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晶体管电路设计 精讲 第二十贴 亲手设计一个小功放

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goodays 发表于 2013-8-14 22:32:23 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
本帖最后由 goodays 于 2013-8-14 22:41 编辑

晶体管电路设计 精讲 第十九贴 设计功放的关键问题


学习内容:
1、设计电路时要考虑到的问题
2、如何开始一个设计




      大家好,前几天有点儿事,没有及时更新,请一定要原谅哦,为了表达歉意,今天多写点儿。

            我在写这个系列贴的时候,并没有存稿,也就是说都是在某一天没事而且心情不错的时候才会打开word开始写这些东西。而且也不会打什么草稿,以一种假设和朋友面对面交谈的状态将自己想要说的东西记录下来。

      所以,大家在看贴的时候也不要当做一本教程来看,就当做是朋友之间的交流吧,既然是交流,当然不能只是我一个人说话,希望大家能更多的把自己的想法提出来,大家一起探讨探讨。


*******************************

      今天要讲的内容是书中的第四章的最后一部分,在这一部分里,我们要实际的动手来做一个真正的小功放。虽然这个功放的功率不大,但是在前面所学到的知识会在这个设计中体现出来。可以说是一个成本不高而且颇有检测效果的一个小设计。希望大家在这贴之后能实际的动手做一下,好了,文归正题,我们开始正式的学习。


      首先我们要明确我们作品的目标和要求。下面来说一下:

1、是个小功放,能带动一个不算太大的喇叭。
2、它是用来放大MP3或电脑输出的音频信号。
3、不会太大,要能放在桌面上。
4、出于某种原因,就不考虑移动的要求了,也就是说它不是由电池供电的。
5、为了简化设计,是单声道的输出。当然,如果你喜欢立体声,可以做两个这样的小功放。

     

      好了,要求就是这些,下面我们来对这几个要求用设计语言来做一下解释说明。

      1、功率不大,那么1瓦的功率就可以在一个10多平方的屋子里得到很大的声音了,商品功放动辄上百W的功率输出,但实际上你真正能开到最大音量么?楼下会拿棍子捅楼顶的。一般最常用的还是10W以下的输出。那么简单计算一下,1W的功率在8Ω的负载上,需要多高的电压呢?基本公式还是P=VI,再变形一下P=V*V/R,V=SQR(P*R),将数据代入上式可得,V=2.83V。也就是说,我们的功放要输出2.83V的电压就可以在8Ω的负载上得到1W的功率了。

      这里要说的是,功放输出的信号可不是直流,上面的计算是在以输出为直流的基础上的。而在设计功放时,我们都是按正弦波来进行计算,所以这个2.83V实际上是正弦波的有效值也就是Vrms,也就是说,我们的这个功放实际在工作时要想在负载上得到平均1W的功率,它的输出信号峰值(注意是峰值而不是峰峰值)应当是Vp=Vrms*SQR(2)=2.83V*1.414=4V。

      刚才我们已经说了,这个4V是峰值,是指输出信号在正向或负向所能达到的最高值,也就是在负载上所得到的真正的信号输出是在+4V至-4V的范围内,也就是Vpp=8V。毫无疑问,要想输出这样的一个Vpp,则电源电压必须超过8V,为了留有一定的余量,我们可以将电源电压选择为常用的12V或15V,书中选择的是15V,我们和书中保持一至,也选择15V。

      同样,为了能使输出信号在正向和负向都可以有最大的变化范围,我们可以习惯性的将输出端的直流电位设置为电源电压的一半7.5V,这样不管信号的振幅是正向还是负向都可以得到最大。

      那么,到这里我们就确定了设计中的第一个条件:电源电压15V,输出端直流电位7.5V,当有信号时输出端直流电位变化范围最少应为7.5V+4V=11.5V至7.5V-4V=3.5V之间。

      2、既然它是用来放大来自MP3或电脑输出的音频信号,那么我们需要对电脑或MP3的音频输出做一个小小的了解。最主要的是两个方面:一输出阻抗,约600Ω,二输出幅度,约1Vpp。这个是常识,大家记住就可以了,不用去多追究为什么。第一个条件,意味着我们的小功放的输入阻抗要远远大于600Ω才不会导致信号在传输过程中的幅度损失。因为功放的输入阻抗与MP3的输出阻抗是串联的,输入阻抗越大,在功放的输入端所得到的信号电压幅度就越大。

      以前所讲过的共发射极放大器就是一个不错的选择,忘了的朋友可以去翻下前面的贴子,一般共发射极放大器的输入阻抗可以做到几KΩ以上,比600Ω大了不少,当采极一些特殊手段时,甚至可以将输入阻抗提高到数百K左右,但这里几KΩ就足够了。

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精彩评论579

 楼主| goodays 发表于 2013-8-14 23:13:46 | 显示全部楼层
为什么?!!!
为什么积分里显示5个人给加了32刀,可我只看见13刀哇!剩下的32-13=19刀哪里去了?
还有显示贴子被删了呢!!!
难道加到被删的贴子里了?
如果真的是这样,好人们再给加回来吧!!!!
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 楼主| goodays 发表于 2013-8-14 22:38:35 | 显示全部楼层
本帖最后由 goodays 于 2013-9-23 16:36 编辑

      也就是说从7.5V开始要有正负4V的振幅,7.5V往上的4V由Tr3输出,往下的4V由Tr4输出。


      因为上下是对称的,我们搞定上边,下边也就搞定了。那就从上边开始,知道电压了,也知道负载8Ω了,那么上管中最大会流过的电流也就知道了。4V/8Ω=500mA。这个电流可不小,而且它还要流过电阻R7,R8,而R7和R8还与负载8Ω串联,这也就意味着,这两个电阻绝对不能大,否则会影响负载。

      假如取1Ω的话,输出信号在它上面损失的功率是P=I*I*R=0.5A*0.5A*1Ω=0.25W,是不是有点儿大了,取0.5Ω的话是125mW,这个还算能接受,如果能控制在100mW以内就更好了。算了,就0.5Ω好了,这个电阻越小,损失的功率越少,但是……,看下面吧

      我们知道推挽电路在静态时可以不需要流过电流,但这样会产生交越失真,有一点点的电流会使它工作的更好,那么这一点点电流就很重要了,太大会浪费电并且使两个管子发热,这点以前的贴子已经讲过了。太小又会产生交越失真,而最好的做法是使Tr3,Tr4的Vbe加上R7、R8的压降稍大于1.4V,比如说1.45V,大的越多越保险。但多出来的那50mV就落在R7和R8上了。如果R7、R8太小的话,电流会很大,50mV与R7,R8合起来的1Ω相除就是50mA了,对于一个1W的功放来说,末级50mA的电流明显太大,再减少些用1.42V吧,不能再小了,这此只多出来20mV,每个电阻上承担10mV,会产生20mA的静态电流,这个应该可以接受了。这时单个三极管上在静态时所消耗的功率是,以上管为例,(15V-7.5V-0.01V(10mV))乘以20mA的静态电流等于0.15W也就是150mW,这个数值还算可以,就这样吧。

      到这里这们确定了两个参数:一是R7,R8的值,同时也确定了末级的静态电流20mA。

      下面要做的就是基极的偏置了。也就是下图这一部分。

004.png
file://localhost/Users/zgoodays/Library/Caches/TemporaryItems/msoclip/0/clip_image002.png

      VR2和R4的确定,Tr2我们暂且不去管它。由刚才的设计我们确定了这个1.42V,换句话说这个1.42V是Tr2的集电极与发射极之间的电压,更或者说是R4与VR2上电压的和。说的再明白些就是VR2、R4串联后与两个三极管的Vbe与R7、R8的串联相并联再与Tr2的CE结并联,有点绕,但我用红色标记了下,应该不难理解。这里限制偏置电流的就是三极管Tr2的发射极电流,它的大小应当符合偏置电流的要求。

      在以前的贴子中我们讲过,要使三极管稳定工作,其偏置电路中应当流过远大于其基极电流的电流,一般是10倍。那么我们看看三极管Tr3与Tr4的基极电流有多大?刚才说了它们的发射极电流是20mA,以ß值为100计算,对于小功率功放的末级管来说100是可以接受的,大功率的功放一般按50计算。20mA/100=0.2mA,它的10倍就是2mA

      好了,也就是说我们至少要保证Tr2中有2mA的电流流过。但千万不要忽略了一点,电路并不总是静态的,还有动态的时候,我们知道Tr3和Tr4的发射极电流并不是一成不变的,最大时会输出500mA的电流,除以ß值100,这时的基极电流就要有5mA了,这里的偏置电流按10倍计,应当为50mA,当然我们不用取这么大,30mA足够了。但如果你按最大2mA设计那就完蛋了,电路的工作状态会受影响。所以应当设计为Tr2中流过的电流,足以保证在Tr3,Tr4在输出大电流时电路能正常工作。大家一定要记住上面红色字体的数据,这些一会儿我们要用到。

      由于TR2中要流过30mA的电流,按ß值100计,其基极电流为0.3mA,VR2与R4中流过的是其偏置电流,比0.3mA要大,我们取2mA。所以,VR2与R4的阻值之和我们可以确定了,1.42V/2mA=0.71K=710Ω。再看一眼这张图,我们可知R4上的压降刚好是Tr2BE结的压降也就是0.7V,所以R4应当为0.7V/2mA=350Ω,为了留有余量,我们取小些,R4=300Ω,刚好与书中一致,那么VR1就应当在360Ω左右。由于三极管本身所具有的离散性,也就是说Vbe不会刚好就是0.7V所以VR2,我们使用470Ω的微调电位器,在最后调试时,微调VR2,以使Tr3与Tr4的发射极电流为20mA,或者使R7与R8上的压降为20mV。这样,如果Tr3与Tr4配对良好的话,中点电压会在7.5V左右。

      下面再看Tr1用到的几个电阻。还是拿图说话:

005.png
file://localhost/Users/zgoodays/Library/Caches/TemporaryItems/msoclip/0/clip_image004.png

      这是又填了几个空的新的图。还剩下5个电阻,我们来看一下,它们和什么有关。R3看起来是最好算的,电源电压15V减去8.2V,(PS:不要问我这8.2V和6.8V怎么来的,其实很简单,以前经常用到的一个常量0.7V(或者0.6V)),就是R3上的压降,只要知道电流就好了,这个电流也很简单就是Tr1的集电极电流约等于发射极电流。这个电流不仅是Tr1的静态电流,同时还是Tr3和Tr4的偏置电流。

      还记得上一段中让大家记住的几个数字么?在最大功率输出时,Tr3,Tr4最大会输出500mA的电流,这时它们的基极电流是5mA,上面说过了,它的偏置电流我们取30mA。那么(15V-8.2V)/30mA=227Ω,这样精准的电阻可不好找,不过电路的设计总是在妥协,我们取R3=220Ω好了。

      R3确定了,R5也能确定了,R3是R5的10到15倍左右。不能可着指标来,不要忘了,输出信号的电压还要在R7和R8上损耗一部分,还有射随器并不是电压增益为1而是略小于1,所以我们把放大倍数取大些,就15倍吧。220Ω/15=14.7Ω,这个阻值看上去也不太顺眼,稍大些R5=16Ω好了。这样放大倍数在14倍左右,可以接受。

      现在该R6了,与它相关的我们只知道一个30mA的静态电流,还差一个电压,要是知道Tr1的发射极电压就好了。

      现在回来看图。Tr1的集电极电压静态时是6.8V,但它会有一个波动,最高会到6.8V+4V=10.8V,最低会到6.8V-4V=2.8V。(想想怎么来的)为了保证Tr1工作在线性状态,其CE结电压最好不要低于1V,再低也不是不行,虽不至于削底,但三极管的线性度会下降,波形失真也会更严重了。也就是说当其集电极电压降到2.8V时,其发射极电压应当小于1.8V时才行。那么我们把发射极电压定在多少呢?同样留着余量,就定在1.5V好了,这样既使1Vpp的输入信号在负方向达到-0.5V时,发射极仍可以有1V的电压。所以,1.5V/30mA=50Ω,这是R5与R6串联后的值,则R6=50Ω-16Ω=34Ω,凑成符合E24标准的阻值,R6=36Ω

      还剩下R1与R2,已知发射极电压1.5V,则基极电压为1.5V+0.7V=2.2V。更已知Tr1静态电流30mA,为了得到较好的效果,Tr1建议选用ß值较大的三极管,在400以上最好。以400为例 ,其基极电流为30mA/400=0.075mA,取其10倍为0.75mA,则R2=2.2V/0.75mA=2.93KΩ,R2的大小基本上决定了输入阻抗(输入阻抗要比R2小一些),2.93K有些小了,那么两个办法,一是换更大ß的三极管,比如9014一类的有的可以达到600至800的ß。二是偏置电流取的小些,不取10倍了,取4倍好了。我们采用第二种办法,0.075mA的4倍是0.3mA,重新计算R2=2.2V/0.3mA=7.3K,这个数差不多了,最后决定选用R2=6.8KΩ。则R1=(15V-2.2V)/0.3mA=42.6K,最后选用R1=42K。好了,所有的计算完成。
还差一步,最关键的三极管还没选呢!Tr1可以选用9014一类的高ß值三极管,也可以使用8050。Tr2可以选用任意中功率管,Icm不小于100mA既可,可供选择的有很多,但要考虑到与Tr3和Tr4做热耦合的方便。Tr3和Tr4可以选用8050或8550,在不出大声时完全够用,当然是要正品,那种Icm 1.5A的。用那种小功率的话烧了可别怪我。如果要满功率输出的话,可以选用Tip31,32或Tip41,42就可以了。记住,一只NPN,一支PNP哦。还有,电解电容不要按书上写的选用耐压16V的,用35V的吧。

      在整个的设计中,我们所留的余量都是比较大的,尤其是前级Tr1的30mA静态电流更是比较大,其实还要以更小些,大家在设计时可以稍做修改。最后上一个参数完整的图,供大家参考。

006.png
file://localhost/Users/zgoodays/Library/Caches/TemporaryItems/msoclip/0/clip_image006.png


      最后的家庭作业,按照这个图自己做一个小功放吧,洞洞板就可以!最后,别忘了给后面两个三极管加散热片并与Tr2做热耦合。
做好的朋友可以发到坛里,会被加很多刀的。

祝愉快
Goodays


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 楼主| goodays 发表于 2013-8-14 22:45:11 | 显示全部楼层
总算贴完了,竟然还有这数限制,害我重搞了好几次。这次的长贴算是为了十几天没更新的补偿吧!希望大家多支持
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18928565625 发表于 2013-8-14 22:50:43 | 显示全部楼层
谢谢楼主,哈哈看看学习一下
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两壶居士 发表于 2013-8-15 06:05:19 | 显示全部楼层
又看到楼主写教材了.
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浪子_mcu 发表于 2013-8-15 07:12:25 | 显示全部楼层
真心不错呀     赶紧录视频吧
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流星也会永恒 发表于 2013-8-15 08:20:18 | 显示全部楼层
我来捧场,虽然我没从头开始听
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mildtiger 发表于 2013-8-15 08:35:18 | 显示全部楼层
看看,学习学习。
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fiygo 发表于 2013-8-15 08:41:01 | 显示全部楼层
终于更新了,,,,,还好楼主没有抛弃我们
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