低頻功率放大器_設(shè)計

1、低頻功率放大器的設(shè)計【摘要】功率放大電路通常作為多級放大電路的輸出級，將前級送來的信號進(jìn)行功率放大進(jìn)而推動負(fù)載工作。功率放大器可由分立元件構(gòu)成，也可由功率集成電路構(gòu)成。目前集成低頻功率放大器品種很多典型的有TDA1521、TDA1514、LM1875。有些優(yōu)質(zhì)功放模塊體積小、性能優(yōu)越、保護(hù)功能齊全、外圍電路簡單、易制作易調(diào)試?！娟P(guān)鍵詞】 輸入級 中間級 輸出級 輸出功率 效率 失真前言 功率放大器不僅僅是消費(fèi)產(chǎn)品(音響)中不可缺少的設(shè)備，還廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)中。低頻功率放大器是一個技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐Γ瑹o論從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至思想認(rèn)識上

2、都取得了長足的進(jìn)步.盡管目前市場上的功放產(chǎn)品價格已經(jīng)很低，但少則幾百元、 多則幾千元的價格還是讓人有些不舍，本文給出一種簡單實用、 制作成本低廉的低頻功率放大器的設(shè)計方案，并給出實際測試結(jié)果，為音響發(fā)燒友提供一種實用方案。功率放大可由分立元件組成，也可由集成電路完成.由分立元件組成的功放，如果電路選擇得好，參數(shù)恰當(dāng)，元件性能優(yōu)越，制作調(diào)試得好，則性能要高于較好的集成功放.本次設(shè)計功放采用分立元件組成。一、功率放大電路的特點(diǎn)1.1主要技術(shù)指標(biāo)功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)為最大輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。1.1.1最大輸出功率POM功率放大電路提供給負(fù)載的信號功率稱為輸出功率。在輸入為正弦波切輸出基本不是真

3、條件下，輸出功率是交流功率，表達(dá)式為 式中I0和U0均為交流有效值。最大輸出功率POM實在電路參數(shù)確定的情況下負(fù)載上可能獲得的最大交流功率。1.1.2轉(zhuǎn)換效率功率放大電路的最大輸出功率與電源所提供的功率之比成為轉(zhuǎn)換效率。電源提供個功率是直流功率，其值等于電源輸出電流平均值及其電壓之積。通常功放輸出功率大，電源消耗的直流功率也就多。因此，在一定的輸出功率下，減小直流電源的功耗，就可以提高電路的效率。1.2對功率放大電路的基本要求1.2.1能提供滿足的輸出功率為了獲得盡可能大的輸出功率，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此，管子往往在接近極限參數(shù)狀態(tài)下工作。1.2.2具有較高的效率放大

4、器實質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換裝置。由于輸出功率大，因此，直流電源供給的功率和線路本身所消耗的功率也大，效率就成為一個重要的指標(biāo)。所謂效率，就是負(fù)載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。效率越高，線路消耗的功率和直流電源功率之比就越小。1.2.3非線性失真要小功率放大器在大信號下工作，難免產(chǎn)生非線性失真。而且輸出功率越大，失真往往越嚴(yán)重，這就使得輸出功率與非線性失真成為一對矛盾。在測量系統(tǒng)和電聲設(shè)備中，非線性失真要盡量小一些。1.2.4良好的散熱和保護(hù)由于流過功放管的電流較大，有相當(dāng)大的功率消耗在管子上。因此，功放管在工作時一般要加散熱片。另外，功放管往往在極限狀態(tài)下工作，因而損壞的可能性也大

5、，在電路中要采取一些保護(hù)措施。二、典型的功率放大電路2.1系統(tǒng)組成圖2.1功率放大系統(tǒng)組成圖2.2由基本分立式元件構(gòu)成的簡單功率放大電路圖圖2.2簡單功率放大電路圖三、具體設(shè)計3.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)主要由前置放大級、功率放大級2部分組成.系統(tǒng)框圖如圖所示：圖3.1系統(tǒng)組成圖其中前置放大級主要完成小信號的電壓放大任務(wù);功率放大級則實現(xiàn)對信號的電壓和電流放大。3.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計由于系統(tǒng)要求輸出額定功率不小于 10 W 考慮留出 50 %的裕量 ,故設(shè)計輸出功率應(yīng)在 15W以上，同時，輸出負(fù)載 10，則 系統(tǒng)的最大增益為：系統(tǒng)的最小增益為：整個放大電路的增益應(yīng)在 27.7dB71dB 范圍內(nèi)可調(diào)。為保

6、證放大器性能，單級放大器的增益不宜過高，通常在 2040dB(放大倍數(shù)10100倍)之間。故整個放大器增益通過三級放大實現(xiàn)。為方便增益調(diào)整，可使功放級(包括功率管和直接推動功率管的運(yùn)放)增益固定，且必須小于A min，故其增益取22dB。則前置級需要兩級，其總增益應(yīng)在5.749dB之間可調(diào)。3.2.1前置放大級設(shè)計前置放大級主要完成小信號電壓放大的任務(wù) ,其失真度和噪聲對系統(tǒng)的影響是優(yōu)先考慮的指標(biāo).對于前置放大級的設(shè)計 ,由于第一級前置級增益為:第二級前置級增益為:考慮到輸入信號的變化范圍很大，在兩級間串一個滑動變阻器來改變整個系統(tǒng)的增益，同時也起到對信號的衰減作用。前置放大采用集成運(yùn)放NE5

7、532，同眾多的運(yùn)放相比，它具有高精度、低噪聲、高速、高阻抗、頻帶寬等優(yōu)良性能，具體指標(biāo)參數(shù)為：轉(zhuǎn)換速率9V/s，增益帶寬積10MHz，直流增益為105倍，最高工作電壓為22V，這種運(yùn)放的高速轉(zhuǎn)換性能可大大改善電路的瞬態(tài)性能，較寬的帶寬能保證信號在低、中、高頻段均能不失真地輸出，使電路的整體指標(biāo)大大提高。3.2.2功率放大電路設(shè)計在實用電路中，往往要求放大電路的末級輸出一定的功率以驅(qū)動負(fù)載。從能量控制和轉(zhuǎn)換的角度來看功率放大電路與其它放大電路在本質(zhì)上沒有根本的區(qū)別 ，只是功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率.功率放大電路的主

8、要任務(wù)是，在允許的失真限度內(nèi)，盡可能高效率地向負(fù)載提供足夠大的功率。因此，功率放大電路的電路形式、工作狀態(tài)、分析方法等都與小信號放大電路有所不同.對功率放大電路的基本要求是: (1) 輸出功率要大。輸出功率PO=UOIO，要獲得大的輸出功率，不僅要求輸出電壓高，而且要求輸出電流大。因此，晶體管工作在大信號極限運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用時要考慮管子的極限參數(shù)，注意管子的安全。(2) 效率要高。放大信號的過程就是晶體管按照輸入信號的變化規(guī)律，將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為交流能量的過程，其轉(zhuǎn)換效率為負(fù)載上獲得的信號功率和電源供給的功率之比值。功放級電路(如圖) ： 圖3.2功放級電路圖主要由 NE5534 和功率

9、末級的兩對復(fù)合對管(組成達(dá)林頓管) 構(gòu)成，本次設(shè)計選用專為音響設(shè)備設(shè)計的對管，這種對管的特性比較一致，可以減小失真。NE5534 主要完成電壓放大任務(wù)，接成大環(huán)電壓負(fù)反饋形式，放大倍數(shù)為 R3/R1。為彌補(bǔ)由運(yùn)放產(chǎn)生的零漂和因布線等造成的失真，NE5534的1腳與8腳接調(diào)零電阻，5腳與8腳之間接補(bǔ)償電容。達(dá)林頓管主要完成電流放大任務(wù)。對管的選擇主要考慮其參數(shù)的對稱性。一般推動管的電流增益1 在100左右，輸出管的電流增益2在40左右。這2個管子的2個關(guān)鍵參數(shù)為特征頻率f T和集電級最大允許耗散功率PCM。特征頻率fT與放大電路上限頻率fh 有下列關(guān)系: fT = fhh ;系統(tǒng)階躍響應(yīng)上升時間

10、 tr與放大電路上限頻率 fh 有如下關(guān)系: trfh0.35 ;推動管的特征頻率為: fT0.35/(1210-5)1003MHz ;輸出管特征頻率為: fT0.35/(1210-5)401MHz ;對甲乙類OCL放大器，PTM0.2POMPTM為單管最大管耗。POM為最大失真輸出功率.因此輸出管 PCM0. 215 = 3 W，根據(jù)以上計算，并考慮到指標(biāo)提高及工程實際，推動管選用對管2SB649、2SD6693 ,其參數(shù)為f T = 140MHz，PCM = 15W，UCEO = 180V。輸出管選用對管 2SA1072和 SC2522 , 其參數(shù)為 f T = 60MHz , PCM =

11、 120W , UCEO = 120V。 四、系統(tǒng)測試分析整個系統(tǒng)在調(diào)試時,分部分調(diào)試.首先是是前置放大級和轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試 ,然后是功率級本身的調(diào)試 ,最后將整個電路連接起來調(diào)試.(1) 額定功率 POR :輸入1kHz正弦波,用示波器測到此時輸出波形電壓有效值為U =12.7V ,則 POR=U2RL=12.72/10=16.1W。(2) 帶寬BW :輸入信號幅值不變 ,改變頻率 ,用示波器測輸出幅值 ,下限頻率fl和上限頻率 fh對應(yīng)的幅值為0.707中頻幅值。測得帶寬為10 Hz90 kHz。(3) 在 POR下的效率:斷開正電源,串入萬用表,在POR下,測得電壓為 20.28V ,電流

12、為652mA ,則電源輸入功率為: PIN =20.280.6522=26.45W，效率為:=POR/PIN=16.1/26.45=60.9%。(4) 交流聲功率:輸入端短路時,用晶體管毫伏計測輸出端交流電壓有效值為 1.38mV,則P=(1.3810-3)2/10=1.9041-6W =1.904W。(5) 在 POR和BW 內(nèi)失真度:采用失真度測試儀,在輸入信號為1kHz時,測得波形的失真度為:0.5%。五、實驗截圖截止失真輸入輸出波形：圖5.1截止失真輸入輸出波形圖完全截止失真輸入輸出波形：圖5.2完全截止失真輸入輸出波形 截止失真原因分析：發(fā)射結(jié)電壓沒有達(dá)到使其足夠?qū)妷阂陨?，集電極

13、的電流不能正常發(fā)大。消除失真的方法：提高靜態(tài)工作點(diǎn)的位置，適當(dāng)減小輸入信號ui的幅值，如減小Rb阻值，增大IBQ。f=fH時的輸入輸出波形：圖5.3 f=fH時的輸入輸出波形圖六、結(jié)論以上詳細(xì)介紹了一種簡單實用、價格低的低頻功率放大器的電路設(shè)計方法，整套設(shè)計只需幾十元。從實驗的各項數(shù)據(jù)分析,本電路具有很好的頻率響應(yīng)特性，從測得的帶寬 1090103Hz可以看出，該功率放大器可以很好地實現(xiàn)對低頻信號的放大作用，能較好地達(dá)到實際要求，也符合理論上的要求。七、體會 通過這次對低頻功率放大器的設(shè)計與制作，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于OCL音頻功率放大器的原理與設(shè)計理念，要設(shè)計一個電路總要

14、先用仿真成功之后才實際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為在實際接線中有著各種各樣的條件制約。但也有些電路在仿真中無法成功，而在實際中因為芯片本身的特性而成功的。所以，在設(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計方法。在為期一周的課程設(shè)計中我深深的感覺到自己專業(yè)知識的匱乏，對一些工作感到無從下手，茫然不知所措，這時才真正領(lǐng)悟到學(xué)無止境的含義，千里之行，始于足下。這次學(xué)習(xí)，讓我對各種電路都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應(yīng)該自己動手實際操作才會有深刻理解。這次課程設(shè)計終于順利完成了，雖然在設(shè)計中遇到了很多問題，但是都被我們一一克服。最后，我要感謝我的老師以及同學(xué)，在做課程設(shè)計期間對我的幫助，尤其是這次的指導(dǎo)老師，他將自己寶貴的經(jīng)驗毫無保留的傳授給我，讓我體會到什么叫用心良苦。參考