實(shí)用低頻功率放大器設(shè)計(jì) (2)

1、一、任務(wù) 低頻功率放大器設(shè)計(jì)1二、設(shè)計(jì)要求1. 基本要求（1）在放大通道的正弦信號(hào)輸入電壓幅度為（5700）mV，等效負(fù)載電阻RL為8下，放大通道應(yīng)滿足： 額定輸出功率POR10W； 帶寬BW（5010000）Hz； 在POR下和BW內(nèi)的非線性失真系數(shù)3%； 在POR下的效率55%； 在前置放大級輸入端交流短接到地時(shí)，RL=8上的交流聲功率10mW。（2）自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。22發(fā)揮部分（1）放大器的時(shí)間響應(yīng) 方波產(chǎn)生：由外供正弦信號(hào)源經(jīng)變換電路產(chǎn)生正、負(fù)極性的對稱方波：頻率為1000Hz、上升時(shí)間1s、峰-峰值電壓為200mVpp。用上述方波激勵(lì)放大通道時(shí)，在RL=8

2、下，放大通道應(yīng)滿足： 額定輸出功率POR10W；帶寬BW（5010000）Hz； 在POR下輸出波形上升時(shí)間和下降時(shí)間12s； 在POR下輸出波形頂部斜降2%； 在POR下輸出波形過沖量5%。（2）放大通道性能指標(biāo)的提高和實(shí)用功能的擴(kuò)展（例如提高效率、減小非線性失真等）。3三、評分意見4四、主要技術(shù)指標(biāo)分析基本要求部分的技術(shù)指標(biāo)分析 功率放大器的輸入信號(hào)電壓Vi由信號(hào)源提供5mV700mV的正弦波，輸出電壓信號(hào)Vo從8的等效負(fù)載電阻上獲得。額定輸出功率Po10W，這項(xiàng)指標(biāo)說明在輸入信號(hào)5mV 700mV的范圍內(nèi)，均以Po10W的滿功率不失真輸出，即小信號(hào)輸入和大信號(hào)輸入時(shí)，都要求滿功率不失真輸

3、出，因此，要求放大器的增益是可以調(diào)節(jié)的。5(2) 功率放大器的帶寬BW50Hz10KHz。該指標(biāo)指出了功率放大器的工作頻率范圍，通常用3dB帶寬表示，是指放大器的電壓增益下降3dB時(shí)所對應(yīng)的頻率，即最低頻率fL50Hz，最高頻率fH10KHz。(3) 功率放大器在額定輸出功率Po和BW內(nèi)，非線性失真系數(shù)3%。這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)指出經(jīng)過功率放大器放大后的正弦波的非線性失真所容許的范圍，只要信號(hào)是經(jīng)過線性放大，一般都能夠滿足3%的要求，否則，要對信號(hào)的非線性失真進(jìn)行改善。四、主要技術(shù)指標(biāo)分析6（4） 在Po下的效率55%。這項(xiàng)指標(biāo)說明功率放大器輸出功率的轉(zhuǎn)換效率，通常用輸出功率與電源消耗的總功率之比值來

4、表示，即：=Po/PDC。 55%說明功率放大器的功率輸出級只能工作在甲乙類或者乙類，不能工作在甲類，因?yàn)榧最惞β史糯笃鞯男首罡咭膊荒艹^50%。（5）當(dāng)前置放大級的輸入端交流短接到地時(shí)，RL=8上的交流聲功率10mW。這項(xiàng)指標(biāo)是指在沒有信號(hào)輸入時(shí)，放大器輸出的噪聲功率，即要求前置放大級的輸入端引入的噪聲越小越好。四、主要技術(shù)指標(biāo)分析72. 發(fā)揮部分的技術(shù)指標(biāo)分析（1） 設(shè)計(jì)制作滿足本設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)壓電源。這需要根據(jù)所設(shè)計(jì)的具體電路來決定穩(wěn)壓電源的輸出電壓和輸出功率。（2） 放大器的時(shí)間響應(yīng)：因?yàn)榉讲ǖ纳仙拖陆禃r(shí)間可以反映放大器的時(shí)間響應(yīng)。故要求方波產(chǎn)生電路能將正弦波變換成正負(fù)極性對稱的方波

5、，且方波的輸出端還要進(jìn)行限幅，使其電壓峰峰值為200mV。8五、電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路：逐步分析已知條件和未知因素之間的關(guān)系。如在本課題中，輸入信號(hào)的大小和輸出功率是已知的，但它們之間傳輸通道信號(hào)的大小是未知的，需要逐一求出?？梢园凑諒那爸梅糯蠹壍焦β史糯蠹壍捻樞蛑鹨辉O(shè)計(jì)計(jì)算，也可以從功率放大級到前置放大級的順序設(shè)計(jì)計(jì)算。下面以后者為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。功率放大級電路設(shè)計(jì) 當(dāng)功率放大器以Po10W的滿功率不失真輸出時(shí)，輸出電壓的幅度為為留有充分余地，取VOP=14V。由此可以計(jì)算功率放大器的總電壓增益 AV，即 AV =VOP/VIP=14V/5mV=2800用分貝表示， AV =20lg（VOP/VIP

6、 ）=68.9dB 9 如何將這2800倍的總電壓增益比較合理地分配給前置放大級和功率放大級，這是設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵的一步，這與所選用的器件、電路類型以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)都有關(guān)系。通常功率放大級的電壓增益不能太大，因?yàn)檫@一級的信號(hào)比其它級的信號(hào)要大很多，增益太大容易引起自激，一般取十幾倍?？梢詴喝?0倍進(jìn)行計(jì)算，以后再通過實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行調(diào)整。這樣，前置放大級的電壓增益就為280倍。電壓增益分配如圖所示。 功率放大級增益=10倍VOP=14V前置放大級增益=280倍1.4VVIP= 5mV10功率放大級電路可直接選用集成功率放大器，如TDA2030A，TDA1521，STK4191等芯片，完全滿足本課題要求；也

7、可以選用分離元件來組成。二者各有其特點(diǎn)：集成功率放大電路的調(diào)節(jié)比較簡單，但進(jìn)行級聯(lián)時(shí)，如果要對整機(jī)的性能進(jìn)行改善，靠集成功率放大級的調(diào)節(jié)往往達(dá)不到目的；而由分離元件組成的功率放大器，雖然電路的調(diào)節(jié)比較繁瑣，但可以通過功率放大級的調(diào)節(jié)改善整體的性能。因此我們選用了由分離元件晶體管組成的功率放大電路，如圖所示。1112電路中，Q1,Q2組成差分放大器，如果電路的參數(shù)完全對稱，則電路具有很高的共模抑制比，可以克服由溫度變化引起的靜態(tài)工作點(diǎn)的漂移。晶體管Q3組成電壓放大器，為末級功率放大電路提供驅(qū)動(dòng)電壓。晶體管Q4,Q5,Q6,Q7組成末級功率放大電路，輸出端為互補(bǔ)對稱的OCL電路。這三級之間采用直接

8、耦合，并引入直流負(fù)反饋，電壓增益由反饋電阻決定，即： AV=R10/R7反饋支路并聯(lián)電容C3可以減小高頻自激。13課題的技術(shù)要求：在額定功率下，輸出的正弦波信號(hào)的非線性失真系數(shù)3%，效率 55%，所以末級功率放大電路工作在甲乙類比較好。因?yàn)楣ぷ髟诩最悹顟B(tài)，雖然非線性失真系數(shù)比較小，但效率較低，一般小于50%，如果工作在乙類狀態(tài)，雖然效率較高，但輸出波形容易產(chǎn)生交越失真，達(dá)不到非線性失真系數(shù)3%的要求。圖中3只二極管D2,D3,D4和電位器R17是用來調(diào)整電路的工作狀態(tài)的。靜態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)電位器R17，使Q4,Q5基極間的電壓為2.8V,即近似等于晶體管Q4,Q5,Q6,Q7的be結(jié)電壓之和。晶體管

9、Q4,Q5,Q6,Q7靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端對地電壓應(yīng)為0V，從而可克服交越失真。(1) 末級功率放大電路14 采用雙電源供電，因?yàn)檩敵鲭妷悍葹?4V，則VCC14V,為留有余地，選+VCC=+18V,-VEE=-18V. 功率輸出晶體管Q6,Q7選用大功率互補(bǔ)對稱的晶體管2N3055和MJ2955.其特征頻率fT 10MHz,耗散功率Pc 20W,選b50.驅(qū)動(dòng)管Q4,Q5也是一對互補(bǔ)對稱的晶體管，其特征頻率fT 100MHz,耗散功率Pc 500mW,選b80.15（2）電壓放大電路電壓放大電路給末級功放提供驅(qū)動(dòng)電壓，由晶體管Q3構(gòu)成；靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻R4,R8,R9決定，取集電極

10、電流IC3為6mA左右。電容C2是高頻電壓負(fù)反饋支路，防止高頻自激。（3）差分放大器電路差分放大器電路由晶體管Q1,Q2構(gòu)成。選擇差分放大器電路作為功率放大級的前級，主要是為了提高電路的抗干擾能力 。電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由電阻R2,R6, 電位器R14,R15等決定，差分對管的集電極電流通常取1mA左右。162. 前置放大電路的設(shè)計(jì)前置放大電路的主要功能是將5mV700mV的輸入信號(hào)不失真地放大到功率放大級所需的1.4V輸入信號(hào)，因此，需要解決兩個(gè)問題：一是本級280倍的電壓放大倍數(shù)和帶寬BW 50Hz10KHz的矛盾；二是對5mV700mV范圍內(nèi)的信號(hào)，都只能放大到1.4V,以滿足額定輸出功率P

11、o 10W的要求。對于前者，可以采用兩級放大電路，因?yàn)榉糯笃鞯脑鲆鎺挿e是一個(gè)常數(shù)，每級的增益減小，帶寬就可以提高。對于后者，可以設(shè)計(jì)一個(gè)音量控制電路或自動(dòng)增益控制電路，使功放級的輸入信號(hào)控制在1.4V左右。根據(jù)以上思路，設(shè)計(jì)的前置放大器電路如圖所示。1718其中NE5532是一個(gè)雙運(yùn)放集成運(yùn)算放大器，可以用來構(gòu)成A1,A2兩級放大電路，其主要性能參數(shù)如下：增益帶寬積10MHz,轉(zhuǎn)換速率9V/uS, 共模抑制比100dB, 輸入電阻300K設(shè)前置放大器A1的增益為 AV1=R2/R1=150K/10K=15對于幅度為5mV700mV輸入信號(hào)，A1輸出幅度為75mV10.5V.選電源電壓+Vcc

12、=+12V,-VEE=-12V. 第二級放大器A2的輸入信號(hào)的大小由音量控制電位器R10進(jìn)行控制.設(shè)A2的增益為 AV2=R6/R5=200K/10K=20對于75mV的信號(hào)，不經(jīng)過電位器R10的衰減，直接由A2放大至1.5V；對于大于75mV的信號(hào)，則調(diào)節(jié)音量控制電位器R10先進(jìn)行衰減后再進(jìn)行放大，使得經(jīng)A2放大后的信號(hào)也為1.5V，以滿足功率放大級輸出額定功率Po10W的要求。193. 方波發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)方波發(fā)生器電路的功能：一是要將信號(hào)源輸出的1000Hz正弦波變?yōu)檎?、?fù)極性對稱的方波，且VP-P=200mV;二是方波信號(hào)要經(jīng)過放大通道進(jìn)行放大，使輸出達(dá)到額定功率POR10W。此外，還

13、要滿足方波波形參數(shù)的要求。 首先從方波的波形參數(shù)考慮，選用快速比較器LM339或LM139組成一個(gè)過零比較器，如圖中的A3所示，其上升沿和下降沿的時(shí)間均小于0.5uS, A3的同相端接A1放大后的正弦信號(hào)，反相端接地，實(shí)現(xiàn)過零比較。A3的輸出為12V的對稱方波。經(jīng)電阻R8,R9分壓后的輸出信號(hào)Vo1的峰峰值為200mV。再將開關(guān)J1置于2處，方波信號(hào)Vo1經(jīng)過放大通道進(jìn)行放大，使輸出達(dá)到額定功率POR10W。204. 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 根據(jù)以上設(shè)計(jì)的前置放大電路和功率放大電路的要求，需要穩(wěn)壓電源輸出兩種直流電壓。即前置放大級的12V電壓和功率放大級的18V電壓。 12V電壓可選用三端集成穩(wěn)壓電路L

14、M7812和LM7912芯片直接輸出， 18V電壓可以選用可調(diào)三端集成穩(wěn)壓電路LM317和LM337。其性能參數(shù)為：輸出電壓調(diào)節(jié)范圍1.2V37V,最大輸出電流1.5A,最小輸入輸出壓差為3V，最大輸入輸出壓差為40V。直流穩(wěn)壓電路如圖所示。21穩(wěn)壓電源電路圖22可調(diào)三端穩(wěn)壓器的輸出電壓為： Vo=1.25(1+R1/R3)一般R3取200左右，若取220，Vo=18V，則R1約為3K，取5K精密電位器。電源變壓器的參數(shù)計(jì)算如下：穩(wěn)壓電源消耗的直流功率為 PDC=Po/式中穩(wěn)壓電源的輸出功率Po應(yīng)大于功率放大器的額定輸出功率10W,取Po=15W,效率=65%，則電源消耗的直流功率PDC=Po

15、/=15W/0.65=23W,通常電源變壓器的功率要大于電源消耗的直流功率，為留有充分余地，電源變壓器的功率取40W。23變壓器副邊的電壓V2計(jì)算如下： 設(shè)LM317的壓差為3V，則LM317的輸入端的電壓為21V，若取二極管橋式整流器的系數(shù)為1.1，則變壓器的副邊電壓V221V/1.1=19 V,取20V. 由以上分析計(jì)算，可選用一個(gè)功率為40W,輸入為220V，輸出為2路20V的電源變壓器，也可以自制。 12V的電壓可以由LM317，LM337輸出的18V電壓獲得，即將LM7812，LM7912接18V的輸出，因數(shù)字音量控制和電平指示電路需要+5V的電壓供電，所以還要將+12V的輸出接一片

16、LM7805。245. 數(shù)字音量控制和電平指示電路設(shè)計(jì) 為了滿足輸入信號(hào)的幅度在5mV700mV的范圍內(nèi)，功率輸出級的輸出功率POR10W的額定功率的要求，在前置放大級的第二級A2的輸入端采用電位器對放大信號(hào)進(jìn)行衰減。如果電位器不是處在最大的衰減位置，而輸入信號(hào)又比較大，則這時(shí)功率放大器的輸出功率會(huì)遠(yuǎn)大于額定功率，很有可能損壞功率放大器。為了避免這種情況的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字音量控制電路，如圖所示。25數(shù)字音量控制電路26電路中，CD4051是一個(gè)8選1的模擬開關(guān)，CD4516是一個(gè)4位十六進(jìn)制異步可逆計(jì)數(shù)器，由555組成單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，脈沖寬度 tp=1.1R13C5=0.1S電路的

17、工作原理是：接通電源，由C3,R11組成的置數(shù)電路給計(jì)數(shù)器CD4516置數(shù)，其輸出Q2Q1Q0=000,則8選1開關(guān)CD4051接通I/O0,這時(shí)輸入信號(hào)經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)最大的衰減后再由CD4051的I/O端輸出，從而避免了因輸入信號(hào)較大而損壞功率放大器的情況。CD4051的輸出信號(hào)經(jīng)耦合電容C4和電位器RP1進(jìn)一步調(diào)節(jié)后使輸出保持Vo1=75mV左右，再送前置放大器第二級A2的輸入端。27輸入信號(hào)Vi來自前置放大器第一級A1的輸出，Vi的范圍為75mV10.5V.當(dāng)Vi為75mV時(shí)，調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)脈沖，使計(jì)數(shù)器的輸出Q2Q1Q0=111,則CD4051接通I/O7,輸出Vo1=75mV;當(dāng)Vi=10.

18、5V,使計(jì)數(shù)器的輸出Q2Q1Q0=000,則CD4051接通I/O0,輸出為（10.5/7.5)0.5=700mV,再調(diào)節(jié)RP1使Vo1=75mV.由此可見，對于7mV10.5V范圍內(nèi)的輸入信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字音量控制電路后均變?yōu)?5mV左右，從而滿足了額定輸出功率的要求。28電平指示電路是功率放大器的功能擴(kuò)展電路。在音量控制電路中，只要增加一只74LS138譯碼器和8只發(fā)光二極管就可以實(shí)現(xiàn)電平指示功能，如圖所示，因?yàn)橛?jì)數(shù)器的輸出Q2Q1Q0的狀態(tài)與CD4051的輸入信號(hào)Vi的大小是一一對應(yīng)的，所以，74LS138譯碼器的輸出也與Vi的大小相對應(yīng)，則8只發(fā)光二極管可以將Vi分成8級進(jìn)行顯示。296.

19、 電路的安裝與調(diào)試 功率放大電路的安裝方法是，將整機(jī)分成4個(gè)電路板，即前置放大電路板、功率放大電路板、數(shù)字音量控制電路板和穩(wěn)壓電源電路板。各個(gè)電路板之間用排線進(jìn)行連接。每塊電路板都可以制成印刷電路板，也可以采用通用的電路板上進(jìn)行焊接。需要注意的是，功率放大電路板的末級輸出晶體管一定要安裝特制散熱片，三端穩(wěn)壓器上也要安裝散熱片。30 功率放大器的電路調(diào)試方法是：先調(diào)試各個(gè)電路板的靜態(tài)工作點(diǎn)和性能參數(shù)，再逐級級聯(lián)，進(jìn)行整機(jī)聯(lián)調(diào)。 為了給功率放大器提供電壓，首先應(yīng)該調(diào)試穩(wěn)壓電源。注意調(diào)節(jié)電位器R1、R2使LM317、LM337的輸出電壓為18V.需要注意的是，濾波電容的極性不能接反，電容的耐壓值要大

20、于電源電壓值。只要18V輸出正常，12V，5V是不需要調(diào)節(jié)的。31 前置放大器A1、A2的放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為固定值，A1=15倍，A2=20倍，由固定電阻決定。比較器A3的輸出可通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。信號(hào)源輸出頻率為1000Hz，幅度為100mV的正弦波，則A1、A2的輸出應(yīng)該滿足放大倍數(shù)的要求，再調(diào)節(jié)R9使A3的輸出為200mV的峰-峰值。32 功率放大級的靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整比較繁瑣，具體方法如下。 先調(diào)節(jié)功率放大器的電位器，使A、B兩點(diǎn)間的電壓為2.8V，O點(diǎn)對地電位為0V。晶體管Q6、Q7的集電極電流約18mA。這時(shí)，末級功放應(yīng)該工作在甲乙類。再調(diào)節(jié)差分放大級的靜態(tài)工作點(diǎn)，調(diào)節(jié)R14、R15使晶

21、體管Q1、Q2的集電極電流約為1mA，其集電極對地的電壓約為15V， Q1、Q2的參數(shù)盡可能對稱。電壓放大級晶體管Q4的集電極電流約為6mA。以上參數(shù)只能作為參考，因?yàn)橛袝r(shí)這些調(diào)節(jié)會(huì)相互影響，需要反復(fù)調(diào)節(jié)，取比較合適的值，靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)好了，說明電路處于正常工作狀態(tài)。33 下面觀測動(dòng)態(tài)波形，將信號(hào)源輸出頻率為1000Hz，幅度為1.4V的正弦波接到差分放大器的輸入端，這時(shí)輸出信號(hào)應(yīng)該是幅度為14V，頻率為1000Hz的不失真的正弦波，如果出現(xiàn)波形失真，則可調(diào)節(jié)R17。如果出現(xiàn)高頻自激，可在負(fù)載兩端并聯(lián)電容，以使輸出等效負(fù)載呈純阻；還可以減小晶體管Q3的并聯(lián)電容，減小電壓增益的方法來減小高頻自激。 數(shù)字音量控制電路板主要是調(diào)節(jié)NE555的脈沖寬度和CD4516可逆計(jì)數(shù)器的狀態(tài)，S1接地時(shí)減法計(jì)數(shù)，S1接+5V時(shí)為加法計(jì)數(shù)。34 下面進(jìn)行級聯(lián)調(diào)整： 將前置放大器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，信號(hào)源輸出1000Hz，幅度為100mV的正弦波，調(diào)節(jié)前置放大器的電位器R10，使功率放大級的輸出信號(hào)Vo的幅度為14V，如果達(dá)到要求，說明這兩級電路級聯(lián)后能夠正常工作。否則對各級的靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行修改。再接入數(shù)字音量控制電路板，即將R10移去，放大器A1的輸出端接數(shù)字音量電路板的輸入端，數(shù)字音量電路板的輸出端接放大器A2的輸入端，這時(shí)可以調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)脈沖開關(guān)S2和音量電位器RP1是功率放大級的輸