻放大中，該電路可用于驅動低輸入阻抗的揚聲器。

我們還可以使用該電路驅動大功率天線進行遠距離傳輸。

局限性：

此電路為理論電路，輸出含有失真。

使用 BJT 等線性器件會導致更多功率耗散，從而降低系統效率。