150W功率放大器电路

功率放大电路是输出阻抗最小的电路，用于驱动扬声器等负载，这些负载需要低阻抗大功率。在这里，我们设计了一个使用推挽式 AB 类配置的功率放大器电路，以获得 150W 的功率来驱动 8 欧姆的负载（扬声器）。

功率放大器电路的原理：

该电路的基本原理是双极结型晶体管的不同偏置方式。 麦克风输出的电信号非常低。使用 CE 配置的双极结型晶体管在 A 类模式下偏压，可将该低压信号放大至可持续电平。在这种模式下，输出为反相放大信号。该信号为低功耗信号。 以 AB 类配置排列的两个达林顿功率晶体管可放大该信号的功率电平。 A 类模式配置的晶体管用于驱动该晶体管。

功率放大器电路背后的理论：

该电路的两个重要方面是 AB 类放大器和 A 类电压放大器。 在 AB 类模式下，偏置的晶体管只能产生输入信号一半的放大输出信号。因此，AB 类放大器由两个匹配的晶体管组成，其中一个对一半输入信号导通，另一个对另一半输入信号导通。 实用的 AB 类放大器由二极管为两个晶体管提供偏压，以消除交叉失真。该放大器由共发射极配置的晶体管驱动。

在 A 类模式下偏置的晶体管可产生输入信号的反相版本。但效率较低，输出阻抗也较低。

150 瓦功率放大器电路图：

功率放大器电路设计：

AB 类放大器级的设计：

晶体管的选择：  这里所需的输出功率为 150W。考虑到晶体管的功率耗散，我们假设所需功率约为 200W。这里我们选择 +/-50V 双电源，即 Vcc = 50V，负载为 8 欧姆。为了提高电路效率，我们选择了一对达林顿晶体管 - TIP142（NPN）和 TIP147（PNP）。

选择偏置电阻器：  偏置电阻上的电压应比 Vcc 低约 1.4V。此外，由于集电极平均电流相当大，偏置电流也相当小。因此需要使用大阻值电阻。这里我们使用 3K 电阻。

二极管的选择：- 两个二极管用于为功率晶体管提供适当的偏压，以消除交叉失真。二极管的选择应确保其热特性与晶体管的热特性相似。这里我们使用的是 1N4007 二极管。

输出电阻的选择：- 两个阻尼电阻用于尽量减小两个匹配晶体管之间的特性差异，并提供热补偿。这些电阻的阻值应较低，这里我们选择 0.33 欧姆。

自举电阻和电容器的选择：- 自举是为了增加达林顿晶体管的输入阻抗。在这里，我们选择一个 10uF 的电解质电容器，使其在最低 20Hz 频率下的电抗较小。电阻值应较大，以提供较高的输入阻抗。这里我们选择 3K 电阻器。

设计驱动级：

选择晶体管： 这里我们选择功率晶体管 TIP41，以提供高功率、高增益输出。

选择发射极电阻：  驱动晶体管的发射极电压是 Vcc 和 Vbe 的一半之差。由于 Vcc 为 50V，Vbe 为 0.7V，因此发射极电压为 24.3V。由于发射极电流与晶体管静态集电极电流相同，因此电阻 Re 的值约为 50 欧姆。不过，这里我们选择的是 40 欧姆电阻。

耦合电容器的选择： 耦合电容器用于将交流信号从前级放大器的输出级传输到驱动级的输入端。这里我们选择一个 10uF 的电解质电容器。

音频前置放大器级的设计：

晶体管的选择：  由于这里的 Vcc 电压约为 50V，因此我们要选择一个集电极至发射极最大开放源电压大于 Vcc 的晶体管。为此，NPN 晶体管 BC546 符合我们的要求。

选择负载电阻 R3： 从 BC546 的数据表中可以看出，其静态集电极电流约为 2mA。 所选负载电阻的值应为：当 2mA 电流通过该电阻时，其两端的电压为 Vcc 的一半。因此，负载电阻为 12.5K。这里我们选择 10K 电阻器。

选择偏置电阻 R1 和 R2： 假定偏置电流为基极电流的 10 倍。由于 BC546 的小信号增益约为 125，基极电流约为 0.016mA，偏置电流为 0.16mA。 此外，基极电压比发射极电压高 0.7V。假设发射极电压 Ve 为 Vcc 的 12%，即 6V。

由此得出

R1 = (Vcc-Vb)/Ie = 24.5K。这里我们选择 25K 电阻器

R2 = Vb/Ie = 3.35K。这里我们选择 3K 电阻器。

选择反馈电阻 R5：这里我们假设所需的增益为 Av = 50。由于负载电阻约为 10K，因此计算得出反馈电阻的值约为 200 欧姆。

发射极电阻器 R4 的选择：发射极电阻器的总值由 Ve/Ie 确定，即 3K。但是，由于该电阻与反馈电阻共用，因此发射极电阻约为 3K-200 = 2.8K。在此，我们选择 2K 电阻器。

选择发射极电容器： 该电容器的电抗值应小于发射极总电阻。这里我们选择一个 0.01uF 的电解质电容器。

选择耦合电容器： 耦合电容器为 10uF 的电解质电容器。

测试功率放大器电路：

电路设计完成并在 Multisim 上绘制后，将交流信号电压源连接到前置放大器级的耦合电容器上，以提供输入。输入设置为 4Vpp、1kHz。输出通过连接瓦特计来确定，电压端子连接在 8 欧姆的负载电阻上，电流端子连接在输出端子和负载电阻之间。 在这里，我们观察到最大输出功率约为 200W。

功率放大器电路的应用：

在音频放大中，该电路可用于驱动低输入阻抗的扬声器。

我们还可以使用该电路驱动大功率天线进行远距离传输。

局限性：

此电路为理论电路，输出含有失真。

使用 BJT 等线性器件会导致更多功率耗散，从而降低系统效率。