150W 功率放大器电路

功率放大器电路是一种输出阻抗极低的电路，主要用于驱动诸如扬声器等低阻抗且需要高功率的负载。本文设计了一个使用推挽 Class AB（AB 类）配置的功率放大器电路，实现输出功率 150W，用于驱动 8Ω 负载（扬声器）。

1. 功率放大器电路的原理

该电路的基本原理是双极型结型晶体管（BJT）的不同偏置方式。 麦克风输出的电信号幅度非常低，这一低电压信号通过 BJT 的共射极（CE）配置并在 Class A（A 类）偏置模式下被放大到可用的电平。在这种模式下，输出信号是反相的放大信号，但其功率仍然较低。

接着，使用两个达林顿（Darlington）功率晶体管组成的 Class AB（AB 类）配置，将该低功率信号进一步放大到高功率信号。一个工作在 Class A 模式下的驱动晶体管用于驱动这一对达林顿功率晶体管。

2. 功率放大器电路理论

该电路有两个关键部分：Class AB 放大器和 Class A 电压放大器。

• 一个在 Class AB 模式下偏置的晶体管，仅对输入信号的一半进行放大。因此，一个 AB 类放大器由两只匹配的晶体管组成：一只在输入信号的正半周导通，另一只在负半周导通。
• 实际的 AB 类放大器需要使用二极管为两只晶体管提供偏置，以消除交越失真。
• 整个 AB 放大器由一个以共射极（CE）配置接法的晶体管驱动。

另一方面，在 Class A 模式下偏置的晶体管输出的是输入信号的反相信号，但其效率低，且输出阻抗也较高。

3. 150W 功率放大器电路图

150W 功率放大器电路图

4. 功率放大器电路设计

4.1 AB 类放大器级设计

1.晶体管选择

设计要求输出功率为 150W，考虑到晶体管的功耗，假设所需的总功率约为 200W。选择 ±50V 双电源，即 $V_{CC} = 50\text{V}$，负载为 8Ω。为了提高效率，选择 TIP142（NPN）和 TIP147（PNP）达林顿对晶体管。

2.偏置电阻选择

偏置电阻上的电压应比 $V_{CC}$ 低约 1.4V。由于平均集电极电流较大，偏置电流很小，因此选择阻值较大的电阻。这里选用 3kΩ。

3.二极管选择

电路中使用两个二极管为功率晶体管提供适当偏置，以消除交越失真。应选择与功率晶体管热特性相似的二极管，这里选用 1N4007。

4.输出电阻选择

使用两只均衡电阻（Swamping Resistors）来最小化两只匹配晶体管之间的特性差异并提供热补偿。这些电阻应为低阻值，选用 0.33Ω。

5.自举电阻与电容选择

自举（Bootstrapping）用于提高达林顿晶体管的输入阻抗。选用 10µF 电解电容，使其在最低频率 20Hz 时的容抗较小。自举电阻应选用较大阻值，以获得高输入阻抗，这里选择 3kΩ。

4.2 驱动级设计

1.晶体管选择

选择功率晶体管 TIP41 作为驱动器，以提供高功率和高增益输出。

2.发射极电阻选择

驱动晶体管的发射极电压为 $\frac{V_{CC}}{2} - V_{BE}$。 当 $V_{CC} = 50\text{V}$，且 $V_{BE} = 0.7\text{V}$ 时，得到：

$V_E = \frac{V_{CC}}{2} - V_{BE} = 24.3\text{V}$

由于发射极电流与静态集电极电流相同，因此发射极电阻为：

$R_E = \frac{V_E}{I_E} \approx 50\Omega$

实际选用 40Ω。

3.耦合电容选择

耦合电容用于将前一级放大器输出的交流信号耦合至驱动级输入，选用 10µF 电解电容。

4.3 音频前置放大级设计

1.晶体管选择

由于 $V_{CC} \approx 50\text{V}$，选择最大集电极-发射极耐压大于 $V_{CC}$ 的晶体管。这里选用 NPN 晶体管 BC546。

2.负载电阻 $R_3$ 选择

根据 BC546 数据手册，静态集电极电流约为 $I_C = 2\text{mA}$，使 $R_3$ 上的电压约为 $V_{CC}/2$，得：

$R_3 = \frac{V_{CC}/2}{I_C} = 12.5k\Omega$

实际选用 10kΩ。

3.偏置电阻 $R_1$、$R_2$ 选择

假设偏置电流为基极电流的 10 倍。 BC546 的小信号电流增益 $h_{FE} \approx 125$，因此：

$I_B = \frac{I_C}{h_{FE}} \approx 0.016\text{mA}$

$I_E \approx I_B \times 10 = 0.16\text{mA}$

基极电压 $V_B$ 比发射极电压 $V_E$ 高 0.7V。 假设 $V_E = 12\% \cdot V_{CC} = 6\text{V}$，则：

$R_1 = \frac{V_{CC} - V_B}{I_E} \approx 24.5k\Omega \quad\Rightarrow\quad 取 25k\Omega$

$R_2 = \frac{V_B}{I_E} \approx 3.35k\Omega \quad\Rightarrow\quad 取 3k\Omega$

4.反馈电阻 $R_5$ 选择

假设所需电压增益 $A_V = 50$，由于 $R_3 \approx 10k\Omega$，则：

$R_5 = \frac{R_3}{A_V} = 200\Omega$

5.发射极电阻 $R_4$ 选择

发射极电阻总值为：

$R_E = \frac{V_E}{I_E} = 3k\Omega$

由于该电阻与反馈电阻共享，取：

$R_4 = R_E - R_5 = 3k\Omega - 200\Omega = 2.8k\Omega$

实际选用 2kΩ。

6.发射极电容选择

发射极电容应使其容抗低于发射极总电阻，选用 0.01µF 电解电容。

7.耦合电容选择

选用 10µF 电解电容。

4.4 元器件参数表

元件	参数
R1	25kΩ
R2	3kΩ
R3	10kΩ
R4	2kΩ
R5	200Ω
R6	3kΩ
R7	3kΩ
R8	40Ω
R9, R10	0.33Ω
C1, C2, C3	10µF, 电解
C4	0.01µF, 电解
Q1	TIP141, NPN
Q2	TIP147, PNP
Q3	TIP41
Q4	BC546
Vcc	±50V

5. 功率放大器电路测试

当电路设计完成并在 Multisim 中绘制后，将交流信号源通过前置放大器级的耦合电容输入，输入信号设置为：

$V_{in} = 4\text{V}_{pp}, \ f = 1\text{kHz}$

在负载电阻 8Ω 上连接功率计，电压端接在负载两端，电流端接在输出端与负载之间。 观测到最大输出功率约为 200W。

6. 功率放大器电路应用

• 用于驱动低输入阻抗的扬声器，实现音频放大。
• 可用于驱动高功率天线，用于长距离信号传输。

7. 限制

• 本电路为理论设计，输出中存在一定失真。
• 使用 BJT 等线性器件会导致功率损耗较大，从而降低系统效率。