【導讀】功放是音頻電子中關鍵的一環。它常用于將輸入信號的功率放大許多倍。在音頻電子中，運算放大器會提高信號的電壓，但無法提供驅動負載的電流。本文我們來講如何用TDA2040功放、2個功率晶體管以及一個4Ω阻抗的揚聲器來打造一個40W的放大器。
功放是音頻電子中關鍵的一環。它常用于將輸入信號的功率放大許多倍。在音頻電子中，運算放大器會提高信號的電壓，但無法提供驅動負載的電流。本文我們來講如何用TDA2040功放、2個功率晶體管以及一個4Ω阻抗的揚聲器來打造一個40W的放大器。
放大器的拓撲結構
在一個放大器的鏈式系統中，功放用于負載前的最后一級。一般來說，音頻放大器系統的拓撲結構如下。
如上圖可見，功率放大器是與負載相連的最后一級。一般情況下，在功率放大器之前，需要使用前置放大器和電壓控制放大器來修正信號。同時，某些情況下還需要用到音調控制，音調控制的電路應放在功率放大器前。
了解你的負載
在音頻放大器系統中，負載和放大器的負載驅動能力是需要考慮的重要參數。而功率放大器的主要負載就是揚聲器。功放輸出取決于負載的阻抗，所以不合適的負載會影響功放的效率和穩定性。
揚聲器既是感性負載也是阻性負載。功放輸出交流電，因此揚聲器的阻抗是功率傳輸的關鍵因素之一。
在音頻電子中，不同的揚聲器功率和阻抗都不相同。市面上的揚聲器大多數是4Ω，8Ω，16Ω以及32Ω的，其中4Ω和8Ω的成本比較低。同時我們需要知道，放大器標注的5W，6W或10W等指的是RMS（有效值）。
簡單40W放大器的構造
上圖為TDA2040，屬于比較常見的音頻功放。它的封裝為Pentawatt，且有5個引腳。引腳圖可以在規格書中找到，如下圖所示。
1：同相輸入端；
2：反相輸入端；
3：負電源；
4：輸出端；
5：正電源。
頂部凸起部分與引腳3即負電源相連。如果要添加散熱器的話也應使用相同的連接方式。從規格書中我們可以發現。
以上參數證明了該IC的性能良好。它提供了對地的短路保護。同樣，熱保護在過載的情況下提供了額外的安全保障。從最后兩條數據中，我們可以看出TDA2040可以在4Ω的負載以及±17V的情況下輸出25W。這個情況下，THD（總諧波失真）為0.5%。同樣配置下，要想獲得30W的輸出，THD應變為10%。
同樣規格書中提供了供電電壓與輸出功率的關系圖。
從圖中可以看出，如果使用大于±15V的電源，我們就可以實現26W以上的輸出。
為了生成額外的電壓，我們還需要兩個功率晶體管NPN和PNP，這里我們用的是BD712和BD711.這兩個三極管都是TO-220C的封裝。
兩者的引腳圖如下。
為了實現完美運作且THD不受影響，我們需要36V的輸入來實現40W的輸出。盡管這個電路只需15V到40V就可以啟動了。
所需元器件
36V電源輸出
4Ω 40W的揚聲器
1.5Ω 0.5W的電阻x 4
100Ω 0.25W的電阻x 4
12Ω電阻 x 1
1Ω 2W的電阻 x 1
470nF電容
100uF電容
TDA2040
散熱器
二極管1N4148 x 2
220nF電容
2200uF電容
4.7uF電容
BD711和BD712
電路圖及原理
40W音頻放大器的電路圖也比較簡單；TDA2040放大信號后提供到了25W的有效值功率。其余的功率放大則由BD711和BD712三極管來實現。輸入電容470nF是隔直流的電容，只允許交流信號通過。還有一項重要因素就是單電源供電。因為放大器是由單電源供電，所以輸入信號需要拔高幾伏，從而使得放大器能在正負峰值上放大信號。電阻R6，R9，R7和R8負責為功率晶體管和功放提供偏置電壓。R10和C5則屬于RC緩沖電路，用于保護放大器免受揚聲器這個感性負載的影響。
測試40W的放大器電路
我們用proteus的仿真工具來檢查電路的輸出；我們可以在虛擬示波器中觀察輸出。
仿真結果如下圖所示
放大器功率的計算
我們可以用一個簡單的公式來計算放大器的功率
放大器功率=V的平方/R
仿真工具中，我們在輸出端接入一個交流電壓表。該電壓表顯示的是交流電峰峰值。
我們輸入的是200Hz的低頻正弦波信號。因為在低頻下，放大器會在負載上輸出更多電流，因此萬用表也能準確檢測到交流電壓。
如上圖所示，電壓為+12.5V，按照上面的公式，且負載為4Ω可得
放大器功率=12.5 x 12.5 / 4 = 39.06（接近40W）
搭建40W放大器需要注意的事
當搭建電路時，功放TDA2040需要與散熱器正確連接。越大的散熱器結果越好。同時使用音頻級的電容能獲取更好的結果。
同時，音頻相關的應用最好使用PCB。但必須了解以下幾個準則。
1.音頻信號布線要盡可能短，從而減少不必要的噪聲耦合。
2.功率晶體管應與合適的散熱器相連。
3.不要使用單一散熱器來固定TDA2040，BD711和BD712。不同的元件使用不同的散熱器，不然會出現短路的情況。
4.一定要注意揚聲器的功率，否則揚聲器很可能會被燒壞。
5.不要去除緩沖電路。在保護功率晶體管和功放上它起著至關重要的作用。
6.不要在放大器上施加放大過后信號，其THD會增加。
