BJT功能率放大器(10W)

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計課題：BJT功能放大器系 別： 電氣與電子工程系專 業(yè)： 電氣工程及其自動化姓 名： 代志浩學(xué) 號： 181415210指導(dǎo)教師： 李 慧河南城建學(xué)院2012年9月3日一、設(shè)計目的1、以電子技術(shù)基礎(chǔ)的基本理論為指導(dǎo)，將設(shè)計實驗分為基礎(chǔ)型和系統(tǒng)型兩個層次，基礎(chǔ)型指基本單元電路設(shè)計與調(diào)試，系統(tǒng)型指若干個模擬基本單元電路組成并完成特定功能的電子電路的設(shè)計、調(diào)試。2、拓展電子電路的應(yīng)用領(lǐng)域，能設(shè)計、制作出滿足一定性能指標或特定功能的電子電路設(shè)計任務(wù)。二、設(shè)計要求1、熟悉常用電子儀器操作使用和測試方法。2、學(xué)習(xí)計算機軟件輔助電路設(shè)計方法，能熟練應(yīng)用EWB仿真軟件輔助設(shè)計。3、學(xué)習(xí)電子

2、系統(tǒng)電路的安裝調(diào)試技術(shù)。三、總體設(shè)計1、設(shè)計的總體原理框圖現(xiàn)如今，隨著社會的不斷發(fā)展與進步，物質(zhì)文明已經(jīng)充分的滿足人們的需要了，而精神文明成為了生活中的難題，在滿足他們視野的同時，耳朵也需要滿足，這就需要人類發(fā)揮它們的聰明才智，發(fā)明一種功率放大器。由于以前所遇到的功率放大器是不能滿足需要，它們基本上都是小信號放大電路，并且主要用于增強信號的幅度，也就是說它不能放大聲音，不能驅(qū)動負載。例如共射級放大電路、共集電級放大電路、共基級放大電路、場效應(yīng)放大電路等等。但在實際應(yīng)用中，許多電子設(shè)備都需要輸出足夠的功率來驅(qū)動負載，例如揚聲器、執(zhí)行電動機等等。因此放大電路的末級一般采用能夠輸出足夠功率的功率放大

3、器。下面說明我的設(shè)計方案：實際應(yīng)用中的放大電路是有前置放大電路和功率放大電路組成，如上圖所示。 前置放大電路由多級放大電路或單級放大電路組成，工作于小信號狀態(tài)，起作用是輸出足夠大幅度的信號電壓或電流；而功率放大器的主要作用是輸出足夠大的功率，通常工作在大信號狀態(tài)。 此次的設(shè)計只涉及第三步的功率放大電路。四、各部分電路設(shè)計(一) 、功率放大電路工作狀態(tài)的選擇功率放大電路按功放的工作狀態(tài)不同可分為甲類、乙類、丙類和甲乙類。1）甲類功放管在整個信號周期全導(dǎo)通，導(dǎo)通角為360度，靜態(tài)工作點Q位置適中，如圖功放電路工作在甲類狀態(tài)時，只要功放管不進入飽和區(qū)或截止區(qū)，非線性失真最小。但由于甲類功放靜態(tài)工作點

4、設(shè)置在負載線的中央，靜態(tài)耗能很大。既無信號輸入時，靜態(tài)集電極電流很大，管耗很大。對音響功放電路來說，無聲音時，功耗和管耗很大，是很不合理的。因此甲類功放電路的致命缺點是效率低，最大效率在理想情況下只有百分之50。2）乙類功放管在整個信號周期內(nèi)只有半個周期導(dǎo)通，導(dǎo)通角為180度，靜態(tài)工作點Q在截至區(qū)，如圖所示功放管工作在乙類狀態(tài)時，輸出信號只有一半，失真嚴重。若兩個功放管在正負半周期輪流工作，然后將兩個半波拼接，失真嚴重的問題就明顯解決了。乙類狀態(tài)的最大優(yōu)點是靜態(tài)功耗為0。因其靜態(tài)集電極電流為0，因此無信號輸入時，功放管管耗為0.兩個功放管拼接的乙類功放電路最大效率在理想情況下可達百分之78.5

5、。3）甲乙類由上可知，既要提高功放效率，又要減小非線性失真，這是一對矛盾。理想的選擇是乙類狀態(tài)，用兩個功放管在正負半周輪流工作，輸出兩個半波信號組成一個完整信號。但由于三極管存在導(dǎo)通死區(qū)，在信號小于死區(qū)電壓時，會產(chǎn)生截止失真，此種情況主要發(fā)生在兩個功放管交替工作的瞬間，這種失真稱為交越失真。 解決這一問題的方法是給功放管設(shè)置一定靜態(tài)偏流但這種靜態(tài)偏置絕不是甲類狀態(tài)中的偏置，Q點應(yīng)設(shè)置在靠近截止區(qū)的邊緣，一般，設(shè)置功放管靜態(tài)集電極電流24毫安為宜。這種介于甲乙之間，成為甲乙類工作狀態(tài)，因其偏向乙類，所以用乙類狀態(tài)分析。以上終結(jié)可得：狀態(tài)一個信號周期內(nèi)導(dǎo)通時間工作特點圖示甲類整個周期內(nèi)導(dǎo)通失真小，

6、靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。乙類半個周期內(nèi)導(dǎo)通失真大，靜態(tài)電流為零 ，管耗小，效率高。甲乙類半個多周期內(nèi)導(dǎo)通 失真大， 靜態(tài)電流小 ，管耗小，效率較高。在上述的電路之中似乎都有缺陷，以下還有一種，是對乙電路的一種改進，那就是互補對稱電路。（二）、互補對稱電路所選工作狀態(tài)：互補對稱由兩類不同的NPN型和PNP型的功放管組成，要求兩個功放管參數(shù)一致，因此稱為互補對稱功放電路。1 、工作原理由于電路對稱，靜態(tài)時，UA=0設(shè)輸入信號為正弦波，當輸入信號正半周時，T1導(dǎo)通，T2截止；輸入信號負半周時，T2導(dǎo)各自工作在乙類狀態(tài)，兩管輪流工作在負載上流過一個完整的正弦波電流信號。 2 、 輸出特性曲線的合成

7、因為輸出信號是兩管共同作用的結(jié)果， 所以將T1、T2合成一個能反映輸出信號和通過負載的電流的特性曲線。合成時考慮到：（1）vi=0時,VCEQ1=Vcc ， -VCEQ2=Vcc， 因此 Q1=Q2 。 （2）由流過RL的電流方向知ic1與ic2方向相反。即兩個縱坐標軸相反。 （3）特性的橫坐標應(yīng)符合：vCE1+vEC2=Vcc-(-Vcc)=2Vcc vCE1的原點與-vCE2=2Vcc點重合；-vCE2的原點與+vCE1=2Vcc點重合。 由以上三點，得兩管的合成曲線如圖5.6所示。這時負載線過Vcc點形成一條斜線，其斜率為-/RL。顯然，允許的iC的最大變化范圍為2ICm，vCE的變化范

8、圍為2（VCC-VCES）=2Vcem=2IcmRL。如果忽略BJT的飽和壓降VCES，Vcem=IcmRLVCC。 3 、計算輸出功率Po在輸入正弦信號幅度足夠的前提下，即能驅(qū)使工作點沿負載線在截止點與臨界飽和點之間移動。如圖5.6所示波形。 輸出功率用輸出電壓有效值V0和輸出電流I0的乘積來表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Vom，則這恰好是圖5.6中ABQ的面積。因為Iom=Vom/RL，所以圖5.5中的T1 、T2可以看成工作在射極輸出器狀態(tài)，AV1。當輸入信號足夠大，使Vim=Vom= Vcem= VCC- VCES VCC和Iom=Icm時，可獲得最大的輸出功率 由上述對Po的討論可知，要提

9、供放大器的輸出功率，可以增大電源電壓VCC或降低負載阻抗RL。 但必須正確選擇功率三極管的參數(shù)和施加必要的散熱條件，以保證其安全工作。4 、BJT的管耗PT5 、電源提供的功率6 、效率（三）功率BJT的選擇最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系上式表明：當Vom 0.6VCC時，BJT具有最大的管耗， 因此，功率三極管的選擇應(yīng)滿足以下條件 五、設(shè)計的整體電路圖1 、所設(shè)計的功放電路的原理與OTL的原理相似，這里只介紹OTL功放電路如圖所示：圖示是互補對稱式OTL功放電原理圖。它具有非線性失真小，頻率響應(yīng)寬，電路性能指標較高等優(yōu)點，是目前OTL電路在各種高保真放大器應(yīng)用電路中較為廣泛采用的電路之一。工作

10、原理： Q1 是前置放大管，采用NPN 型硅管，溫度穩(wěn)定性較好。要降低噪聲，就要從前級做起，否則，噪聲會經(jīng)后級放大，變得很明顯。這里最主要是要避免從基極引入噪聲。本電路中，Q1 的基極偏置電源由D1、D2 穩(wěn)壓得到，進一步提高了穩(wěn)定性。發(fā)射極電阻R4 的阻值很小，對穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用不大，其主要起交流負反饋作用。 Q2是激勵放大管，它給功放級足夠的推動信號，輸入信號經(jīng)Q1、Q2兩級放大后，具備了驅(qū)動Q3、Q4（輸出級）的能力。R9、W2、R10是Q2的偏置電阻，R6、R7、D3、D4是Q2的集電極負載電阻。 Q3、Q4 是末級互補輸出對管，該管主要是為了給喇叭提供足夠大的驅(qū)動電流，Q3、Q4

11、的放大倍數(shù)應(yīng)盡可能一致，這樣才可以保證輸出信號的正負半周信號對稱，讓失真更小?；パa對管的意思是指一個管是NPN型，一個管是PNP型。D3和D4、R6 和R7、Q2的CE 極三部分共同組成Q3、Q4的偏置電路，保證Q3、Q4在無信號時輸出中點電壓。D3 和D4 的作用就是保證給Q3、Q4 基極提供一個相對穩(wěn)定的1.2V左右的電壓， D3 和D4千萬不能開路，否則Q3、Q4會有很大的基極電流，導(dǎo)致Q3、Q4的集電極電流劇增，立即發(fā)熱燒壞。但是，D3和D4的分壓也不能太低，否則，在小信號時會聽出明顯的截止失直（和交越失真相同）。注意：這種失真只在小信號時才有明顯的反應(yīng)。在高檔功放電路中，D3和D4會

12、用其它元件代替，同時還會引入溫度補償。C8 是自舉電容。當信號正半周時，Q3基極電壓上升，由于R6、R7 兩端的電壓變小，不能給Q3提供足夠大的基極電流，電流輸出能力急劇下降，造成信號頂部失真（這種失真只會在大信號時才會發(fā)生。）由于自舉電容的出現(xiàn)，Q3 發(fā)射極電壓升高時會將C8 的正極電位舉高，高于電源電壓，這就可以通過R7 給Q3提供較大的基極電流。 C3、C12、C6 是電源低頻濾波電容，主要作用是濾除電源交流聲，同時給交流信號提供電流回路，容量應(yīng)該取得比較大，這樣才有較好的效果！ C11 是電源高頻濾波電容，主要作用是濾除高頻雜音，同時也可以給高頻交流信號提供電流回路，讓高音效果改善。該

13、電容建議選擇滌綸電容或者金屬膜電容，容量在473-474之間，要求不高時，也可以用陶瓷電容代替。 C9 是輸出耦合電容。有音頻信號輸入時，Q3、Q4的發(fā)射極電壓會大幅度變化的信號，這個信號中有一個直流分壓存在，不能直接加到喇叭上，必須經(jīng)過一個隔直流通交流的電容隔開。注意：電解電容都是有極性的，正極接在高電壓的那端。 R8 和C10 組成輸出高頻補償電路。R8 取值應(yīng)在1-10 之間，不能太小，否則，相當于高頻對地短路了；也不能太大，否則，C9 就起不到應(yīng)有的作用。 C10是輸出高頻補償電容。對于高頻信號來說，喇叭的等效阻抗要比低頻高得多，同時高頻信號更容易通過分布電容向四處傳輸，這很可能讓電路

14、產(chǎn)生高頻信號正反饋，產(chǎn)生高頻振蕩或者寄生振蕩，從而影響音質(zhì)。因此，C10可以讓電路在高頻時的輸出阻抗也得以降低，防止信號非正常的反饋，使整個電路進入平衡穩(wěn)定的工作狀態(tài)。實際上應(yīng)用中，該電容對音質(zhì)影響較大，特別是在一些高檔功放中（含集成電路功放），有的電路中如果沒有這個電容，甚至完全無法工作。該電容一般取值在104-204 之間，并且一般都要串聯(lián)一個1-10歐姆的電阻。2 、 設(shè)計的電路：電路仿真 功率表示數(shù)：測得此放大電路的最大輸出功率為33.998w，功率因數(shù)為：0.929輸出波形如圖所示：幅頻特性曲線：相頻特性曲線：3、電路的調(diào)試通電前的檢查。電路安裝完畢后，應(yīng)先對照電路圖按順序檢查一遍靜

15、態(tài)調(diào)試。用萬用表逐級測量各級的靜態(tài)工作點。調(diào)節(jié)偏置電阻，使各級靜態(tài)工作點正常。若測量值與計算值相差太遠的話，應(yīng)考慮該級偏置電路有虛焊或元件有錯的錯誤，要檢查修正。下面是本例中關(guān)鍵點的靜態(tài)電位值：A、接上+6V 電源（S 開關(guān)處于斷開狀態(tài)），用電流表接在S 開關(guān)兩端，電流正常值約為30mA左右。然后接通開關(guān)，用電壓表測量Q3、Q4 管的發(fā)射極中點電壓，調(diào)節(jié)W2的阻值，使中點電壓為3V。B、用測量Q1集電極電壓，調(diào)節(jié)W1的阻值，使Q1集電極電位在3V左右。(3)動態(tài)測試。在輸入端輸入1kHz 的正弦波信號，用示波器觀察輸出信號波形，信號由小逐漸增大，直至輸出波形增大到恰好不失真為止。4、數(shù)據(jù)的分析

16、根據(jù)所設(shè)計的電路可知：Pom40w而此功率放大電路的理論最大輸出功率:Pom(理論值)=VCC²/2RL=9.2w上圖為放大電路的各參數(shù)。六、設(shè)計總結(jié)1、 設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法課程設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題幾乎都是過去所學(xué)的知識不牢固，許多計算方法、公式都忘光了，要不斷的翻資料、看書，和同學(xué)們相互探討。雖然過程很辛苦，有時還會有放棄的念頭，但始終堅持下來，完成了設(shè)計，而且學(xué)到了，應(yīng)該是補回了許多以前沒學(xué)好的知識，同時鞏固了這些知識，提高了運用所學(xué)知識的能力。2、 設(shè)計體會通過這次對功率放大電路的設(shè)計，讓我了解設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于功率放大電路的設(shè)計理念。以前老師在課堂上講一些