晶体管电路设计 第二十一贴

李俊韬

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。

    第二个条件，假设我们的功放输入阻抗足够大，因此可以在输入端得到将近1Vpp的信号，但这个信号与我们最后要得到的8Vpp差了8倍，所以这个将电压放大的任务就交给了共发射极放大器。也就是说这个共发射极放大器至少要有8倍的电压放大倍数，再加上要留出些余量这个好习惯，因为往往实际中会发生的事往往不会完全符合设计的初衷，而实际上往往是向坏的方面发展，所以我们将共发射极部分也就是电压放大部分的参数定为10-15倍（20-24DB）。

      那么，到这里我们就确定了设计中的第二个条件：电压放大部分采用共发射极放大电路，放大倍数定为10-15倍。也就是说此部分集电极负载电阻与发射极电阻的比值约在10至15倍左右。

      3、输出部分，毫无疑问我们选择射极输出的推挽放大器进行电流放大，它没有电压增益，谁让我们刚刚研究过它呢！到现在我们已经对这个功放有了一个初步的模糊的印象，一共分两级，第一级做电压放大，以达到信号输出的幅度要求。第二级做电流放大，不放大电压，以使信号能够带动低阻负载也就是8Ω的喇叭。

      将我们以前所接触过的放大电路找一个顺眼的单电源的共射极放大器和一个更顺眼的单电源推挽放大器（不要问我为什么是单电源，因为这么一个小功放实在没必要用双电源了），并将它们联接在一起，就得到了下面的电路图。我们来看一下这张和白板一样的电路设计吧！（PS：终于要上图了！！）

      好吧，我承认，我偷懒了，把书上的图借过来抹掉了参数，但书上的这个图确实不错。在继续设计之前，我们先来看一下这个图，同时强烈要求大家不要再看书上标有参数的图了，我们的设计和书中的例子还是稍有些区别的。我们过一会儿就会象做填空题一样把这个图填好。先来看一下这个电路各部分元件的作用。从左到右看，VR1是音量电位器，C1是输入耦合电容，R1，R2是三极管Tr1的基极偏置电阻，R5，R6，C3是三极管Tr1的发射极电阻及电容，R3，VR2，R4，Tr2，C2组成了三极管Tr1的集电极负载部分，同时Tr2，VR2，R4为末级Tr3，Tr4提供合适的基极偏置电压，当然还有R3。Tr3，Tr4组成末级的推挽放大器，R7，R8是推挽放大器的射极电阻，可以稳定末级的静态电流，C4是输出耦合电容，R9与喇叭一起组成了放大器的负载，当然，还有退耦电容C5。好了，就这些东西组成了我们的小功放。首先，看一下图，有几个需要注意的地方，我在上面用红圈标出来。看图吧

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一共有三处，这三处也是三个为什么？为什么要这样设计？我们按信号的流向来分别解释一下这样设计的原因！

      先说最大的那个圈，里面有3个元件R5、R6，C3，在以前我们接触过这样的共射极放大器，我们知道发射极电阻与集电极电阻R3共同决定了这一级的放大倍数，而这种接法，对交流放大倍数起作用的是R5，也就是说R5与R3决定了这一级的放大倍数。而R5和R6再加上与R6并联将R6交流短路的电容起到了稳定放大器直流工作点的作用。也就是说这一部分电路对交流和直流而言会得到不一样的效果。那么为什么不直接用一个R5而非要再加上一个R6呢？后面在设计时我们会讲到。

      再看把电容C2套起来的那个圈，C2在这里扮演什么角色呢？它提供了一个交流通路。大家想象一下，如果没有C2，Tr1输出的交流信号在到达Tr3的时候必须要经过Tr2所组成的偏置电路，这个电路对交流信号是有一定的阻碍的，同时交流信号也对这个电路的稳定有所影响。所以设置一个C2将这个电路做交流短路，以打开信号的通路并绕开Tr2。

      最后一个圈，R9与喇叭共同组成了一个负载，它的用处就是当喇叭没有接入电路时给本电路提供一个小小的负载，不是说它阻值小，而是说当它单独存在时对功放的输出压力很小。没有它也可以，但如果有了它可以使功放输出端开路并且有信号输入时，末级的Tr3和Tr4不至于闲着没事儿干，给它们提供了一个电流通路，可以随时热热身准备投入更艰巨的工作中去。或者更深入一些的讲，它的存在保护了末级功放管的BE结不至于在空载时被击穿，真的有这种可能哦，要知道三极管的BE结的反向击穿电压是很低的，只有5到6伏左右。至于为什么，大家去翻资料吧，这是另外一个故事了。

      好了，相关的疑问就讲这些，下面该做填空了，做题时要先选简单的做，反正我是这样。所以，我们先把那些不用计算只凭经验就可以填上的空填上吧！

      首先是VR1，它做为音量电位器是必不可少的，但它又与功放的输入阻抗并联，会减小功放的输入阻抗不好取的太小，5K到10K是个不错的选择，太大也没必要，书上用了10K，如果你没有选5K或4.7K也行。耦合电容C1与电路总的输入阻抗形成RC高通滤波器，为了照顾低频的响应，应当取的大些，还是经验值，10uF以上就可以了，如果你喜欢也可以用100uF的，这时最好在100uF电容上并一个104的小电容，因为电解电容对高频率的信号来说有还等效为一个小电感，多少会有一些影响，加一个104CBB电容会有所改善。

      或者这个电容你也可以用更好的发烧级无极性电容代替或者钽电容也可以，它对音质的影响很大，总之，质量越好的电容效果越好。

      C2是用来短路那个偏置电路的，与它相关的电阻有R3与末级的等效输入电阻，不适合取得太小，太大与没有必要，书中用了3.3uF，对此我持保留意见，应当大一些的好，这里我建议用47uF的比较合适，品质与输入耦合电容要求一样，要好一些的。

      退耦电容C5，当然是越大越好，对于这个1W的小功放来说太大了有点儿浪费，折中下，取1000uF好了。如果你能再给它并上一个104的CBB会让很多人用内行的眼光看你。

      输出耦合电容C4，与它组成RC的是负载，8Ω的喇叭，所以为了输出更低的低频或者说声音下潜要好，所以要大，那就1000uF起吧，当然最好也要并上一个104或105的CBB照顾下高音。

      电阻R9以不影响负载上所得到的功率为准，所以要远远大于8Ω，所以是给它1K还是10K看你喜欢了，越小越好，但绝不能太小，这个你懂的。

      刚才忘说了，还有C3，与它组成RC的电阻是R5，现在不知道R5的大小，但应该R5越小，C3越大，为了保险，也给它470uF吧，当然一个104的CBB是不可缺少的。

      好了，现阶段填空只能做到这些了，剩下的东东每一个都是要算的，现在填好空的图如下：

      现在的图看起来顺眼多了，剩下的就是电阻的取值了，虽然电阻很便宜，但是要把它们用好绝对是一门很深的学问。

      现在，让我们在这门很深学问的大门上狠狠的踹一脚吧。

      从哪里开始呢？左边还是右边？这是一个问题，告诉大家，从右边倒着往左边也就是前级推算是最合理的办法，要是不信，当我们讲完后你试着从左边推算就会发现了。

      好吧，从右边开始，怎么开始呢？电压还是电流？看看我们已经知道了什么。输出端中点电压也就是R7，R8，C4交点的地方要设计成7.5V，这是静态时的中点电压，有信号时这个地方最高要到11.5V，最低要到3.5V。

     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。

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?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?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?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：

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?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?的三极管，比如9014一类的有的可以达到600至800的?。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?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。