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設計音頻功放時偏置電阻參數的確定

 only4dragon 2013-03-07

1.確定具體的電路形式  
功率放大電路有兩種基本的電路形式,分別是OCL和OTL,如上圖和下圖所示。兩種電路基本相似,OCL電路采用的是雙電源供電方式,且輸出端是直接輸出;而OTL電路是單電源供電方式,輸出端采用了電容輸出。二者的工作原理也基本相同,在此需要確定的是電路中的電阻RL、R1、R2、R3、R4、RPl、RP2的參數。二者任意選取其中一種都可,下面就以上圖所示OCL電路為例來進行分析。

OCL功率放大電路













OTL功誨放大電路


2.查閱資料或手冊找到六個參數
在此需要知道功率放大管Q1、Q2及驅動管Q3的如下六個參數:放大系數β、集一射之間反向擊穿電壓VCCec(sat)、集電結最大耗散功率PCM、最大集電極電流ICM、發(fā)射結正向導通電壓LIBE、集一射之間飽和電壓Uce(sat)。有條件的朋友最好是先測試一下各管子的參數再進行下列步驟。
  

3.確定電源電壓Vcc和負載RL
我們知道,在功率放大電路中電源電壓越高,輸出功率越大,所以我們盡量將電源電壓取高些,但不能無目的的提高電源電壓,要保證功率放大管的安全工作;而對于負載電阻來說,其阻值越小,電路輸出功率也越大,但負載阻抗太小會使得負載電流太大,甚至超過功率放大管的最大電流而燒毀。那么,電源電壓為多高,負載阻抗為多大才理想呢?這要根據功率三極管的選擇條件才能進行確定。

根據三極管的選擇條件可得出電源電壓Vcc和負載RL的大小必須同時滿足式(2)中的三個關系式:

說明:在計算時可先取負載阻抗為4Q代入(2)式進行計算,三個關系式中如果其中某一關系式不滿足,則再取負載阻抗為8Q或16Q重復計算直到三個關系式同時滿足為止。不過此時計算出的電源電壓是將功率放大管視為理想狀態(tài)而言的,沒有考慮功率放大管的飽和壓降,為了保證輸出信號的質量,功率放大管Q1和Q2的飽和壓降可取Uce(sat)=2V,即在計算出的電源電壓的基礎上再加2V作為電源電壓VCC,但也要同時滿足(2)式中的三個關系式。一旦電源電壓和負載阻抗確定之后。在后面的計算中就不能再隨意改動了。


4.根據負載RL計算出功率放大管的最大基極電流Ib(max)

最大輸出電流等于最大輸出電壓與負載RL的比值,而最大輸出電壓是電源電壓VCC與功率放大管的飽和壓降Uce(sat)之差,即:

  



5.R1的確定
根據電路的工作原理可知,驅動管Q3受輸入信號的控制而截止時,功率放大管Q1飽和導通。功率放大管Q2截止,負載上的電壓和電流幅度都達到最大值,此時R1為Q1提供最大的基極電流Ib(sat)據此,可將電路等效為下圖所示。則R1的阻值就等于R1上的電壓URl與最大基極電流Ib(max)之比,

 

 

6.R2的確定
根據電路的工作原理可知:當驅動管Q3受輸入信號的控制(如輸入信號增大)而飽和導通時,Q1截止,Q2飽和導通。此時電路可等效為下圖所示,圖中由于Q1截止故采用虛線畫出。由下圖可看出,

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7.R3、R4及RPl的確定

電阻R3、R4和RPl的作用是為驅動管Q3提供合適的靜態(tài)基極電流Ibc3同時RPl具有調節(jié)輸出中點電位的作用(正常情況下靜態(tài)中點電位為0V)。而功率放大管Q1和Q2均處于輕微導通狀態(tài),此時靜態(tài)集電極電流為

  

則靜態(tài)基極電流為:

為了使Q3的靜態(tài)工作點穩(wěn)定,一般取R3上的電流是其基極電流Im3的3~5倍,而R3上的電壓為其集電極電流lc。3在R2上產生的電壓與Q3的發(fā)射結電壓Ube3之和,即:

根據電路的靜態(tài)工作情況及分壓原理,可知Q3的基極上部分偏置電阻R’4為:

在電路設計中,此基極上部分偏置電阻R’4由電阻R4和RPl組成,可取電阻R4阻值為R’4的一半,而RPl的阻值為R’4,這樣Q3的基極上部分偏置電阻的變化范圍是1/2R’4~3/2R’4,能夠保證靜態(tài)時輸出端中點電位調節(jié)到0V的位置。因此有:


8.RP2的確定
二極管D1、D2以及電位器RP2的作用是減小交越失真,電位器RP2可以調節(jié)功率放大管的靜態(tài)電流,由于兩個功率放大管具有對稱性且參數相同,所以調節(jié)電位器RP2對中點電位幾乎無影響。也就有調節(jié)RP2不會改變Q3的靜態(tài)集電極電流ICQ3。
  
由下圖可知.兩個二極管上的電壓VDl、VD2與ICQ3在RP2上產生的電壓之和等于兩個功率放大管的發(fā)射結電壓Ube1,和Ube2之和。但由于為了減小功率放大管的靜態(tài)功耗,提高效率。實際上此電壓要比兩個發(fā)射結電壓之和小得多。即;

至此,只要知道三極管的六個參數,電路中各電阻的阻值由上述11個公式,就可以計算確定下來,0TL功率放大電路的偏置電阻參數的確定方法和步驟也完全一樣,只是各式中的VCC用1/2Vcc替代乙就行了。
  
值得一提的是:多數情況下由以上公式計算出來的電阻值不是標稱值,此時可用多個電阻串聯或并聯來實現,盡量使之相符合;當然稍許有點誤差也是在所難免的,只要相差不大,是允許的,但要特別小心.因為很多對管都是達林頓管,其放大系數相當大,有好幾千甚至上萬倍,只要基極電流變化一點點,輸出電流可不是一個小數目,也許這就是許多朋友不敢輕舉妄動的原因吧,所以對于這種情況我們的原則是,對于電阻R1和R2是宜大不宜小,而對于電阻R3、R4由于有電位器可以調節(jié)可大可小,但要注意不要相差太大。

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