100W 超低音扬声器放大器电路
超低音扬声器是一种产生低频音频信号的扬声器。第一个超低音扬声器放大器于 1970 年由 Ken Kreisler 开发。它主要用于改善音频信号的低音质量。这里我们设计的超低音扬声器放大器产生频率为 20Hz 到 200Hz 的低频音频信号，输出功率为 100W，用于驱动 4 欧姆负载。
1. 超低音扬声器放大器电路原理
音频信号首先经过滤波，以去除高频信号，只允许低频信号通过。然后 使用电压放大器对该低频信号进行放大。接着使用晶体管驱动的甲乙类功率放大器对该低功率信号进行放大。
2. 100W 超低音扬声器放大器电路图
3. 电路元件
| 元件 | 值 |
|---|---|
| R1 | 6K |
| R2 | 6K |
| R3 | 130K |
| R4 | 22K |
| R5 | 15K |
| R6 | 3.2K |
| R7 | 300 欧姆 |
| R8 | 30 欧姆 |
| R9、R10 | 3K |
| C1、C2 | 0.1uF，电解电容 |
| C3、C5、C6 | 10uF，电解电容 |
| C4 | 1uF，电解电容 |
| Q1 | 2N222A |
| Q2 | TIP41 |
| Q3 | TIP41 |
| Q4 | TIP147，PNP |
| D1、D2 | 1N4007 |
| 双电源 | +/-30V |
4. 超低音扬声器放大器电路设计
4.1 音频滤波器设计
这里我们使用 LM7332 运放设计了一个萨伦 - 凯伊低通滤波器。假设截止频率为 200Hz，品质因数为 0.707。还假设极点数等于 1，C1 的值等于 0.1uF，C2 的值可以计算为 0.1uF。假设 R1 和 R2 相同，可以通过以下公式计算其值
这给出了每个电阻的值为 5.6K。这里我们选择 6K 电阻作为 R1 和 R2。由于我们想要一个闭环增益滤波器，因此不需要非反相端的电阻，该端直接连接到输出端。
4.2 预放大器设计
预放大器基于 2N222A 晶体管的甲类工作。由于所需的输出功率为 100W，负载电阻为 4 欧姆，这里我们需要一个 30V 的电源电压。
假设集电极静态电流为 1mA，集电极静态电压为电源电压的一半，即 15V，负载电阻的值计算为 15K。
基极电流由以下公式给出，Ib = Icq/hfe
代入值，hfe 或交流电流增益，我们得到基极电流等于 0.02mA。偏置电流 Ibias 假设为基极电流的十倍，即 0.2mA。
假设发射极电压为电源电压的 12%，即 3.6V。基极电压 Vb 等于 Ve + 0.7，即 4.3V。
然后计算 R3 和 R4 的值如下：
代入值，我们得到 R3 等于 130K，R4 等于 22K。
发射极电阻计算为 3.6K（Ve/Ie）。然而，这个电阻在两个电阻 R6 和 R7 之间共享，其中 R7 用作反馈电阻，以减少 C4 的解耦效应。通过 R5 和增益的值计算 R7 的值，发现为 300 欧姆。R6 的值则等于 3.2K。
由于 C4 的容抗应小于发射极电阻，我们计算 C4 的值等于 1uF。
5. 功率放大器设计
功率放大器使用达林顿晶体管 TIP142 和 TIP147 以甲乙类模式设计。选择偏置二极管使其热特性等于达林顿晶体管的热特性。这里选择 1N4007。
由于需要一个大值的偏置电阻以获得低偏置电流，我们选择 R9 等于 3K。
驱动级用于为功率放大器提供高阻抗输入。这里我们使用一个甲类功率晶体管 TIP41。发射极电阻 R8 由发射极电压 Ve（1/2Vcc - 0.7）和发射极电流 Ie（等于集电极电流，即 0.5A）的值给出，发现为 28.6 欧姆 。这里我们选择一个 30 欧姆的电阻。
引导电阻 R10 的值应能够为达林顿晶体管提供高阻抗。这里我们选择 R10 为 3K。
6. 超低音扬声器放大器电路操作
音频信号通过使用运放的萨伦 - 凯伊低通滤波器进行滤波，使得只有 200Hz 及以下的频率通过，其余被滤除。这个低频信号通过耦合电容 C3 输入到晶体管 Q1 的输入端。晶体管以甲类模式工作，在其输出端产生输入信号的放大版本。然后通过 Q2 将这个放大信号转换为高阻抗信号，并输入到甲乙类功率放大器。两个达林顿晶体管的工作方式是一个在正半周期导通，另一个在负半周期导通，从而产生一个完整的输出信号周期。发射极电阻 R11 和 R13 用于最小化匹配晶体管之间的任何差异。使用二极管以确保最小的交叉失真。然后使用这个高功率输出信号来驱动低阻抗的扬声器或超低音扬声器，约为 4 欧姆。注意，这里我们使用了一个 8 欧姆的电阻进行测试。
7. 超低音扬声器放大器电路的应用
- 该电路可用于家庭影院系统中驱动超低音扬声器，以产生高质量、高保真的音乐。
- 该电路也可用作低频信号的功率放大器。
8. 限制
- 滤波电路倾向于增加音频信号的直流电平，导致偏置中断。
- 使用线性器件会导致功率损耗，从而降低电路效率。
- 这是一个理论电路，输出包含失真。
- 该电路没有提供去除噪声信号的措施，因此输出可能包含噪声干扰。