功率放大器設(shè)計(jì)

1、第八節(jié)功率放大器設(shè)計(jì)一、功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試方法額定功率功放輸出失真度小于某一規(guī)定值（如 <0.1 ）時(shí)的最大功率稱為額定功率 其表達(dá)式為2Po 二 Vo /Rl式中，R為額定負(fù)載阻抗；Vo為R兩端電壓的有效值。最大不失真功率指輸出波形剛好不削波時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率，其表達(dá)式為2Pom = Vom / RL頻率響應(yīng)功放的電壓增益相對(duì)于中音頻f0（ 1kHz）的電壓增益下降3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的低音頻截止頻率 L和高音頻截止頻率fH，稱fL - fH為功放的頻率響應(yīng)。閉環(huán)增益Avf 二 V°/Vi信噪比用分貝值表示的信號(hào)輸出電壓（V0 ）與噪聲輸出電壓（VN）之比,-靜噪聲輸出電

2、壓S/N =20Lg(V°/VN)功放輸入為零時(shí)，輸出端負(fù)載R_上的電壓VN。-測(cè)試步驟與方法測(cè)靜噪聲輸出電壓VN.接上負(fù)載FL加電源，檢查各級(jí)工作點(diǎn)，正常后,將輸入端交流對(duì)地短接，用毫伏表測(cè) R兩端電壓（有效值）即為靜噪聲輸出電壓VN。測(cè)最大不失真輸出功率Pom.將音量開至最大，輸入中音頻正弦波信號(hào)（1kHz）（幅度適當(dāng)），用示波器觀察 R兩端輸出信號(hào)波形，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)Vi幅度，直到輸出波形剛好不削波時(shí)，用毫伏表測(cè)R.兩端信號(hào)電壓 Vom最大不失真輸出功率Pomax二V°m/RL。（3）測(cè)額定輸出功率調(diào)節(jié)Vi，同時(shí)用失真儀測(cè) R兩端輸出信號(hào)的失真度，至失真度剛好達(dá)到電路規(guī)

3、定值時(shí)，測(cè)輸出電壓V。，額定功率P二V。2 / R .記下此時(shí)的輸出信號(hào)失真度和輸入信號(hào)電壓V。 信噪比 由、（3）項(xiàng)所測(cè)V0、VN可得信噪比S/ N = 20Lg（V Vn）。閉環(huán)增益 由項(xiàng)所測(cè)Vi、V0可得閉環(huán)增益 AVf二V0/y。0-707 Vo時(shí)，記下此時(shí)的f|_和fH，頻響即為fi_ 一 fH二、分立元件(OCL功放的設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)方法典型的OCL功率放大器如圖3.8.1所示。(1) 選擇電源電壓設(shè)滿載時(shí)每邊電壓的絕對(duì)值為Vcc (VEe)Vcc2VCC V EE =2PomaxRl式中，電源利用率 n 一般取0.6-0.8( n與大功率管的材料、飽和壓降、功率管射極電阻 及揚(yáng)聲阻

4、抗等有關(guān)。一般來說，鍺管的 n比硅管高，管子的飽和壓降小，射極電阻小，揚(yáng) 聲器阻抗高，n可取高些)。最大輸出功率 Pbmax (不削波功率)通常為額定功率P)的1.5 2倍。(2) 輸出級(jí)(T6、T7)的計(jì)算 在輸出功率最大時(shí)，晶體管C-E極之間除了承受電源電壓 Vcc ( VEe)外，還疊加有個(gè)其峰值接近于 VCc ( VEe)的信號(hào)電壓。所以 T6、T7承受的最大反壓為：Semax2 Vx ( Vee) 選取 R3、R4。R3、R 4過大會(huì)消耗過多的輸出功率，過小，穩(wěn)定作用差。常取Rl3 =R14 =(O0501)R。R31 5KJ 1 8U1JCC4C r1 B 2KC3 V1 B 2K

5、-ITIP3055VT4 C270VT6斗7 0uC247UZ2SUCEE二MOUT43 IHUC8-1 8U -CCC 1 0470U/25U圖3.8.1典型的OCL功率放大器T6、T7的集電極電流峰值為：ic6max = ic7max = Vcc /(R|_ * Ri3),它是選擇晶體管的一個(gè)條件,其直流成分為I C6max二lC7max =ic6max/二,可供設(shè)計(jì)電源時(shí)參考。 為了克服交越失真，T6、T7應(yīng)有適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作電流I 0,大功率管I o選擇20-30mA,功率較小時(shí)選幾毫安。 晶體管最大功耗Pc6max 二 P：7max 二（0.406/2）P°max Vcc I

6、。、0.2FOmax VccI 0，前一項(xiàng)為動(dòng)態(tài)最大功耗，它大約發(fā)生在40%最大輸出功率的時(shí)候。后一項(xiàng)是靜態(tài)功耗。 根據(jù)管子的極限參數(shù)來選擇T6、T7。BVceoVcE6max,IcMic6max,PcM - Pc6max。（3）復(fù)合互補(bǔ)管（T4、T5）部分的計(jì)算先計(jì)算T6、T7的輸入電阻，R6 = R7 = hie6 + （1+h fe6）R13 ,大功率管的輸入電阻he 一般在10Q左右。4 決定 R1、R2。為了使T4、T5的輸出電流大部分注入T6、T7的基極，一般選R11 = R12 = （5 -10） R6 , 求T4、T5的集電極電流峰值和最大集電極功耗?？紤]到T4、T5分別與T6

7、、T7復(fù)合，它們所承受的最大反壓同樣為2Vcc，并考慮到R1、R2的分流作用和晶體管內(nèi)部帶來的損耗，可以近似認(rèn)為：i C4 max _ ic5 max= （1.1 一1.5）i c 6 maxh fe6/jil 6 maxPc4max = Pc5 max = （1 一 匸5）。h fe6根據(jù)管子的極限參數(shù)選擇T4、T5。IcMic4max,BVcEO2Vcc, PcM-Pc4max ,丁4、T5按hfe大小配對(duì)。為了使其與hfe較小的功率管相配合，IcM、PcM的裕量應(yīng)取大些。（4）激勵(lì)級(jí)（T3）的計(jì)算 決定T3的集電極電流lC3 °T3是甲類放大，當(dāng)R。較大時(shí)，它的交流負(fù)載近似為T

8、4、T5的輸入阻抗。為了使信號(hào)不失真，可取Ic3 3ib4max = 3ib5max = 3ic4max / hfe4。 決定T3的集電極電阻。由于T3的C極對(duì)地直流電壓約為零伏，所以RC3:Vcc /IC3。Rc3由R9、R10、W2及D、D2、D3的正向電阻共同組成。因?yàn)閃2及D-3的正向電阻很小，通常可以認(rèn)為Rc3 ：- R9R10。對(duì)交流信號(hào)來說，R9與揚(yáng)聲器并聯(lián)，如果R9太小，會(huì)消耗過多的輸出功率，但R9也不能太大，否則將使T3的有效負(fù)載變小，影響T3的電壓增益。1通常取RC3 - R9 - 20Rl。 R9確定后，便可求出 R10 = RC3。3 決定WW D-3。 WW D-3構(gòu)

9、成T4、T5的基極偏置電路，則 T4、T5兩個(gè)基極之間的電壓Vb : Vbe4Vbe6VVbe7。硅管的 Vbe =0.6-0.7V,鍺管的 Vbe =0.2-0.3V。該電路都用 硅管,需要偏壓 V _4 0.6=2.4V，硅二極管正向壓降約為 0.6 V,所以選用3只IN4148。W2= 0.6 V/1 c3o計(jì)算自舉電容C7 oC7在通頻帶內(nèi)的容抗只有遠(yuǎn)小于R9，才能保證T4、T5對(duì)T3的輸出端來說處于共射狀態(tài)。因此可取C7 =(3-10)/2f_R9 o 選擇T3o由于T3的C、E間直流電壓約為VCC,在最大輸出時(shí)，其集電極上疊加有峰值接近于 Vcc的信號(hào)電壓，所以要求T3的BVceo

10、> 2Vcc, Pcm > Vcc?lc3。(5) 差動(dòng)放大級(jí)(Ti、T2)的計(jì)算決定Ti、T2的集電極電流。lei、Ic2的大小對(duì)放大器的失真度影響不大，一般可取lci =IC2= 0.5-2mAo lCi、IC2過大，則管耗加大；過小則會(huì)降低放大器的開環(huán)增益。 求發(fā)射極電阻Re.Ve由圖3.8.2可知,-Vbei I biR2，其值很小，計(jì)算Re時(shí)，可視Ve為零伏，所以ReVcc &VccCi T C2Re 由R8、R3 串聯(lián)而成，R8 起退耦作用，一般取R8= (0.i - 0.33)Re ,R3 二Re-R8。 計(jì)算退耦電容 c3 o可取G(3 i0)/ 2沢fL

11、Ro計(jì)算集電極電阻R4、5oR4=R5=Vbe3/(Ici -Ib3): 5 / Ici 。仏取 0.6V o選擇基極電阻 R2、R7 oR2的大小決定整個(gè)放大器的輸入阻抗，常在i5KQ 47KQ范圍內(nèi)選取。為了使差分級(jí)的lei與Ic2盡量接近，可取 R R7 ,(如果想獲得足夠的直 流負(fù)反饋，R7也可小于Rj)選擇Ti、T20由于Ti、T2的Vce約為Vcc ，所以其集電極功耗 Pei=Pe2| ci 乂c。為了使差動(dòng)放大器能穩(wěn)定工作，Ti、T2應(yīng)選Pcm>5Pci, BWeo>i.2 VCeoTi、T2的穿透電流I CEO越小越好，并應(yīng)按 Vbe,hfe配對(duì)。從穩(wěn)定性考慮，用硅

12、管比鍺管 好。(6 )其他元件的計(jì)算負(fù)反饋電路。 (R,，W )的數(shù)值由電路所要求的電壓增益來決定。電壓增益VomaxRl對(duì)于負(fù)反饋放大器來說,ViViAv1AvF式中Avf為閉環(huán)增，Av為開環(huán)增益,F為反饋系數(shù)。由于OCL電路有很深的負(fù)反饋，即a F 1o 1+A/F-AvF,因此 Avf-A/AvF=i/F,而負(fù)反饋系數(shù)F-( Re W) / R7，所以A/FRe WiiR7"弋 FReWiWi可用來微調(diào)放大器增益。如對(duì) avf無(wú)嚴(yán)格要求，Rs W可用一固定電阻代替。C,的大小由下式?jīng)Q定：Cs 2%心& +W) 輸入電路的計(jì)算Ri的大小以不明顯降低放大器的輸入阻抗為前提，

13、一般選Ri=(3_5)R2； Cr3-i02 血 R2。 Ri5、C8、C4、C5的選取。Ri5、C8是相位校正補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用以減小揚(yáng)聲器感抗對(duì)功放電路的影響。如果Ri5、C8要對(duì)負(fù)載阻抗作完全補(bǔ)償，應(yīng)滿足Ri2 = ry和Ly/C8=ry2, 這里ry和L分別是揚(yáng)聲器的電阻分量和電感分量。但這樣一來，C8的容量將很大(幾微法到幾十微法)，Ri5要消耗大量的信號(hào)功率，揚(yáng)聲器將得不到高音信號(hào)，因此，不能僅憑補(bǔ)償條件來確定 R15和C8,還應(yīng)照顧到不影響高音輸出和少消耗有用信號(hào)功率。為了使放大器在高頻時(shí)仍有適當(dāng)負(fù)載，可取R15 - Rl ,如果讓C8在通頻帶之外才起用,C812：fH Rl5滯后補(bǔ)償

14、電容C4和超前補(bǔ)償電容C5可在0-220P范圍內(nèi)選取，其數(shù)值大小常常通過實(shí)驗(yàn)來決定。在調(diào)試中如發(fā)現(xiàn)電路有自激振蕩或高頻響應(yīng)差，可增、減C4、C5的容量。沒有自激時(shí)可取消C4 。2. 設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)一 OCL功放，要求：最大輸出功率FOmax=10W ( Rl=8 Q , Vi=0.5V ),頻率響應(yīng)10HzlOOKHz，諧波失真度 < 0.1%決定電源電壓取n= 0.7,則j2Pomax 只1.2 10W0.7:18V輸出部分計(jì)算Vce6max - Vce7 max ：" 2VCC - 218 二 36 V, 取 R13 = R)4 = 0.06Rl= 0.06 80.5 q ,

15、 ic6max =ic7max = Vcc/( Rl只13)= 18/8.5= 2.1 A,I c6max = I c7max = ic6max / n 0.67A, 取 Io=20mA , PC6max 二 Pc7max ：5 I 0.210180.02 = 2.36W,o max 選 TIP3055、TIP2955 塑封管作 T6、T7，其參數(shù)為：BVceo > 100V , Icm > I5A，加散 熱片后 PCM > 20W , hFE6.7 取 50 倍。(3 )復(fù)合互補(bǔ)管部分的計(jì)算 Ri6 = Ri7 = hie6 + (1+ hef6)R13 = 10+(1+5

16、0)0為 35? 取 R11 = R12 = 6.3 Ri 6 =6.3X 35 220 ?i2 1 i c4ma>=i c5max =一0.055A,hfe650Pc4max = Pc5max = 1.3 X巳6max=1.3 Xh fe62.36500.061w,Vce4max = Vce5max & 2Vcc = 36V。 選 C2073、A940 塑封管作 T4、T5，其參數(shù)為：Icm > 2A, Pm> 2W,Bceo> 50V.(4) 激勵(lì)極的計(jì)算(取 hFE3 = 60 ) I C3 ： 3i C4max/hfe4 = 3 0.055 A/ 60

17、： 2.7mA,Rc31:Vcc / G = 18V/2.7mA ： 6.7K 取 R9 = 1.5K Q (符合Rc3 R9 20Rl),3則 R|0 = RC3 - R9 = 6.7 -1.5 = 5.2K 】，取標(biāo)稱值 Rj0 = 5.1K ；。 W= (Vb Vd ) / Ic3 = (2.4V-1.8v) /2.7mA= 222 Q ,取標(biāo)稱值 220門(1W), C7 =612：fL R916.28 10 1500:64F,取C7 =100F ,因?yàn)?2Vcc =36V, Vcc IC3 =18 2.7 =48.6mW，所以選 3DG27作 T3,其參數(shù)為：BVceo 10CV,

18、Pcm 1W。(5) 差動(dòng)放大級(jí)的計(jì)算取 I C1 = I C2 = 0.5mA, R. : Vcc / IC1 I C2 =18V/1mA = 18K" , R8 = 0.19& = 3.4K，取 R = 3K ,得 R3 =18 -3 =152 , C3 _(3-10)/2LR* =(3-10)/6.28 10 3000 = (3-10) 53F, 取C3 =47"F，同時(shí)，考慮到印板布線可能引入干擾，在負(fù)電源前端加了C2(=47F), & =R5 : vbe3/1 c1 =0.6/0.5 10°=1.2K", 取 R = R = 3

19、3K, 因?yàn)?5PC1 =5FC2 =5IC1 Wc =5 0.5 18 = 45mW,1.2/CC 22V ,所以選3CG21日乍Tp T2,其參數(shù)為：BVceo -70V, Pcm - 300mW。(6 )其它元件的計(jì)算負(fù)反饋電路A/f 二 FOma_RL /V .10 8/0.5 18倍; R6空 =33/18 ： 1.8KA/FC6, 1 亠10沅輸入電路取 R| = 3R2 = 100K1 ,C1(3一10)-一2 兀f L R23= 3 -10 /6.28 10 33 10 (3-10) 0.48F,C! =2.2F ,用鉭電解電容或獨(dú)石電容。取 R15 : Rl = 81(1W)

20、, C8 -h 只15 二%.28"00><103><8立0.2'，3-10 /6.28 10 1800 (3-10) 8.9lF，取C 100lF 只6取標(biāo)稱值Cg =0.22F ,C4, C5暫取100P,待調(diào)試后確定。3. OCL功放電路的調(diào)試要點(diǎn)OCL功放電路的輸出級(jí)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，目的是克服交越失真，靜態(tài)工作電流不要過大，否則靜態(tài)功耗增大；推動(dòng)級(jí)承擔(dān)了整機(jī)很大部分電壓增益，動(dòng)態(tài)范圍很寬，要保證該級(jí)工 作在放大區(qū)并盡量增大動(dòng)態(tài)范圍；差分前級(jí)電路參數(shù)應(yīng)盡量對(duì)稱，工作點(diǎn)調(diào)整應(yīng)過細(xì)，以 便充分利用其零漂抑制作用。調(diào)試步驟如下：(1)接上負(fù)載Rl ,斷

21、開匚、5的基極，將 WW調(diào)到零。用10K電位器串12K電阻替R3 ；(2)加上電源Vcc、Vee ,調(diào)10K電位器，使 V= Vr5 0.6V,保持Rg上壓降VR9 4V;接上T4、T5基極，再調(diào)10K電位器，使Vr4= Vr5 0.6V，且VRg =4V ；調(diào)W,，使T4、T5兩個(gè)基極間電壓 Vb =2.4V ；查VR11與VR12和VR13與VR14的對(duì)稱性，對(duì)稱性差，要重調(diào)R3 , W或修改差分電路參數(shù)。三.集成功放 LM1875的BTL應(yīng)用LM1875功放電路具有頻響寬、失真小、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，采用BTL方式，在低電壓下可以得較大的功率輸出。應(yīng)用電路如圖3.8.3所示。LM1875是

22、單聲道功放電路，兩只LM1875可以構(gòu)成雙聲道功放，四只LM1875可以構(gòu)成BTL雙聲道功放。圖中只畫出了左聲道(L)電路，右聲道(R)電路與左聲道相同。1、BTL工作原理一般所說的推挽電路，只用兩只功率管，一只功率管導(dǎo)通時(shí)，另一只功率管截止，各完成半波的放大，實(shí)際上是輪流“推”BTL電路（又稱橋接式電路） 路如圖3.8.4所示。、“挽”。用了四只功率管，揚(yáng)聲器接在兩個(gè)輸出端之間，原理電R1100K1r2C1L 10u +Q-I卜+10uR315K100K3CO1C921653IC1434112TA763006578911rrm'R910K卄1010KR8 10K2C1522uIR14

23、1K12V5I4.7u*41.2K*4C16-|-0.1uIC2LM1875VC-1R15222K!VC+53i|CLM18754 *I C17亠 100uR1322KR1622KC19j0.1uoonAR205.6R1922KR185.6C20 -L0.1u丄10K*4C16 22u+C 1VC-R171KVC+圖3.8.3 LM佃75的BTL應(yīng)用先假定兩條：第一,輸入為零時(shí)（靜態(tài)）,兩輸出端電位相同，即Voi = VO2 = 1/ 2VCC因而無(wú)直流電流流過揚(yáng)聲器；第二，令T,導(dǎo)通時(shí)，T4也導(dǎo)通，VO1 上升多少，VO2就下降多少， Voi =- V02.這樣，在這半周內(nèi)，揚(yáng)聲器上的電位差

24、就是 2 Voi。在理想情況下，Voi可由1/2Vcc上升到Vcc，即 Voi - Vcc，而Vo 2也由1/2Vcc下降到零，即tie Vo2 - ' CC ,從而揚(yáng)聲器上的電位差 V VCC。SizeBNumberDate:26-Ju n-2002File:C:My Docume ntswuSheet (Draw n B另半周內(nèi)，令Ta導(dǎo)通,T2也導(dǎo)通，分析過程同前半周，但揚(yáng)聲器上的電位差方向剛好相反。 縱觀整個(gè)周期，揚(yáng)聲器上的最大電壓可達(dá)Vp _p :" Vcc - -Vcc 二 2V CCVcc圖3.8.4 BTL原理電路也就是說，利用同時(shí)“推”、“挽”的原理，揚(yáng)聲器上正弦波峰 -峰值電壓最大可達(dá)電源電壓2的兩倍。因?yàn)檩敵龉β逝c輸出電壓的平方成正比（Po =v0 /Rl），因此BTL電路的輸出功率在理論上可達(dá) OTL電路的四倍。2、LM 1875的典型應(yīng)用LM1875為單聲道集成功放IC,其典型應(yīng)用如圖 3.8.5（b）所示。RL82腳為反相輸入端,1腳為同相輸入端, 電源V