低頻功率放大路設(shè)計(jì)-開題報(bào)告書

1、-低頻功率放大路設(shè)計(jì)摘要介紹一種具有小信號放大能力的低頻率放大器的設(shè)計(jì)和制作，論述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、理論依據(jù)、工作流程、程序流程、程序設(shè)計(jì)、測試方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)主要由電壓放大電路、輸出級電路、帶阻濾波器和顯示電路等組成，電路構(gòu)造簡捷，技術(shù)合理、器件本錢低、節(jié)電省能、性價(jià)比高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該功率放大器在功率、通頻帶、失真度和效率等方面有較好的指標(biāo)、較高的實(shí)用性和節(jié)能性，并很好地實(shí)現(xiàn)了對低平信號的功率放大作用，符合技術(shù)規(guī)和設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：低頻；功率放大器；頻率；失真；效率開題報(bào)告的容一、 選題背景和意義功率放大器是一個(gè)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?，無論從線路

2、技術(shù)還是元器件方面，乃至于思想認(rèn)識上都去的了長足的進(jìn)步。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使得晶體管放大器從前邁進(jìn)了一大步。自從有了晶體管，人們就開場用它制造功率放大器早期的放大器幾乎全用鍺管來制作，但是由于鍺管工藝上的一些原因，使得放大器中所使用的晶體管，尤其是功放管性能指標(biāo)不易做得很高。伴隨著半導(dǎo)體工藝的逐漸成熟，大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加，越來越多的功率放大器采用了無輸出變壓器的OCL電路或OTL電路。最初的大功率PNP管是鍺管，而PNP管是硅管，兩者的特別差非常明顯，人民更多采用的準(zhǔn)互補(bǔ)電路。到了六十年代末，大功率PNP硅管商品化的時(shí)候，互補(bǔ)對稱電路才得到廣泛的應(yīng)用。最初采用對稱設(shè)計(jì)的例子要算互

3、補(bǔ)對稱電路了，一上一下的兩只異極性晶體管作推挽輸出，不僅可以免除笨重的輸出變壓器，而且電路的偶次諧波失真在推挽的過程中被抵消了，保真度有了很大的提高。后來，人們從運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中得到了啟迪，將左右對稱的差動式電路用于功率放大器的輸入級，電路的穩(wěn)定性和線性都得到改善，這一構(gòu)造至今都還有人采用。典型的OCL放大器外，單管放大的過載能力也很差，這一系列的缺點(diǎn)是不利于電路的動態(tài)性能的。圍繞著改良電壓推動級的性能，人們相繼提出了多種構(gòu)造，共射-共基電路就是一個(gè)典型的例子。共射-共基電路又叫"猩爾曼電路，它原先是高頻電路中廣為采用的構(gòu)造，但用于音頻電路中同樣可以發(fā)揮出色的性能。首先是它的寬頻響

4、，由于共基放大器Qs非常低的輸入阻抗，使Q喪失了電壓增益，米勒效應(yīng)的影響就非常脆弱。寬頻響的推動級拉開了與輸入級極點(diǎn)的距離，相位補(bǔ)償變得很容易，而且電容C的容量可以大大減少，這對于改善TIM失真是很有利的。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電路的高度線性；共基極電路的輸出特性也可以清楚地顯示出這點(diǎn)。另一種電壓推動級的形式，電壓推動級也采用對稱的差動放大，這不僅可以改善輸入級的平衡性，提高放大能力和共模抑制比，而且同樣可以降低推動級的失真，因?yàn)椴顒臃糯箅娐樊?dāng)輸入在一定的圍時(shí)具有線性的傳輸特性。Q2和Qd構(gòu)成鏡像電流源，把Q的集電極電流轉(zhuǎn)移到Qz上，所以盡量是單端輸出，電流推動能力卻比原來增大了一倍。功率放大器就是采用

5、這種電路構(gòu)造，取得非常好的構(gòu)造，對稱和平衡不僅表達(dá)在電路的構(gòu)造上，還表現(xiàn)在元件的參數(shù)上。差動電路是集成運(yùn)放中廣泛采用的構(gòu)造，其特性是建立在兩只差分管準(zhǔn)確的根底上。同樣，推挽電路中，如果兩只異極性的晶體管特性不一致時(shí)，對波形的兩個(gè)半周就不能做到一直地放大，這將增大電路的失真度。本課題設(shè)計(jì)的低頻率放大器具有電路簡單、功率小、耗電量小，節(jié)約本錢。從能量控制的觀點(diǎn)來看，功率放大電路與電壓放大電路都是能量轉(zhuǎn)換電路，都是電源的直流功率轉(zhuǎn)換成放大信號的交流功率。但是它們具有各自的特點(diǎn)：低頻電壓放大電路工作在小信號狀態(tài)，動態(tài)工作點(diǎn)擺動圍小，非線性失真小，可用微變等效電路法分析、計(jì)算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出

6、電阻等。從學(xué)習(xí)的觀點(diǎn)來看，在實(shí)習(xí)中自己設(shè)計(jì)制作，可以激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，還可以加深對所學(xué)知識的理解，通過實(shí)踐，把平時(shí)自己所學(xué)的與設(shè)計(jì)有關(guān)的靈活運(yùn)用。二、研究的根本容、根本思路方案及解決的主要問題2.1設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)一個(gè)低頻功率放大器，能放大功率，當(dāng)輸入正弦信號電壓有效值為5mV和輸入電阻為600時(shí)，在8電阻負(fù)載一端接地上，同時(shí)電路使輸出功率大于等于5W，輸出波形無明顯失真。輸出信號的通頻帶圍為20Hz20kHz。2.1.1設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)一個(gè)低頻放大器，通過計(jì)算得到需要電壓增益2040dB,因此需要設(shè)置二級放大器；弱信號前置放大器和末級功率放大器；帶寬要求可以通過選擇適當(dāng)?shù)钠骷頋M足，如圖2-1.設(shè)計(jì)中

7、采用差分放大電路，再放大輸出后加上偏置電阻，到達(dá)輸出波形無明顯交越失真；在使用功率放大電路，使之功率到達(dá)額定的功率，以及制作一個(gè)多路輸出直流穩(wěn)壓電源為用電回路供電。2.1.2方案論證與比擬1高效率、寬帶功率放大器的類型選擇我們知道，為了提高功率和效率，一般的方法是降低三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)及由甲類(=360°，50到乙類=180°，78.5，丙類180°，78.5，甚至D類=100。但丙類放大器不適宜寬帶放大器，原因是失真太大。工作在乙類狀態(tài)會產(chǎn)生交越失真。D類放大器雖高，但在制作上有幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，如脈寬調(diào)制，考慮到時(shí)間因素，我采用復(fù)合管的互補(bǔ)對稱功率放大電路?；パa(bǔ)功

8、率放大電路管耗小、效率高、可克制交越失真。2方案一：采用分立元件組成放大電路。用小功率三級管組成查分放大電路作為輸入級。電路優(yōu)點(diǎn)是：共模抑制比、性價(jià)比高。方案二：采用集成電路構(gòu)成。電路的優(yōu)點(diǎn)是：電壓增益易調(diào)且高、電路簡單。根據(jù)要求輸入電阻600和2040dB的增益，所以選擇方案一。3功率放大級方案一:乙類互補(bǔ)功率放大電路如下圖。它由一對NPN/PNP特性一樣的互補(bǔ)三極管組成。這種電路也稱作OCL互補(bǔ)功率放大器。方案二：單電源互補(bǔ)功率放大器如下圖。當(dāng)電路對稱時(shí)，輸出端的靜態(tài)電位等于VCC/2。為了使負(fù)載上僅獲得交流信號，用一個(gè)電容器串聯(lián)在負(fù)載與輸出端之間。這種功率放大器也稱為OTL互補(bǔ)功率放大器

9、。方案三：復(fù)合管的互補(bǔ)功率放大電路，當(dāng)輸出功率較大時(shí)，輸出級的推動級，即末前級也應(yīng)該是一個(gè)功率放大級。此時(shí)往往采用復(fù)合管，復(fù)合管有四種，如下圖，復(fù)合管的極性由前面的一個(gè)三級管決定。由NPN-NPN或PNP-PNP復(fù)合而成的一般稱為達(dá)林頓管。因?yàn)榉桨溉?輸出電流大，所以輸出功率也增大，故采用方案三。2.3理論分析和計(jì)算1求輸出最小電壓Uomin輸出功率Po5W，負(fù)載RL=8，則2求放大器最小放大倍數(shù)根據(jù)輸入最小電壓為5mv，則3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1弱信號前置放大級前置放大電路的放大倍數(shù)設(shè)為30dB，為了使整個(gè)電路的性能優(yōu)越，采用了有源負(fù)載查分電路，提高放大倍數(shù)。如下圖。3.1.1工作原理1當(dāng)vi

10、l=vi2=0時(shí)，即靜態(tài)時(shí)，由于電路完全對稱：Ic1=Ic2=10/2,Rc1Ic1=Rc2Ic2,Vo=Vc1-Vc2=0即輸入為0，輸出也為0。2參加差模信號時(shí)，即vs1=-vs2=vsd/2，從電路看vB1增大使得iB1增大，使ic1增大，使得vc1減小vB2減小使得iB2減小，又是個(gè)vc2減小，使得vc2增大，由此退出：vo=vc1-vc2=2vc1，每個(gè)變化量v不等于0，所有有信號輸出。假設(shè)在輸端共模信號，即vs1=vs2,由于電路的對稱性和恒流源偏置，理想情況下vo=0，無輸出。3.2功率放大器根據(jù)設(shè)計(jì)要求，放大電路的通頻帶至少為20Hz20kHz，在這里采用兩只互補(bǔ)功率對管2SD

11、667管、2SB647管構(gòu)成緩沖驅(qū)動級，能夠滿足頻率要求。2SD667管與2N3055管復(fù)合成NPN三極管、2SB647管與MJ2966管復(fù)合成PNP三極管，兩復(fù)合后的功率管組成輸出級，如圖3.2.1工作原理輸入信號電壓為負(fù)半周，經(jīng)T3倒想放大，T3集電極電壓瞬時(shí)極為"正，T4與T6組成的NPN復(fù)合管正偏導(dǎo)通，T5與T7組成的PNP復(fù)合管反偏截止。經(jīng)NPN復(fù)合管放大后的電流送給負(fù)載電阻RL。負(fù)載RL上得到正版周電壓。輸入信號電壓為正半周，經(jīng)T3倒想放大，T3集電極電壓瞬時(shí)極為"負(fù)，T4與T6組成的NPN復(fù)合管反偏截止，T5與T7組成的PNP復(fù)合管正偏導(dǎo)通。經(jīng)PNP復(fù)合管放大

12、的電流由PNP復(fù)合管集電極經(jīng)負(fù)載電阻RL流回發(fā)射極，負(fù)載RL上得到負(fù)半周電壓。輸出電壓Uo的最大幅值約為VCC/24制作與調(diào)試4.1 整體電路調(diào)試在完成電路的排板、焊接、連線之后。先用萬用表檢查電路是否會有短路、虛焊，電源地，確定后開場調(diào)試。4.1.1主要測試儀器示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字式萬用表、高頻頻率計(jì)等。4.1.2產(chǎn)品的調(diào)試測量工具：示波器。測量方法:將制作的成品接地接電源進(jìn)展運(yùn)行，再用示波器接在產(chǎn)品的信號發(fā)生管腳，在示波器上調(diào)整查看波形。5.1進(jìn)度安排于2021年12月2日或12月3日進(jìn)展開題報(bào)告辯論，請準(zhǔn)備好辯論稿件。3.方案選定及驗(yàn)證1)2021年12月10日 在前期資料收集根

13、底上確定系統(tǒng)實(shí)施方案并設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖。2)2021年1月10日前根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇其中一種思路展開具體設(shè)計(jì)，選擇明確線路，計(jì)算相關(guān)技術(shù)參數(shù) ，說明選擇依據(jù)。3)2021年2月20日前繪制電原理圖列出元件表。4)2021年4月10日前模擬仿真設(shè)計(jì)線路。4.畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書撰寫1)2021年12月15日 闡述設(shè)計(jì)目的、意義、分析國外研究現(xiàn)狀與開展趨勢。2)2021年1月10日 說明設(shè)計(jì)的思路、原理，形成系統(tǒng)框圖。說明采用路線的先進(jìn)性。3)2021年2月25日 詳細(xì)分析采用的線路。分析各種線路優(yōu)、缺點(diǎn)，選擇適合的線路實(shí)施。4)2021年3月15日 具體說明使用的主要芯片的原理。5)2021年4月1日 結(jié)

14、合驗(yàn)證結(jié)果分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，有待提高局部。得出結(jié)論。6)2021年4月10日 設(shè)計(jì)總結(jié)，完善設(shè)計(jì)報(bào)告。7)2021年4月25日 師生互動修改設(shè)計(jì)說明書。四、主要參考文獻(xiàn)(需有外文文獻(xiàn))1.胡萍。四類運(yùn)算放大器的技術(shù)開展趨勢及其應(yīng)用熱點(diǎn)。2.郭榮祥，亦群，高工。高速運(yùn)算放大器應(yīng)用技術(shù)。電子技術(shù)應(yīng)用，1998年第4期。3.宏軍，黎昕，少卿。集中典型運(yùn)算放大器的應(yīng)用技術(shù)。電子技術(shù)應(yīng)用，1999年第9期。4.金愛華，翠萍。高速運(yùn)算放大器在視頻線路中的應(yīng)用/電工，2000年8月第3期。5.美桑森Willy M.C.Sansen)著，模擬集成電路設(shè)計(jì)精粹。瑩梅等譯。，清華大學(xué)，2021.36.美格雷Gra

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