用于音频放大器的最佳晶体管

电器工程 晶体管 声音的 放大器 bjt 场效应管
2022-01-17 18:52:07

本学期,我们将设计一个音频放大器。到目前为止,在我们的讲座中,我们仍然在 BJT,根据我所听到的,FET 将只是部分讨论,而不是关于 BJT 的彻底讨论。无论如何,我想这么早有个主意,这样我就可以计划使用哪种晶体管来实现最佳音频放大。我已经阅读了一些线程,其他晶体管(BJT/FET)如何更好,但其他论坛表示性能不取决于组件,而是取决于晶体管如何正确偏置以及电路如何正确设计。

在设计音频放大器时,四种晶体管亚型中的哪一种效率最高?(NPN/PNP/JFET/MOSFET)

顺便说一句,我教授的要求就是这样:打动我。现在我的小组还没有决定电路的细节(瓦数、阻抗等)。

4个回答

您可以从许多不同类型的 BJT 成功构建音频放大器。使放大器工作良好的是电路,而不是晶体管。我会选择像 2N4401 (NPN) 和 2N4403 (PNP) 这样的软糖部件,除了最终的功率输出晶体管外,我都坚持使用它们。很多部分可以填补这个角色。如果您有自己喜欢的软糖小信号晶体管,请根据需要使用它们。我提到的那些具有合理的增益,可以处理高达 40 V 的电压,这应该足以让放大器给您的教授留下深刻印象。

有许多可能的功率晶体管用作最终输出。如果您的目标是几瓦,我可能会选择 TIP41 (NPN) 和 TIP42 (PNP) 等基本部件。

尽管如此,晶体管的选择不会决定这个项目的成败。你当然可以用我提到的晶体管创建一个令人印象深刻的音频放大器,但你也可能会弄得一团糟。这真的取决于设计。在音频中,整体噪声和谐波失真是重中之重。这些来自仔细的电路设计和在每个步骤中对这些参数的关注。

您还可以使用其他类型的晶体管,例如 JFET 或 MOSFET。这些将需要不同的电路拓扑才能正确使用,但也可用于制造良好的放大器。由于您将更彻底地了解 BJT 的详细信息,因此我暂时坚持使用它们。这将是一个很好的学习练习。设计具有极低噪声和极低失真的放大器并非易事。

与 MOSFET 相比,对于相同数量的组件,您可能会使用 BJT 制作更有效的功率输出级。我使用“有效”这个词的意思是,对于与简单推挽电路中使用的 BJT 相同的电源,您的输出电压将摆动得更高/更大。这是因为,要开启 BJT,您只需要大约 0.6 到 0.7V,而要获得提供数百毫安电流的 MOSFET,您可能需要用 3 或 4 伏电压驱动其栅极。

同样,这将是一个简单的射极跟随器推挽 AB 类输出级。您只能使用仅限于电源轨的信号来驱动输出晶体管,如果这是(比如说)24V dc - 您应该能够将 22Vp-p 的信号驱动到功率晶体管。假设每个 BJT 将“损失”0.7 伏(由于基极发射极结),最大输出电压峰峰值约为 20.6 伏。如果您使用的是 MOSFET,则更像是 14 伏峰峰值到一个体面的负载。

到目前为止,我的回答中有些挥手,但是,只需在作为源极跟随器连接的 mosfet 上做功课,然后选择一个具有较小 Vgs(阈值)并检查数据表以查看需要多少栅极驱动电压让几百毫安流过它。

有更复杂的设计在输出晶体管是集电极连接或漏极连接的情况下很难工作,但是对于初学者我会远离这些,因为如果不仔细设计它们会不稳定,并且需要更多的硅才能有效地工作。

因此,鉴于您没有指定功率输出、扬声器负载或电压轨,我会说 BJT 功率输出级可能是最佳选择。至于其他晶体管,我会坚持使用 BJT——它们已被用于数以万计的优秀商业设计中。您当然可以考虑使用输出变压器的 A 类输出级 - 这可能值得考虑,但不利的一面是由于最终晶体管偏置导致的效率损失。

我刚刚环顾了一个相当简单的输出级,它显示了一个像样的放大器可能需要的偏置布置,并遇到了这个:-

在此处输入图像描述

它来自这个网站。我推荐它是因为它似乎有一个不错的规格,并且该网站还推荐了一个没有二极管/偏置的缩减版本。我个人认为这对于初学者来说是一个好的开始。该站点讨论了有关制作良好输出阶段所需的几件事。

如果您进行更多研究,您可以采用基本设计并为其增加增益并将运算放大器换成单个晶体管。

这是一个迟到的答案,但我希望它可以帮助有人问同样的问题。

我更喜欢 BJT,但 MOSFET 非常易于使用,并且在保真度方面可以胜过 BJT。两者都可以提供出色的结果,只需使用您发现自己喜欢的即可。MOSFET 通常可以处理更高的电源电压(更高的最大 Vds)。所以用你觉得最舒服的设计(计算明智),如果你觉得两者都一样舒服,请使用 random.org。

补充一下 Andy aka 所说的内容,只要知道您需要有一个非常复杂的设计才能在输出摆动时在每个轨下获得 0.7V。这是因为 BJT 放大器的放大器级也需要信号来驱动它,这通常会将一个轨道的电压降低大约 10%(不要引用我的那个数字,这只是我使用的一般经验法则)。而且我认为运算放大器不会给教授留下深刻印象。至少在我学习的地方,如果我使用运算放大器,我会彻底失败。此外,您可以从一个(使用精心设计的驱动级)中获得的最大值是 18 W 到 8 欧姆 - 如果我没记错的话,这是使用 NE5532。一般来说,你只看到 10-15 W 的运算放大器。首先,一个运算放大器需要 5 分钟的时间来设计,其次是功耗惨淡。

此外,使用两个二极管来偏置 BJT 输出级并不是特别好的主意,除非您完美匹配您的二极管和晶体管并热连接二极管和输出晶体管。BJT 放大器非常容易受到热失控的影响。在实践中,您可能会发现,如果您使用普通信号二极管,最终会得到非常高的偏置电流。如果要使用二极管,请使用整流二极管 - 1N4001。

定义“性能”。你为什么对“效率”感兴趣?晶体管以不同的方式用于音频放大器。您拥有像臭名昭著的 Neve 控制台麦克风前置一样超速的离散 A 类电路。从理论上讲,运算放大器设计将具有最佳性能(实际上,在传统运算放大器前面放置单独的晶体管可能会接近性能的理论极限)。但更一般地说,你有输入晶体管、增益晶体管和输出晶体管。

输入晶体管应该是低噪声的。如果源阻抗正确,BJT 的噪声往往会更低(对于运算放大器,您可以通过查看电压噪声/电流噪声在数据表中查找,NE5534A 在 30Hz 时约为 5.5/0.0015 = 3k7)。JFET 具有超低电流噪声,因此它们在高 Z 输入下往往具有更好的噪声性能。

增益晶体管应该是低噪声和高增益的。我不确定什么是好的输出晶体管。可能是带宽或热特性。