低點(diǎn)頻功率放大器論文

1、-PAGE . z摘要:低頻功率放大器簡(jiǎn)稱功放，可以說(shuō)是各類音響器材中最大的一個(gè)家族了。低頻功率放大器的的設(shè)計(jì)是有很多意義的：它可將音源器材輸入的較微弱信號(hào)進(jìn)展放大，產(chǎn)生足夠大的電流去推動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)展聲音的重放。目前低頻功率放大由分立元件組成，或集電極輸出完成，由分立元件組成的功放，電路構(gòu)造簡(jiǎn)單，由集電極輸出的功放，可減少信號(hào)失真。關(guān)鍵詞:低頻功率放大器;分立元件;集電極輸出；Design of Practical Low Frequency Power AmplifierAuthorizer:Gong Sheng-haoTutor:zhang shengguang(*injiang agric

2、ultural college science and technology institute)Abstract:PA short amplifier can be said that the various types of audio equipment in one of the biggest of the family. Practical low-frequency power amplifier design is a lot of significance: it can be imported audio equipment for a weak signal amplif

3、ication, to generate enough current to drive the speakers to voice playback. At present power amplification by discrete ponents, or plete collector output from the amplifier posed of discrete ponents, circuit structure is simple, from the collector output amplifier can reduce the signal distortion.K

4、ey words:Low-frequency power amplifier; discrete ponents; collector output;目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc244145789第一章緒論 PAGEREF _Toc244145789 h 3HYPERLINK l _Toc244145790第二章低頻功率放大器概述 PAGEREF _Toc244145790 h 4HYPERLINK l _Toc2441457912.1低頻功率放大器的根本要求 PAGEREF _Toc244145791 h 4HYPERLINK l _Toc24414

5、57922.2低頻功率放大器的分類 PAGEREF _Toc244145792 h 4HYPERLINK l _Toc2441457932.3 功率放大電路的主要特點(diǎn) PAGEREF _Toc244145793 h 6HYPERLINK l _Toc244145794第三章低頻功率放大器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc244145794 h 7HYPERLINK l _Toc2441457953.1 低頻功率放大器設(shè)計(jì)的要求和容 PAGEREF _Toc244145795 h 7HYPERLINK l _Toc2441457963.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc244145796

6、 h 7HYPERLINK l _Toc2441457973.2.1 設(shè)計(jì)思路 PAGEREF _Toc244145797 h 7HYPERLINK l _Toc244145798各模塊方案選擇和論證 PAGEREF _Toc244145798 h 8HYPERLINK l _Toc244145799各模塊的最終方案確定 PAGEREF _Toc244145799 h 11HYPERLINK l _Toc244145800理論分析與計(jì)算 PAGEREF _Toc244145800 h 11HYPERLINK l _Toc2441458013.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24414

7、5801 h 11HYPERLINK l _Toc2441458023.3.1 前置放大電路 PAGEREF _Toc244145802 h 11HYPERLINK l _Toc2441458033.3.2 中間放大級(jí) PAGEREF _Toc244145803 h 12HYPERLINK l _Toc2441458043.3.3 功率放大級(jí) PAGEREF _Toc244145804 h 13HYPERLINK l _Toc2441458053.3.4 測(cè)量局部 PAGEREF _Toc244145805 h 14HYPERLINK l _Toc2441458063.3.5 顯示局部 PAG

8、EREF _Toc244145806 h 15HYPERLINK l _Toc2441458073.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc244145807 h 15HYPERLINK l _Toc2441458083.4.1 測(cè)量顯示模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖 PAGEREF _Toc244145808 h 15HYPERLINK l _Toc2441458093.5系統(tǒng)測(cè)試 PAGEREF _Toc244145809 h 17HYPERLINK l _Toc2441458103.5.1 測(cè)試儀器 PAGEREF _Toc244145810 h 17HYPERLINK l _Toc2441458

9、113.5.2 指標(biāo)的測(cè)試 PAGEREF _Toc244145811 h 18HYPERLINK l _Toc2441458123.5.2.1 放大倍數(shù)的測(cè)試 PAGEREF _Toc244145812 h 18HYPERLINK l _Toc2441458133.5.2.2 輸入電阻的測(cè)試 PAGEREF _Toc244145813 h 18HYPERLINK l _Toc2441458143.5.2.3 通頻帶的測(cè)試 PAGEREF _Toc244145814 h 18HYPERLINK l _Toc2441458153.5.2.4 低頻放大器效率的測(cè)試 PAGEREF _Toc2441

10、45815 h 19HYPERLINK l _Toc244145816結(jié)論 PAGEREF _Toc244145816 h 20HYPERLINK l _Toc244145817參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc244145817 h 20第一章 緒論在模擬電子線路號(hào)經(jīng)過放大后，往往要去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成人們所預(yù)期的功能，例如推動(dòng)喇叭發(fā)出聲音，推動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)控制等等。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)是把電能轉(zhuǎn)換成其他形式能量的器件，他們正常工作需要從電路中獲取較大的能量。所以放大電路的末級(jí)多有功率放大器組成，以便為負(fù)載提供足夠的信號(hào)功率。本次課程設(shè)計(jì)就是簡(jiǎn)易低頻功率放大器。隨著現(xiàn)代社會(huì)電子科技的迅速開展，要求我們要

11、理論聯(lián)系實(shí)際，電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的進(jìn)展使我們有了這個(gè)非常重要的時(shí)機(jī)，通過這種綜合性訓(xùn)練，要求我們到達(dá)以下目的和要求：1、結(jié)合課程中所學(xué)到的理論知識(shí)，獨(dú)立設(shè)計(jì)方案。2、學(xué)會(huì)查閱相關(guān)手冊(cè)于資料，通過查閱手冊(cè)和文獻(xiàn)資料，進(jìn)一步熟悉常用電子器件類型和特性，并掌握合理選用的原則，培養(yǎng)獨(dú)立分析于解決問題的能力。這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)我們所學(xué)習(xí)的電子技術(shù)的一次實(shí)際應(yīng)用,也是對(duì)我們所學(xué)知識(shí)的一次練習(xí)和提高。第二章低頻功率放大器概述2.1低頻功率放大器的根本要求功率放大器和電壓放大器是有區(qū)別的，電壓放大器的主要任務(wù)是把微弱的信號(hào)電壓進(jìn)展放大，一般輸入及輸出的電壓的電流都比擬小，是小信號(hào)放大器。它消耗能量少，信號(hào)失真小，

12、輸出信號(hào)的功率小。功率放大器的主要任務(wù)是輸出大的信號(hào)功率，它的輸入、輸出電壓和電流都較大，是大信號(hào)放大器。它消耗能量多，信號(hào)容易失真，輸出信號(hào)的功率大。這就決定了一個(gè)性能良好的功率放大器應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)根本要求：1.具有足夠大的輸出功率為了得到足夠大的輸出功率，三極管工作時(shí)的電壓和電流應(yīng)盡可能接近極限參數(shù)。2.效率要高功率放大器是利用晶體管的電流控制作用，把電源的直流功率轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)功率輸出，由于晶體管有一定的阻，所以它會(huì)有一定的功率損耗。我們把負(fù)載獲得的功率Po與電源提供的功率PE之比定義為功率放大電路的轉(zhuǎn)換效率，用公式表示為：eq f(Po,PE)100%顯然，功率放大電路的轉(zhuǎn)換效率越高越

13、好。3.非線性失真要小功率大、動(dòng)態(tài)圍大，由晶體管的非線性引起的失真也大。因此提高輸出功率與減少非線性失真是有矛盾的，但是依然要設(shè)法盡可能減小非線性失真。4.散熱性能好2.2低頻功率放大器的分類一、以晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)位置分類常見的功率放大器按晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)Q在交流負(fù)載線上的位置不同，可分為甲類、乙類和甲乙類3種，如圖2.2.1所示。(a)3種工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)位置(b)甲類功放的輸出波形(c)乙類功放的輸出波形(d)甲乙類功放的輸出波形圖2.2.1功率放大器的3種工作狀態(tài)1.甲類功率放大器工作在甲類工作狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作點(diǎn)Q選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)附近，如圖2.2.1(a)所示。在輸入信

14、號(hào)的整個(gè)周期，晶體管都處于放大區(qū)，輸出的是沒有削波失真的完整信號(hào)，如圖2.2.1(b)所示它允許輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)圍較大，但其靜態(tài)電流大、損耗大、效率低。2.乙類功率放大器工作在乙類工作狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作點(diǎn)Q選在晶體管放大區(qū)和截止區(qū)的交界處，即交流負(fù)載線和IB0的交點(diǎn)處，如圖2.2.1(a)所示。在輸入信號(hào)的整個(gè)周期，三極管半個(gè)周期工作在放大區(qū)，半個(gè)周期工作在截止區(qū)，放大器只有半波輸出，如圖2.2.1(c)所示。乙類工作狀態(tài)的靜態(tài)電流為零，故損耗小、效率高，但非線性失真太大。如果采用兩個(gè)不同類型的晶體管組合起來(lái)交替工作，則可以放大輸出完整的不失真的全波信號(hào)。3.甲乙類功率放大器工作在甲乙類工作

15、狀態(tài)的晶體管，靜態(tài)工作點(diǎn)Q選在甲類和乙類之間，如圖2.2.1(a)所示。在輸入信號(hào)的一個(gè)周期，晶體管有時(shí)工作在放大區(qū)，有時(shí)工作在截止區(qū)，其輸出為單邊失真的信號(hào)，如圖2.2.1(d)所示。甲乙類工作狀態(tài)的電流較小，效率也比擬高。二、以功率放大器輸出端特點(diǎn)分類(1)有輸出變壓器功放電路。(2)無(wú)輸出變壓器功放電路(又稱OTL功放電路)。(3)無(wú)輸出電容器功放電路(又稱OCL功放電路)。(4)橋接無(wú)輸出變壓器功放電路(又稱BTL功放電路)。三、功率管的平安使用知識(shí)就功率管而言，為了保證其平安運(yùn)用，必須做到以下幾個(gè)方面：(1)防止發(fā)生集電結(jié)的擊穿。(2)防止集電結(jié)過熱，集電極的功率損耗應(yīng)低于最大容許值

16、PCM。晶體管的集電極容許損耗PCM不是一個(gè)固定不變的值，它和器件的散熱情況有關(guān)，根據(jù)環(huán)境溫度和器件的散熱裝置不同而有所不同。(3)功率管在工作時(shí)不能進(jìn)入二次擊穿區(qū)。2.3 功率放大電路的主要特點(diǎn) 1功率放大電路的任務(wù)和特點(diǎn)基于輸出較大功率的根本任務(wù)，對(duì)功率放大電路的討論主要針對(duì)以下幾個(gè)方面：1大信號(hào)工作狀態(tài)為輸出足夠大的功率，功率放大電路的輸出電壓、電流幅度都比擬大，因此，功率放大管的動(dòng)態(tài)工作圍很大，功放管中的電壓、電流信號(hào)都是大信號(hào)狀態(tài)，一般以不超過晶體管的極限參數(shù)為限度。2非線性失真問題由于功放管的非線性，功率放大電路又工作在大信號(hào)工作狀態(tài)，必然導(dǎo)致工作過程中會(huì)產(chǎn)生較大的非線性失真。輸出

17、功率越大，電壓和電流的幅度就越大，信號(hào)的非線性失真就越嚴(yán)重。因而如何減小非線性失真是功率放大電路的一個(gè)重要問題。3提高功率放大電路的效率、降低功放管的管耗從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來(lái)看，功率放大電路提供應(yīng)負(fù)載的交流功率是在輸入交流信號(hào)的控制下將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換成交流能量而來(lái)的。任何電路都只能將直流電能的一局部轉(zhuǎn)換成交流能量輸出，其余的局部主要是以熱量的形式損耗在電路部的功放管和電阻上，并且主要是功放管的損耗。對(duì)于同樣功率的直流電能，轉(zhuǎn)換成的交流輸出能量越多，功率放大電路的效率就越高。因?yàn)楣β蚀螅孕实膯栴}就變得十分重要，否則，不僅會(huì)帶來(lái)能源的浪費(fèi)，還會(huì)引起功放管的發(fā)熱而損毀。第三章 低頻功率放

18、大器的設(shè)計(jì)3.1 低頻功率放大器設(shè)計(jì)的要求和容設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低頻功率放大器，要求末級(jí)功放管采用分立的MOS管。根本要求：低頻功率放大器可以實(shí)現(xiàn)以下功能： 當(dāng)輸入正弦信號(hào)電壓有效值為5mV時(shí)即峰峰值為7mv時(shí)，在8電阻負(fù)載一端接地上，輸出功率5W，輸出波形無(wú)明顯失真。 通頻帶為20Hz20kHz。 輸入電阻為600。功率放大器的整機(jī)效率盡量提高。具有測(cè)量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號(hào)輸入時(shí))、直流電源的供應(yīng)功率和整機(jī)效率的功能，測(cè)量精度優(yōu)于5%。在滿足輸出功率5W、通頻帶為20Hz20kHz的前提下,輸入信號(hào)幅度可降到。3.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案3.2.1 設(shè)計(jì)思路根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求,本系統(tǒng)

19、由低頻功率放大器、測(cè)量電路和顯示電路組成。其中功率放大局部包括：前置放大級(jí)、中間放大級(jí)和功率放大級(jí)。測(cè)量顯示局部包括：電壓電流的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析和顯示。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)展了論證。最終確定系統(tǒng)框圖如圖.1所示。低頻功率放大器測(cè)量電路顯示電路圖3.2.1.1 系統(tǒng)構(gòu)造方框圖3.2.2各模塊方案選擇和論證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，到乙類=180，丙類，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(huì)產(chǎn)生交越失真。D類放大器效率雖高，但在制作

20、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，我們采用甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。甲乙類放大電路管耗小、效率高、可克制交越失真，雖然其效率比D類、乙類低，但其能滿足題目要求且較D類易制作。2信號(hào)前置放大級(jí)方案一： 采用分立元件組成放大電路。用小功率三極管組成差分放大電路作為輸入級(jí)。該電路的優(yōu)點(diǎn)是：共模抑制比高、性價(jià)比高。 方案二： 采用集成電路構(gòu)成。該電路的優(yōu)點(diǎn)是：電壓增益易調(diào)且高、電路簡(jiǎn)單。 根據(jù)題目要求需要低輸入電阻，高增益的前置放大級(jí)。方案一要求的性能一樣的小功率三極管電路設(shè)計(jì)、計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。而方案二具有更大的優(yōu)越性和靈活性，因此選用方案二。最終確定集成芯片采用低失調(diào)電壓、高開環(huán)增

21、益的OP07。 3中間放大級(jí)方案一：采用分立元件組成多級(jí)放大。用功率小三極管組成多級(jí)共射放大電路，性價(jià)比好。方案二：采用集成芯片和分立元件相結(jié)合組成多級(jí)放大。根據(jù)題目要求，放大器的通頻帶要寬，放大倍數(shù)大。方案一各放大級(jí)如直接耦合，各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，難以設(shè)置；如采用電容耦合，通頻帶將受影響，放大倍數(shù)要到達(dá)要求，放大級(jí)數(shù)多，難以到達(dá)要求。方案二采用集成芯片做一級(jí)放大，放大倍數(shù)易到達(dá)要求，設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)比高。因此選方案二。4功率放大級(jí)輸出級(jí)的關(guān)鍵問題是放大功率、提高效率和減小波形失真。方案一：直接采用配對(duì)的Mos管組成甲乙類功率輸出級(jí)。如圖.1。圖3.2.2.1 甲乙類功率放大輸出級(jí)方案二

22、：甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱放大電路。采用復(fù)合管構(gòu)成MOS配對(duì)管，增大輸出電流。如圖.2。輸出輸入圖.2甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱放大電路方案相比擬，方案二輸出電流大，故而使輸出功率也增大了，故采用方案二。5測(cè)量模塊方案一：輸出電壓經(jīng)分壓后用A/D直接采集計(jì)算，由于輸出電壓較大，但A/D的基準(zhǔn)電壓是5 V，所以必須利用分壓將電壓降到5V以進(jìn)展測(cè)量。方案二：采用小阻值的采樣電阻如圖.3 我們知道，如果R2的阻值遠(yuǎn)小于R1的阻值時(shí)，那R2對(duì)圖.3 ADC0804是低功耗的用CMOS集成工藝制成的逐次比擬型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100us，輸入電壓圍為05V。增加*些外部電路后，輸入模擬電壓為5V。

23、 該芯片有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無(wú)需附加邏輯接口電路。 ADC0804的外圍電路比ADC0832復(fù)雜，但是ADC0832的體積比ADC0804小，并且ADC0832使用的是串口，節(jié)省了IO口，ADC0804使用的是并口，但是使得程序編寫簡(jiǎn)單。6顯示模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要顯示輸出電壓、電源供應(yīng)功率、輸出功率和效率。 方案一： 使用液晶屏顯示。液晶顯示屏具有低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)，可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。 數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、耐老化、防曬防潮、易于維護(hù)、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)

24、要顯示的數(shù)據(jù)較多，方案二要求數(shù)碼管位數(shù)多、硬件焊接繁瑣、且顯示的數(shù)據(jù)易混淆。方案一使硬件電路簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)顯示清晰、不易混淆，因此采用方案一，用1602液晶屏顯示。3.2.3各模塊的最終方案確定 經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：1、前置放大級(jí)：采用OP07組成反相比例運(yùn)算放大電路；2、中間放大級(jí)：采用OP07組成同相比例運(yùn)算放大電路做第二級(jí)放大、差分放大做第三級(jí)放大、共射電路做第四極放大；3、功率放大級(jí)：采用配對(duì)管TIP41C、TIP42C分別與IRF250組成復(fù)合管，采用甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。4、測(cè)量模塊：A/D采集數(shù)據(jù)、單片機(jī)控制；5、顯示模塊：1602液晶顯示

25、。3.2.4理論分析與計(jì)算1求輸出最小電壓 根據(jù)題意，輸出功率，負(fù)載,則故 2、求放大器最小放大倍數(shù) 根據(jù)題意，輸入最小電壓為5mv，則3.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.3.1 前置放大電路 為了減小外界信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的影響，前置放大電路加上帶通濾波。根據(jù)題目要求，為了使輸出電阻為600，采用了輸入電阻低，共模信號(hào)為零的反相放大電路。令放大倍數(shù)為12，則平衡電阻 平衡電阻電阻值為600的電阻，反應(yīng)電阻接阻值為100K的可調(diào)電位器。電路圖如圖.圖3.3.1 前置放大電路3.3.2 中間放大級(jí)中間放大電路的放大倍數(shù)設(shè)為30.為了使整個(gè)電路的性能優(yōu)越，采用了2級(jí)放大。第一級(jí)為有源負(fù)載差分放大電路，提高電壓放大

26、倍數(shù)。第二級(jí)采用共射擊放大電路。在中間放大級(jí)的前面，我們還加了一個(gè)帶通濾波，以提高整個(gè)放大器的性能。電路如見圖。通過初步計(jì)算，仿真軟件仿真，得到各電阻值和電容值如圖示。圖3.3.2 中間放大級(jí)3.3.3 功率放大級(jí)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)中功率對(duì)管TIP41C、TIP42C構(gòu)成射隨器緩沖驅(qū)動(dòng)級(jí)，即能夠滿足頻率要求。 TIP41C與MOS管IRF250復(fù)合成NPN三極管，TIP42C與IRF250復(fù)合成PNP三極管，兩復(fù)合后的功率管組成輸出級(jí)。見圖。由于采用的是MOS管，IRF250的開啟電壓為2到4V，所以該電路在輸入信號(hào)較小時(shí)1000完畢將最

27、大值送變量圖3.4.1.3 ADC0832流程圖3.5系統(tǒng)測(cè)試為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵局部進(jìn)展了實(shí)際測(cè)試。3.5.1 測(cè)試儀器 測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表3.5.1所示。表3.5.1 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1YB1602信號(hào)發(fā)生器12DS1022C雙蹤示波器13UNI-T數(shù)字萬(wàn)用表1勝利公司3.5.2 指標(biāo)的測(cè)試3.5.2.1 放大倍數(shù)的測(cè)試放大倍數(shù)測(cè)量：使用信號(hào)發(fā)生器接入輸入端，將示波器的兩個(gè)探頭分別接輸入和輸出端。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3.5.2.1。表3.5.2.1 放大倍數(shù)的測(cè)定輸入信號(hào)前置放大級(jí)輸出功率放大級(jí)輸出電壓放大倍數(shù)6mv7.3V12177mv8V114210mv11.2V112020mv23V1150