幻燈片1低頻功率放大器設計——第二屆全國大學生電子設計競賽一、任務設計并制作具有弱信號放大能力的低頻功率放大器。其原理示意圖如下:外供正弦<1號源"斐換7變換功率3放大毒放大通道正弦信號外供正弦<1號源"斐換7變換功率3放大毒放大通道正弦信號?電路:正'負十’k-7一極性對+'f職財I自常典壓龜源，等效員載電阻幻燈片2二、設計要求基本要求在放大通道的正弦信號輸入電壓幅度為5Q700)mV，等效負載電阻RL為80下，放大通道應滿足：額定輸出功率POR^10W；帶寬BWN(50?10000)Hz；在POR下和BW內的非線性失真系數建%；在POR下的效率^5%；在前置放大級輸入端交流短接到地時RL=80上的交流聲功率10mW。自行設計并制作滿足本設計任務要求的穩壓電源。幻燈片3發揮部分放大器的時間響應方波產生：由外供正弦信號源經變換電路產生正、負極性的對稱方波：頻率上升時間W1“s>峰-峰值電壓為200mVpp。用上述方波激勵放大通道時，在L=8O下，放大通道應滿足：額定輸出功率POR^10W；帶寬BW；(50?10000)Hz；在POR下輸出波形上升時間和下降時間削s；在POR下輸出波形頂部斜降以%；在POR下輸出波形過沖量禪%。⑵放大通道性能指標的提高和實用功能的擴展(例如提高效率、減小非線性失真等)幻燈片4三、評分意見項目得分基本要求設計與總結報告:方案設計與論證，理論計算與分析，電路圖，測試方法與數據，結果分析50實際制作完成情況50發揮部分完成第一項20完成第二項10特色與創新20幻燈片5?四、主要技術指標分析?基本要求部分的技術指標分析功率放大器的輸入信號電壓Vi由信號源提供5mV~700mV的正弦波，輸出電壓信號Vo從8Q的等效負載電阻上獲得。額定輸出功率PoN10W，這項指標說明在輸入信號5mV~700mV的范圍內，均以PoN10W的滿功率不失真輸出，即小信號輸入和大信號輸入時，都要求滿功率不失真輸出，因此，要求放大器的增益是可以調節的。幻燈片6四、主要技術指標分析⑵功率放大器的帶寬BWN50Hz~10KHz。該指標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障dB時所對應的頻率，即最低頻率fLW50Hz,最高頻率fHN10KHz。功率放大器在額定輸出功案。和BW內，非線性失真系數W%。這項技術指標指出經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，只要信號是經過線性放大，-般都能夠滿足Q%的要求，否則，要對信號的非線性失真進行改善。幻燈片7四、主要技術指標分析在Po下的效率N55%。這項指標說明功率放大器輸出功率的轉換效率，通常用輸出功率與電源消耗的總功率之比值來表示，即：n=Po/PDC。nN55%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，因為甲類功率放大器的效率最高也不能超過50%。當前置放大級的輸入端交流短接到地時，RL=8Q上的交流聲功率W10mW。這項指標是指在沒有信號輸入時，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。幻燈片82.發揮部分的技術指標分析設計制作滿足本設計要求的穩壓電源。這需要根據所設計的具體電路來決定穩壓電源的輸出電壓和輸出功率。放大器的時間響應：因為方波的上升和下降時間可以反映放大器的時間響應。故要求方波產生電路能將正弦波變換成正負極性對稱的方波，且方波的輸出端還要進行限幅，使其電壓峰峰值為200mV。幻燈片9五、電路設計設計思路：逐步分析已知條件和未知因素之間的關系。如在本課題中，輸入信號的大小和輸出功率是已知的，但它們之間傳輸通道信號的大小是未知的，需要逐一求出。可以按照從前置放大級到功率放大級的順序逐一設計計算，也可以從功率放大級到前置放大級的順序設計計算。下面以后者為例進行設計。?功率放大級電路設計?當功率放大器以PoN10W的滿功率不失真輸出時，輸出電壓的幅度為為留有充分余地，取VOP=14V。由此可以計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)=68.9dBVOPj2PR>j2x10x8V=12.6VVOP幻燈片10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，這是設計中很關鍵的一步，這與所選用的器件、電路類型以及實際經驗都有關系。通常功率放大級的電壓增益不能太大，因為這一級的信號比其它級的信號要大很多，增益太大容易引起自激，一般取十幾倍。可以暫取10倍進行計算，以后再通過實驗電路進行調整。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。VOP=14V1.4~~一、……—"IVIP=5mV件前置放大級增益=280倍「一?功率放大級增益=10倍―VIP=5mV幻燈片11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；也可以選用分離元件來組成。二者各有其特點：集成功率放大電路的調節比較簡單，但進行級聯時，如果要對整機的性能進行改善，靠集成功率放大級的調節往往達不到目的；而由分離元件組成的功率放大器，雖然電路的調節比較繁瑣，但可以通過功率放大級的調節改善整體的性能。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。幻燈片12

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27kIR3」27k―R42.2kR512.7k-^0210pFQ1Q22N22222N222：R71.0kR612k03-^10K_LINKey=A50%'幻燈片133如11N400110pF14VR155K_LIN50%Key=AR8180R16」390kQ3vccJl100011.0uF-L|R2

27kIR3」27k―R42.2kR512.7k-^0210pFQ1Q22N22222N222：R71.0kR612k03-^10K_LINKey=A50%'幻燈片133如11N400110pF14VR155K_LIN50%Key=AR8180R16」390kQ3N5401Q42SD66718VQ62N3055R10J27k立D21N4001立D3一1N4001X/D4一1N40011R17~1K_LINKey=50%R94.7kR12J0.5R111R13」200J0.5RL__FU8.Q52SB647Q7J2955-18VVEEAV=R10/R7反饋支路并聯電容C3可以減小高頻自激。幻燈片14(1)末級功率放大電路課題的技術要求：在額定功率下，輸出的正弦波信號的非線性失真系數W3%，效率N55%，所以末級功率放大電路工作在甲乙類比較好。因為工作在甲類狀態，雖然非線性失真系數比較小，但效率較低，一般小于50%，如果工作在乙類狀態，雖然效率較高，但輸出波形容易產生交越失真，達不到非線性失真系數W3%的要求。圖中3只二極管D2,D3,D4和電位器R17是用來調整電路的工作狀態的。靜態時，調節電位器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結電壓之和。晶體管Q4,Q5,Q6,Q7靜態時處于微導通狀態，輸出端對地電壓應為0V，從而可克服交越失真。幻燈片15?采用雙電源供電，因為輸出電壓幅度為14V，則VCC>14V,為留有余地，選+VCC=+18V,-VEE=-18V.?功率輸出晶體管Q6,Q7選用大功率互補對稱的晶體管2N3055和MJ2955.其特征頻率fTN10MHz,耗散功率PcN20W,選b>50.驅動管Q4,Q5也是一對互補對稱的晶體管，其特征頻率fTN100MHz，耗散功率PcN500mW,選b>80.幻燈片16電壓放大電路電壓放大電路給末級功放提供驅動電壓，由晶體管Q3構成；靜態工作點由電阻R4,R8,R9決定，取集電極電流IC3為6mA左右。電容C2是高頻電壓負反饋支路，防止高頻自激。差分放大器電路差分放大器電路由晶體管Q1,Q2構成。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。電路的靜態工作點由電阻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。幻燈片172.前置放大電路的設計前置放大電路的主要功能是將5mV~700mV的輸入信號不失真地放大到功率放大級所需的1.4V輸入信號，因此，需要解決兩個問題：一是本級280倍的電壓放大倍數和帶寬BWN50Hz~10KHz的矛盾；二是對5mV~700mV范圍內的信號，都只能放大到1.4V，以滿足額定輸出功率PoN10W的要求。對于前者，可以采用兩級放大電路，因為放大器的增益帶寬積是一個常數，每級的增益減小，帶寬就可以提高。對于后者，可以設計一個音量控制電路或自動增益控制電路，使功放級的輸入信號控制在1.4V左右。根據以上思路，設計的前置放大器電路如圖所示。幻燈片18幻燈片19其中NE5532是一個雙運放集成運算放大器，可以用來構成A1,A2兩級放大電路，其主要性能參數如下：增益帶寬積10MHz，轉換速率9V/uS,共模抑制比100dB,輸入電阻300KQ.設前置放大器A1的增益為AV1=R2/R1=150K/10K=15對于幅度為5mV~700mV輸入信號，A1輸出幅度為75mV~10.5V.選電源電壓+Vcc=+12V,-VEE=-12V.第二級放大器A2的輸入信號的大小由音量控制電位器R10進行控制.設A2的增益為AV2=R6/R5=200K/10K=20對于75mV的信號，不經過電位器R10的衰減，直接由A2放大至1.5V；對于大于75mV的信號，則調節音量控制電位器R10先進行衰減后再進行放大，使得經A2放大后的信號也為1.5V，以滿足功率放大級輸出額定功率PoN10W的要求。幻燈片20方波發生器電路的設計方波發生器電路的功能：一是要將信號源輸出的1000Hz正弦波變為正、負極性對稱的方波，且VP-P=200mV。二是方波信號要經過放大通道進行放大，使輸出達到額定功率PORN10W。此外，還要滿足方波波形參數的要求。首先從方波的波形參數考慮，選用快速比較器LM339或LM139組成一個過零比較器，如圖中的A3所示，其上升沿和下降沿的時間均小于0.5uS,A3的同相端接A1放大后的正弦信號，反相端接地，實現過零比較。A3的輸出為±12V的對稱方波。經電阻R8,R9分壓后的輸出信號Vo1的峰峰值為200mV。再將開關J1置于2處，方波信號Vo1經過放大通道進行放大，使輸出達到額定功率PORN10W。幻燈片21穩壓電源設計根據以上設計的前置放大電路和功率放大電路的要求，需要穩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壓電路LM7812和LM7912芯片直接輸出，±18V電壓可以選用可調三端集成穩壓電路LM317和LM337。其性能參數為：輸出電壓調節范圍1.2V~37V,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。直流穩壓電路如圖所示。幻燈片22幻燈片23可調三端穩壓器的輸出電壓為：Vo=1.25(1+R1/R3)一般R3取200。左右，若取220。，Vo=18V，則R1約為3KQ，取5KQ精密電位器。電源變壓器的參數計算如下：穩壓電源消耗的直流功率為PDC=Po/n式中穩壓電源的輸出功率Po應大于功率放大器的額定輸出功率10W,取Po=15W,效率門=65%，則電源消耗的直流功率PDC=Po/n=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。幻燈片24變壓器副邊的電壓V2計算如下:設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為1.1，則變壓器的副邊電壓V2>21V/1.1=19V,取20V.由以上分析計算，可選用一個功率為40曝,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LM7805。幻燈片25數字音量控制和電平指示電路設計為了滿足輸入信號的幅度在5mV~700mV的范圍內，功率輸出級的輸出功率PORN10W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進行衰減。如果電位器不是處在最大的衰減位置，而輸入信號又比較大，則這時功率放大器的輸出功率會遠大于額定功率，很有可能損壞功率放大器。為了避免這種情況的出現，設計一個數字音量控制電路，如圖所示。幻燈片26VCC數字音量控制電路幻燈片27電路中，CD4051是一個8選1的模擬開關，CD4516是一個4位十六進制異步可逆計數器，由555組成單穩態電路，產生計數脈沖，脈沖寬度tp=1.1R13C5=0.1S電路的工作原理是：接通電源，由C3,R11組成的置數電路給計數器CD4516置數，其輸出Q2Q1Q0=000,則8選1開關CD4051接通I/O0,這時輸入信號經過電阻網絡最大的衰減后再由CD4051的I/O端輸出，從而避免了因輸入信號較大而損壞功率放大器的情況。CD4051的輸出信號經耦合電容C4和電位器RP1進一步調節后使輸出保持Vo1=75mV左右，再送前置放大器第二級A2的輸入端。幻燈片28輸入信號Vi來自前置放大器第一級A1的輸出，Vi的范圍為75mV~10.5V.當Vi為75mV時，調節計數脈沖，使計數器的輸出Q2Q1Q0=111,則CD4051接通I/O7,輸出Vo1=75mV。當Vi=10.5V,使計數器的輸出Q2Q1Q0=000,則CD4051接通I/O0,輸出為（10.5/7.5）X0.5=700mV,再調節RP1使Vo1=75mV.由此可見，對于7mV~10.5V范圍內的輸入信號，經過數字音量控制電路后均變為75mV左右，從而滿足了額定輸出功率的要求。幻燈片29電平指示電路是功率放大器的功能擴展電路。在音量控制電路中，只要增加一只74LS138譯碼器和8只發光二極管就可以實現電平指示功能，如圖所示，因為計數器的輸出Q2Q1Q0的狀態與CD4051的輸入信號Vi的大小是一一對應的，所以，74LS138譯碼器的輸出也與Vi的大小相對應，則8只發光二極管可以將Vi分成8級進行顯示。幻燈片30電路的安裝與調試功率放大電路的安裝方法是，將整機分成4個電路板，即前置放大電路板、功率放大電路板、數字音量控制電路板和穩壓電源電路板。各個電路板之間用排線進行連接。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，三端穩壓器上也要安裝散熱片。幻燈片31功率放大器的電路調試方法是：先調試各個電路板的靜態工作點和性能參數，再逐級級聯，進行整機聯調。為了給功率放大器提供電壓，首先應該調試穩壓電源。注意調節電位器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，電容的耐壓值要大于電源電壓值。只要土18V輸出正常，土12V，+5V是不需要調節的。幻燈片32前置放大器A1、A2的放大倍數設計為固定值，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行調節。信號源輸出頻率為1000Hz，幅度為100mV的正弦波，則A1、A2的輸出應該滿足放大倍數的要求，再調節R9使A3的輸出為200mV的峰-峰值。幻燈片33功率放大級的靜態工作點的調整比較繁瑣，具體方法如下。先調節功率放大器的電位器，使A、B兩點間的電壓為2.8V，O點對地電位為0V。晶體管Q6、Q7的集電極電流約18mA。這時，末級功放應該工作在甲乙類。再調節差分放大級的靜態工作點，調節R14、R15使晶體管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。以上參數只能作為參考，因為有時這些調節會相互影響，需要反復調節，取比較合適的值，靜態工作點調好了，說明電路處于正常工作狀態。幻燈片34下面觀測動態波形，將信號源輸出頻率為1000Hz，幅度為1.4V的正弦波接到差分放大器的輸入端，這時輸出信號應該是幅度為14V，頻率為1000Hz的不失真的正弦波，如果出現波形失真，則可調節R17。如果出現高頻自激，可在負載兩端并聯電容，以使輸出等效負載呈純阻；還可以減小晶體管Q3的并聯電容，減小電壓增益的方法來減小高頻自激。數字音量控制電路板主要是調節NE555的脈沖寬度和CD4516可逆計數器的狀態，S1接地時減法計數，S1接+5V時為加法計數。幻燈片35下面進行級聯調整：將前置放大器的輸出端與功率放大器的輸入端連接，信號源輸出1000Hz，幅度為100mV的正弦波，調節前置放大器的電位器R10，使功率放大級的輸出信號Vo的幅度為14V，如果達到要求，說明這兩級電路級聯后能夠正常工作。否則對各級的靜態參數進行修改。再接入數字音量