第3章 低頻功率放大器的設計與制作

1、第3章 低頻功率放大器的設計與制作3.1設計任務與要求3.1.1 設計任務設計并制作具有弱信號放大能力的低頻功率放大器，其原理框圖如圖3-1所示：圖3-1 低頻功率放大器原理框圖3.1.2 要求1、在放大通道的正弦信號輸入電壓峰峰值為20mV，等效負載電阻RL為8條件下，放大通道應滿足：（1）額定輸出功率Pout0.5W，輸出波形無明顯失真；（2）帶寬BW為50Hz10kHz；（3）在Pout下的效率50%；（4）在Pout下和BW內的非線性失真系數(shù)5%；（5）前置放大器與功率放大器采用+12V單電源供電。2、在放大通道的輸入端接入駐極體，應能放大不失真的語音信號。3、自行設計并制作滿足本設計

2、任務要求的穩(wěn)壓電源。3.2 低頻功率放大器的總體方案設計 根據(jù)系統(tǒng)原理框圖及要求，低頻功率放大器的總體電路結構如圖3-2所示：圖3-2低頻功率放大器電路結構圖電路工作原理：電路共分兩級，第一級為前置放大部分，第二級為功率放大部分。電源經C1、C2、C3濾除其中的干擾信號，其中電阻R1是將微小信號放大級與功率放大級隔離，避免兩級間的相互干擾，R2是限流電阻，同時為駐極體提供合適的靜態(tài)工作電流。駐極體產生的微小信號經電容C4耦合到第1個運算放大器A的反相輸入端，對輸入信號進行電壓放大，R5、R6、R7、R8分壓，為運算放大器提供合適的靜態(tài)工作點，避免放大信號的失真。信號經C6耦合到第2個運放B的同

3、相輸入端，此運放構成電壓跟隨器，用作前后級的阻抗匹配，理想運放有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，可以抑制有用信號的衰減。信號經B運放7腳輸出由電容C7耦合到電位器RP1，RP1起到音量調節(jié)的作用，信號由RP1的中心抽頭再進入LM386芯片的3腳，該芯片是功率放大集成芯片，通過調節(jié)1、8腳之間的電阻R9和電容C9的大小，進而調節(jié)功率放大倍數(shù)。最后信號從5腳輸出，經電容C12連接到揚聲器。外圍的R11、RP2支路構成大環(huán)路電壓并聯(lián)負反饋電路，穩(wěn)定輸出端的電壓信號，減小非線性失真。電路所用元器件清單如表3-1所示：表3-1 元器件清單序號標稱名稱規(guī)格序號標稱名稱規(guī)格1ZL駐極體3V14R1電阻器20

4、0/0.125W2BL喇叭8/0.5W15R2可調電阻器100K/0.125W3C1電解電容器1000uF/25V16R3電阻器5.1K/0.125W4C2電解電容器100uF/25V17R4電阻器51K/0.125W5C3電容器10318R5R8電阻器100K/0.125W6C4電解電容器4.7uF/25V19R9可調電阻器100K/0.125W7C5電解電容器10uF/25V20R10電阻器100/0.125W8C6C7電解電容器4.7uF/25V21R11電阻器1M/0.125W9C8電容器10322RP1可調電阻器10K/0.125W10C9電解電容器10uF/25V23RP2可調電阻

5、器100K/0.125W11C10C11電解電容器0.1uF/25V24IC1A集成運放LM32412C12電解電容器220uF/25V25IC1B集成運放LM32413C13電容器10426IC2集成運放LM3863.3 功能電路的設計、制作與調試3.3.1 前置放大電路的設計一、前置放大電路的方案比較 方案一：利用三極管實現(xiàn)前置放大。三極管是一個電流控制型器件，具有電流放大作用，利用其電流的放大能力來實現(xiàn)電壓放大，調試工作量大，放大器性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響大，所用元器件較多，設計較復雜。 方案二：利用集成運放實現(xiàn)前置放大。運算放大器的內部實際上是經過優(yōu)化設計后的三極管或者場效應管電路，它的

6、開環(huán)增益非常高，可以通過在外圍增加少量器件實現(xiàn)信號放大，使用方便，調試簡單，對噪聲和干擾的抑制能力也很強，頻率特性也得到改善。經比較，故選擇方案二。二、主要元器件參數(shù)選擇依據(jù)1、運算放大器選擇型號：LM324見2.3.3關于LM324簡介。2、由LM324構成的前置放大器外圍元器件的選擇（1）反相比例放大電路的基本關系式前置放大電路第一級采用反相比例放大電路，其基本電路如圖3-5所示：圖3-5 基本反相比例放大電路圖中，被稱為反饋電阻，被稱為輸入電阻，被稱為平衡電阻。該電路基本關系式為： (3.1)式中，為閉環(huán)放大倍數(shù)，有時用表示，記為分貝（dB）；為輸入信號；為輸出信號。 (3.2)式中，F(xiàn)

7、為反饋系數(shù)。 (3.3)式中，為集成運放開環(huán)差模輸入電阻，通用集成運放一般在（20K10M）之間；為集成運放開環(huán)輸出電阻，通用集成運放在數(shù)十歐姆至數(shù)百歐之間。為考慮、F影響的反饋電阻最佳值。 (3.4) (3.5)式中，為放大電路的輸入電阻。 (3.6)式中，為放大電路的輸出電阻；A為集成運放的開環(huán)放大倍數(shù)。 (3.7)式中，為閉環(huán)帶寬；GBW為開環(huán)增益帶寬積，其值等于單位增益帶寬。（2）單電源反相比例放大電路由集成運放組成的反相放大器一般為雙電源供電，即對稱的正、負兩組電源，但本設計要求采用+12V單電源供電。采用單電源供電時，需在同相輸入端加入即6V的中點偏置電壓，其靜態(tài)（）輸出電壓。當時

8、，輸出電壓在的基礎上隨反相變化而不失真的放大。實際設計的單電源供電反相放大器結構如圖3-6所示：圖3-6 單電源反相比例放大電路1）確定電源電壓VCC根據(jù)設計要求，額定輸出功率Pout0.5W，負載RL=8，由得U有效=2V，Up-p=2U有效=5.6V；輸出交流信號的峰值，靜態(tài)時輸出電壓，輸出最大值。設計要求取，則。 LM324集成運放，當時飽和輸出電壓，輸出波形不會產生飽和失真，滿足要求。2）選擇、及的分壓阻值的選擇綜合兩方面因素考慮： 穩(wěn)定性：、阻值越小，穩(wěn)定性越好，即中點偏置電壓受負載電阻的影響就越小，但阻值太小，能耗增大；能耗：、阻值越大，該支路的電流就會越小，在其上的能量損耗就越小

9、，但阻值太大，其中點偏置電壓受負載電阻的影響就越大，即穩(wěn)定性變差。由于本例中偏置電路的負載為集成運放的差模輸入電阻，其值很大，故為耗電小，應使、支路電流小，取，為高頻濾波電容，取的電解電容。3）選擇電壓放大倍數(shù)、反饋電阻、輸入電阻、輸入耦合電容、輸出耦合電容 電壓放大倍數(shù)的選擇由于放大通道的最小輸入正弦信號電壓的峰峰值，則系統(tǒng)整機放大倍數(shù)，考慮到后級功放電壓放大倍數(shù)可在20200倍調整，故本級電壓放大倍數(shù)取。由式（3.2）得 由式（3.7）得閉環(huán)帶寬，查LM324集成運放產品手冊得，則，故滿足設計要求。由式（3.7）可知，閉環(huán)放大倍數(shù)越大，反饋系數(shù)F越小，閉環(huán)帶寬越窄。通常的取值范圍在0.11

10、00為宜。 反饋電阻的選擇由式（3.3）得，反饋電阻，查LM324集成運放手冊得，則，取系列值51k。輸入電阻的選擇由式（3.1）得，輸入電阻，通常輸入電阻和反饋電阻的取值為1k1M，并盡可能通過選擇小阻值的方法最大。當阻值超過1M時很難保證阻值的穩(wěn)定性，而且阻值的絕對誤差較大。從提高的準確度考慮，和的阻值以1k100k為宜。 輸入耦合電容和輸出耦合電容的選擇輸入輸出耦合電容的主要作用是隔直通交，使前后級靜態(tài)工作點不相互影響。輸入耦合電容值由下式決定 (3.8) 式中，f為放大電路下限截止頻率，一般取10Hz；為信號源內阻，通常在100以下，可忽略不計，取零值；為運放反相輸入電阻，本例為。由上

11、式得，取系列值4.7uF/25V，選用鋁電解電容。通常放大電路輸出耦合與輸入耦合取一致，故選用4.7uF/25V鋁電解電容。（3）單電源同相電壓跟隨器單電源同相電壓跟隨器結構如圖3-7所示：圖3-7 單電源同相電壓跟隨器其輸出電壓等于輸入電壓，且跟隨輸入電壓變化相位一致，故稱為同相電壓跟隨器。利用其輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，使前級放大電路和后級功放電路阻抗匹配。由于采用單電源供電，、串聯(lián)支路提供的中點偏置電壓，、阻值選擇方法同、，取。為前置放大電路的輸出電容，亦可看作同相電壓跟隨器的輸入電容，故其值由式（3.8）得；同理為本級放大電路的輸出電容，亦可看作下一級功放電路的輸入電容，故其值由式

12、（3.8）得，式中為電壓輸出幅度調節(jié)電位器，一般取值為10k，為功放輸入電阻，查LM386集成功放手冊，則。但為了使元件參數(shù)一致性，故取、為4.7uF/25V鋁電解電容。（4）電源退耦電路電源退耦電路如圖3-8所示：圖3-8 電源退耦電路其主要作用是濾除由電源引入的高、低頻干擾信號。其中，、為功放電源退耦電容，濾除低頻干擾，由于功放電源輸出電流較大，故一般取220uF1000uF為宜，本例為濾波效果好，取1000uF/25V電解電容。通常電解電容的耐壓要大于電源電壓的2倍以上，故本例所有電解電容的耐壓都取25V。濾除高頻干擾，一般取0.010.1uF的瓷介電容為宜，本例取0.1uF（即104）

13、，一般瓷介電容的耐壓都在63V以上，故在圖3-2的原理圖中只標其電容量如104。注：、在焊接時距離LM386的電源6腳盡可能近，這樣退耦效果好。、為前置放大電路電源退耦電容，濾除低頻干擾，由于前置放大電路電源輸出電流較小，故一般取47uF220uF為宜，本例取100uF/25V電解電容。濾除高頻干擾，一般取0.010.1uF的瓷介電容為宜，本例取0.01uF（即103）。注：、在焊接時距離LM324的電源4腳盡可能近，這樣退耦效果好。電阻作用是隔離功放與前置放大電路，取值盡量小，保證功耗小，故取。經測試電阻兩端的壓降U=0.2V，則流過的電流，則的功耗，故取。由于電路中的電流最大，功耗也最大，

14、故電路中其他電阻也都取1/8W的標準電阻。3、駐極體及其負載電阻值的選擇 駐極體話筒體積小，結構簡單，電聲性能好，價格低廉，應用非常廣泛。駐極體話筒必須提供直流電壓才能工作，因為其內部有場效應管。具體內部結構如圖3-9所示： 圖3-9 駐極體話筒內部結構 駐極體話筒由聲電轉換系統(tǒng)和場效應管兩部分組成。典型外圍電路如圖3-10所示： 圖3-10 駐極體典型外圍電路的大小可由下式算得： (3.9)式中：UDS場效應管漏源極兩端的電壓，UDS必須大于話筒的工作電壓U（通常在1.512V 之間），小于最大工作電壓UMDS。太小將影響話筒的動態(tài)范圍，故一般應取電源電壓的1/2較為合適。IDS場效應管漏源

15、電流IDS等于駐極體的工作電流I，指靜態(tài)時流過話筒的電流，工作電流的離散性較大，通常在0.11mA 之間。 不僅是場效應管的負載電阻，在電路中它還與后續(xù)放大電路的輸入電阻并聯(lián)后共同構成話筒的負載電阻RL。應保證RL的阻值始終大于話筒輸出阻抗的35倍，這樣才能使話筒處于良好的匹配狀態(tài)。阻值過小常常會引起放大電路輸入阻抗的降低，從而破壞前后級之間的阻抗匹配，使放大器的效率降低。 在本電路中，VCC=12V，則VDS=VCC/2=6V，取IDS=0.1mA，根據(jù)式（3.9）計算可得，電路中用100k的滑動變阻器進行調節(jié)。三、主要元器件裝配前的檢測1、LM324芯片的檢測 見2.3.3。2、電容的檢測

16、見2.3.2。3、駐極體的檢測駐極體的底部外觀如圖3-11所示：圖3-11 駐極體底部外觀圖從底部外觀上看，與外殼（地）短路的半圓是源極S，而另外的半圓是漏極D?？梢杂脭?shù)字萬用表的蜂鳴檔檢測，將紅黑表筆分別任意接觸兩個半圓和外殼，有蜂鳴聲的一個半圓，說明與外殼（地）是短路的，則該半圓就是源極S。在圖3-9中，在場效應管的柵極與源極之間接有一只二極管，因而可利用二極管的正反向電阻特性來判別駐極體話筒的漏極D和源極S。具體方法：將數(shù)字萬用表撥至二極管蜂鳴檔，黑表筆接任一極，紅表筆接另一極。再對調兩表筆，比較兩次測量結果，當測得電壓為1.08V左右時，則紅表筆接的是源極S，黑表筆接的是漏極D；當測得

17、電壓溢出時（數(shù)字萬用表顯示“1”），則紅表筆接的是漏極D，黑表筆接的是源極S。另外，將數(shù)字萬用表置于20k檔，用紅表筆接漏極D，黑表筆接源極S，則可測得1.62k的阻值，然后對著駐極體吹氣，有1.33k的阻值變化，并且吹氣越強，變化幅度越大。駐極體話筒在安裝和使用時，必須盡可能地遠離放音揚聲器，更不要對準揚聲器方向，以免引起嘯叫。四、前置放大電路的焊接與功能調試1、檢查各元器件的好壞將前置放大電路的元器件按照上述檢測方法進行檢測，并將檢測結果填入表3-3中：表3-3 前置放大電路元器件檢查情況元器件識別及檢測內容元器件識別及檢測內容電阻器標稱標稱值(含誤差)測量值測量檔位電容器標稱標稱值(&#

18、181;F)介質R1C1R2C2R3C3R4C4R5C5R6C6R7C7R8C13RP1IC1LM324質量好壞駐極體ZL質量好壞 （2）按照圖3-2的前置放大電路結構，依次進行焊接；（3）上電前檢查，檢查LM324的4、11腳是否與電源和地連接好，檢查電路焊接質量，是否存在虛焊、漏焊的情況并及時改正；（4）通電調試，通過直流穩(wěn)壓電源，產生+12V電壓，將其接入到電路中，測試LM324各管腳直流電位，填入表3-4：表3-4 LM324各管腳直流電位管腳123456711電壓（V）（5）由低頻信號發(fā)生器產生頻率為1KHz，電壓10mV（有效值，可用交流毫伏表進行測量）的正弦波信號ui送入C4電容

19、的負極端，用數(shù)字示波器在LM324的1腳可以觀察到電壓uo1與輸入信號 ，電壓有效值為 mV，且放大倍數(shù)滿足 倍關系的正弦波，此運放滿足 設計要求；在LM324的7腳可觀測到uo2電壓有效值為 mV，與1腳波形方向 的正弦信號，此運放滿足 設計要求。將波形繪制在表3-5中。表3-5 輸入、輸出電壓波形輸入電壓波形周期幅度量程范圍量程范圍輸出電壓波形周期幅度量程范圍量程范圍輸出電壓波形周期幅度量程范圍量程范圍3.3.2 功率放大電路的設計一、功率放大電路的方案比較 方案一：利用三極管實現(xiàn)功率放大。利用三極管可以構成OTL甲乙類互補對稱功率放大電路，可以減小交越失真，改善輸出波形；但此如果此電路靜

20、態(tài)工作點失調或電路內元器件損壞，將造成一個較大電流長時間流過負載，可能造成電路損壞，而且電路設計較復雜，所用元器件較多，受溫度影響明顯。 方案二：集成功放芯片，具有自身功耗低、更新內鏈增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器，廣泛應用于錄音機和收音機之中。經比較，故選擇方案二。二、主要元器件參數(shù)選擇依據(jù)1、功率放大器選擇型號：LM386功率放大電路通常處于電子設備的最后一級，能提供足夠大、不失真的信號功率，驅動功率負載如揚聲器等。LM386是一種低電壓通用型集成功率放大器，具有靜態(tài)功耗低、可用電池供電、工作電壓范圍寬、外圍元件少、電壓增益可調、低失真度等優(yōu)點。其內

21、部電路如圖3-12所示：圖3-12 內部結構圖LM386內部電路由輸入級、中間級和輸出級等組成。輸入級由V2、V4組成雙端輸入單端輸出差分放大電路，V3、V5是其恒流源負載，V1、V6是為了提高輸入電阻而設置的輸入端射極跟隨器，R1、R7為偏置電阻，該級的輸出取自V4、V5的集電極。R5是差分放大電路的發(fā)射極負反饋電阻，管腳1、8開路時，負反饋最強，整個電路的電壓放大倍數(shù)為20倍，若在1、8間外接旁路電容，以短路R5兩端的交流壓降，可使電壓放大倍數(shù)提高到200。LM386采用8腳雙列直插式塑料封裝，管腳排列如圖3-13所示：圖3-13 引腳排列LM386集成功放典型應用參數(shù)為：直流電源電壓范圍

22、412V；額定輸出功率為660mW；帶寬300kHz（管腳1、8開路）；輸入阻抗50k。 LM386典型應用電路如圖3-14所示：圖3-14 典型應用電路在實際使用中往往在1、8之間外接阻容串聯(lián)電路，如圖3-14所示的RP和C2，調節(jié)RP即可使集成功放電壓放大倍數(shù)在20200之間變化。管腳7與地之間外接電解電容，如圖3-10所示的C5，C5可與R2組成直流電源去耦電路。 中間級是本集成功放的主要增益級，它由V7和其集電極恒流源(I0)負載構成共發(fā)射極放大電路，作為驅動級。輸出級由V8、V10復合等效為PNP管與NPN管V9組成準互補對稱功放電路，二極管V11、V12為V8、V9提供靜態(tài)偏置，以

23、消除交越失真，R6是級間電壓串聯(lián)負反饋電阻。 圖3-14中，5腳外接電容C3為功放輸出電容，以便構成OTL電路，R1、C4是頻率補償電路，用以抵消揚聲器音圈電感在高頻時產生的不良影響，改善功率放大電路的高頻特性和防止高頻自激。輸入信號由C1接入同相輸入端3腳，反相輸入端2腳接地，故構成單端輸入方式。2、功率放大倍數(shù)的確定 根據(jù)前面的計算，系統(tǒng)總放大倍數(shù)應該為280倍，前置放大級選擇放大倍數(shù)為-10倍，則功率放大電路放大倍數(shù)取28倍。故管腳1、8之間串接阻容電路的R9=50K，C9=10uF。三、主要元器件裝配前的檢測1、LM386的檢測在萬用表電池充足的情況下，利用數(shù)字萬用表的二極管蜂鳴檔，可

24、快速檢測LM386芯片的好壞。將數(shù)字萬用表撥至蜂鳴檔，用黑表筆接觸11腳，紅表筆依次接觸其他管腳，如果測得的電壓范圍滿足表3-6所示的電壓，則說明LM386芯片電路完好。表3-6 LM386各管腳靜態(tài)電壓管腳1234578電壓(V)0.850.860.630.651.391.450.630.650.770.780.840.82、揚聲器的檢測 揚聲器又稱“喇叭”。是一種十分常用的電聲換能器件，在發(fā)聲的電子電氣設備中都能見到它。揚聲器有兩個接線柱（兩根引線），當單只揚聲器使用時兩根引腳不分正負極性，多只揚聲器同時使用時兩個引腳有極性之分。一般實驗室用的喇叭的正常電阻值是4、8、12或16歐姆?？捎?/p>

25、數(shù)字表的二極管檔或200歐檔檢測，讀數(shù)在幾歐姆且在表棒接上和斷開時揚聲器有“喀喇”聲即為正常（小喇叭）；對大點的揚聲器可能不會發(fā)聲（數(shù)字表輸出電流太?。?，此時可拿一節(jié)干電池用其兩極快速觸碰揚聲器的兩個接線樁，有“喀喇”聲即為正常。四、功率放大電路的功能調試1、檢查各元器件的好壞將功率放大電路的元器件按照上述檢測方法進行檢測，并將檢測結果填入表3-7中：表3-7 前置放大電路元器件檢查情況元器件識別及檢測內容元器件識別及檢測內容電阻器標稱標稱值(含誤差)測量值測量檔位電容器標稱標稱值(µF)介質R9C8R10C9R11C10RP2C11喇叭BL質量好壞C12IC2LM386質量好壞2、

26、按照圖3-2的功率放大電路結構，依次進行焊接3、上電前檢查 檢查LM386的6腳是否與電源連接好，檢查電路焊接質量，是否存在虛焊、漏焊的情況并及時改正。4、通電調試 接入+12V直流電源，測試LM386各管腳直流電位，填入表3-8：表3-8 LM386各管腳直流電位管腳12345678電壓（V）5、 功能調試 由低頻信號發(fā)生器產生頻率為1kHz，電壓有效值為10mV的正弦波信號送入LM386的3腳，同時接入8喇叭，通過數(shù)字示波器在LM386的5腳則可觀察到與輸入信號 ，電壓有效值為 mV，且放大倍數(shù)滿足 倍關系的正弦波，此電路滿足 設計要求。6、負載對功率放大倍數(shù)的影響 （1）接入負載電阻RL

27、=8，使輸入信號電壓Ui=10mV、f=1kHz，用交流毫伏表測量輸出電壓Uo，計算出Au并填入表3-9中。 （2）空載時即RL=，重復上述步驟。 （3）總結負載對功率放大倍數(shù)的影響。表3-9 負載對放大倍數(shù)的影響負載情況Ui/mVUo/mVRL=8RL=結論3.4 整機電路調試及測試結果分析1、兩級聯(lián)調，不加反饋設置滑動變阻器RP1=5K（接入電路有效阻值，總阻值為10K），由低頻信號發(fā)生器產生頻率為1KHz，電壓10mV（有效值，可用交流毫伏表進行測量）的正弦波信號ui送入C4電容的負極端，用數(shù)字示波器在LM386的5腳測量輸出電壓uo，將測量數(shù)據(jù)記錄和計算出的Au值填入表3-10中，并總結負載對放大倍數(shù)的影響。表3-10 放大倍數(shù)測量記錄測量條件Ui/mVUo/mVRP1=5K, RL=8 RP1=5K, RL=結論2、兩級聯(lián)調，加反饋設置